偏振-PPM联合调制的水下光通信方法、系统、终端

摘要

本发明属于水下光通信调制与解调技术领域，公开了一种偏振‑PPM联合调制的水下光通信方法、系统、终端，包含了瞄准功能，发信方发信，发信方对原始数据依次进行分割、编码、打包、2‑PPM偏振调制，发射信号脉冲；收信方收信，收信方对接收脉冲依次进行同步信号提取、PPM偏振解调、数字信号解码，根据译码状态获得数据接收状态，将其传递给收信方FPGA发信模块；发信方状态处理，发信方对接收脉冲依次进行同步信号提取、PPM偏振解调、数据状态信息提取，根据数据状态进行判断。本发明中偏振采用外调制实现，PPM采用2PPM及直接调制实现，保证了通信所需要的带宽，使得调制出来的光信号对背景噪声具有一定的抗干扰能力。

说明书

技术领域

本发明属于水下光通信调制与解调技术领域，尤其涉及一种偏振-PPM联合调制的水下光通信方法、系统、终端。

背景技术

目前，水下无线通信的技术主要有水声通信、光通信、射频通信，射频通信由于速率低、通信设备复杂而不常用，水声通信是最常用的水下通信方式；但也存在高延迟、保密性差、受多径效应与多普勒效应影响等问题。蓝绿光波段的水下光通信具有高速率、低延迟、隐蔽性强等优点，发展迅速。调制技术在水下光通信中扮演着重要的角色，现阶段常用的调制方式有开关键控调制(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、偏振移位键控调制(PolSK)等，OOK调制是最简单、使用最广泛的调制策略，它有着高带宽效益，但从抗噪性能与能量利用效率来看，PPM调制是更好的选择，PolSK调制通过偏振状态变化来传输数据，并对背景噪声有很好的抗干扰性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有水下光通信调制技术中，存在通信距离短、长距离通信速率较低的问题，如何对调制信号进行改进，使其携带尽可能多的信息，提升通信带宽，是本技术领域技术人员关心的问题。

解决以上问题及缺陷的难度为：延长水下光通信的通信距离、同时保证较高的通信速率，需综合考虑多种因素，结合纠错编码技术与单光子通信技术，设计完善的水下光通信方案。

解决以上问题及缺陷的意义为：延长水下光通信的距离，同时保证较高的通信速率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种偏振-PPM联合调制的水下光通信方法、系统、终端。本发明中偏振-PPM联合调制的方法，使其与OOK调制有相同的带宽效益，并对背景光噪声具有一定的抗干扰能力，结合单光子探测技术，构建了一种水下收发合一的单光子量级通信系统，获得综合性能较好的调制策略。

本发明是这样实现的，一种偏振-PPM联合调制的水下光通信系统，所述偏振-PPM联合调制的水下光通信系统包括：

收发光路、收发电路、收发数据帧结构、FPGA收发模块结构；

收发光路位于水密舱体内，由双轴转台承载，负责通信双方的对准与信息的传输，由收发电路对其进行控制；收发电路用于控制收发光路，调整光信号传输的数据类型，由计算机进行总控制；

收发数据帧结构由FPGA收发模块进行选择；FPGA收发模块位于收发电路中，其结构包含FPGA收信模块与FPGA发信模块。

进一步，所述收发光路依据功能可将光路分为调制光路、解调光路、瞄准激光发射光路、瞄准激光接收光路；在调制光路中，信号脉冲由发信激光器发出，依次经起偏器、EO-AM电光幅度调制器、第一四分之一波片、第一偏振无关分束器透射、二向色镜反射、快速压电偏摆镜反射后进入扩束镜；在解调光路中，信号脉冲由扩束镜进来，依次经快速压电偏摆镜反射、二向色镜反射、第一偏振无关分束器反射，通过空域滤波器、第一窄带滤光片、偏振补偿器、第二四分之一波片，经偏振分束器反射或透射、由第一光纤准直器或第二光纤准直器进入第一SPAD单光子雪崩二极管或第二SPAD单光子雪崩二极管；在瞄准激光发射光路中，瞄准激光由瞄准激光器发出，经第二偏振无关分束器透射、第二窄带滤光片滤光、二向色镜透射、快速压电偏摆镜反射后进入扩束镜；在瞄准激光接收光路中，瞄准激光由扩束镜进来，经快速压电偏摆镜反射、二向色镜透射、第二窄带滤光片滤光、第二偏振无关分束器反射后进入CCD相机；

所述收发电路包含收发FPGA芯片、EO-AM驱动模块、ARM处理器、计算机；计算机对电路进行总控制；FPGA芯片控制发信激光器、瞄准激光器以及EO-AM驱动模块，同时对第一SPAD单光子雪崩二极管或第二SPAD单光子雪崩二极管的接收信号进行处理；EO-AM驱动模块控制EO-AM电光幅度调制器进行偏振态调制；ARM处理器通过处理分析CCD相机的光斑图像，控制双轴转台指向或者快速压电偏摆镜偏转角度；

所述扩束镜由两个凸透镜组成，为开普勒望远镜，透镜间距可进行微调；第一光隔离器为中心波长488nm的偏振相关隔离器，出射光束的偏振方向与起偏器的透振方向一致；所述第二光隔离器为中心波长532nm的偏振相关隔离器；

发信激光器中心波长为488nm，由收发FPGA芯片输出的PPM调制信号进行2-PPM调制，PPM调制信号为3.3V-LVTTL信号格式；第一窄带滤光片为488nm带通滤波片，滤除488nm以外波长的光；第二窄带滤光片为520nm带通滤波片，滤除520nm以外波长的光；空间滤波器为精密针孔滤波器。

进一步，所述EO-AM电光幅度调制器由收发FPGA芯片控制的EO-AM驱动模块驱动，由收发FPGA芯片输出偏振调制信号，经EO-AM驱动模块对调制信号进行转换，变为EO-AM电光幅度调制器相应的控制电压信号，控制EO-AM电光幅度调制器对输入光脉冲进行偏振调制，偏振调制信号为3.3V-LVTTL信号格式；

EO-AM电光幅度调制器是一种普克尔盒型调制器，使输入光束偏振相位产生0-180°的相位差，对输入光束进行偏振调制；

EO-AM驱动模块由运算放大器与高电压放大器组合而成，运算放大器将3.3V-LVTTL信号放大为0-10V电压信号，高电压放大器进一步将0-10V电压信号放大为EO-AM电光幅度调制器控制电压信号。

进一步，所述调制光路包含发信激光器、第一光隔离器、起偏器、EO-AM电光幅度调制器、第一四分之一波片、第一偏振无关分束器、二向色镜、快速压电偏摆镜、扩束镜；

信号脉冲经起偏器调制成垂直偏振后，由EO-AM电光幅度调制器保持其偏振状态或将其调制成水平偏振，经第一四分之一波片后变为圆偏振光，依次经第一偏振无关分束器透射、二向色镜反射、快速压电偏摆镜反射后进入扩束镜；

解调光路包含扩束镜、快速压电偏摆镜、二向色镜、第一偏振无关分束器、空域滤波器、第一窄带滤光片、偏振补偿器、第二四分之一波片、偏振分束器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一SPAD单光子雪崩二极管、第二SPAD单光子雪崩二极管；

信号脉冲由扩束镜进来，经快速压电偏摆镜反射、二向色镜反射、第一偏振无关分束器反射，通过空域滤波器、第一窄带滤光片进行空域与频域滤波，偏振补偿器进行偏振补偿、第二四分之一波片将其转换为垂直偏振或水平偏振后，经偏振分束器、光纤准直器后进入探测器；第一SPAD单光子雪崩二极管、第二SPAD单光子雪崩二极管均为工作在盖格模式的雪崩光电二极管，输出信号为3.3V-LVTTL格式，进入收发FPGA做后续处理。

进一步，所述瞄准激光发射光路包含瞄准激光器、第二光隔离器、第二偏振无关分束器、第二窄带滤光片、二向色镜、快速压电偏摆镜、扩束镜；

瞄准激光经第二偏振无关分束器透射、第二窄带滤光片滤光、二向色镜透射、快速压电偏摆镜反射后进入扩束镜；瞄准激光器中心波长为520nm，由收发FPGA芯片输出的3.3V-LVTTL信号控制其开关；

瞄准激光接收光路包含扩束镜、快速压电偏摆镜、二向色镜、第二窄带滤光片、第二偏振无关分束器、CCD相机；瞄准激光由扩束镜进来，经快速压电偏摆镜反射、二向色镜透射、第二窄带滤光片滤波、第二偏振无关分束器反射后进入CCD相机；

CCD相机将接收到的图像传入ARM处理器，ARM处理器对图像进行分析后控制双轴转台指向或者调整快速压电偏摆镜反射角度，实现通信光路的瞄准与跟踪；二向色镜为长波通二向色镜，起始波长为505nm，透射波长范围为520-800nm，反射波长为380-490nm。

进一步，所述收发数据帧结构包含发信方数据帧结构与收信方回应帧结构；

发信方数据帧由同步帧头、发信帧头、数据标识、信息位、校验位、帧尾组成；收信方回应帧由同步帧头、回信帧头、数据标识、数据状态、帧尾组成；

同步帧头为长度固定的全一序列，用于进行收发信号的时序同步；发信帧头与回信帧头用于收发数据帧类型的识别，长度相同，且它们的模二加为全一序列；

数据标识用于对发信方信息数据进行标记，方便数据的分割与组合，每一帧数据含有不同的数据标识，收信方回应帧的数据标识与相应发信方数据帧的数据标识相同；

信息位与校验位为发信方数据纠错编码后的比特序列，采用系统码的形式，序列前半部分为信息位，后半部分为校验位；数据状态用于表明收信方相应数据帧的接收状态，比如接收成功、接收失败；帧尾为长度固定的全零序列，用于标识一帧的结束。

进一步，所述FPGA发信模块包括：数据分割模块、纠错编码模块、发信方数据帧生成模块、RAM存储模块、发信电路控制模块、收信方回应帧生成模块、比特串预处理模块、2-PPM调制模块、偏振调制模块、瞄准激光控制模块；

数据分割模块将预发数据按发信方数据帧中信息位长度分割，并设置相应数据标识；

纠错编码模块对分割后的信息序列进行编码，计算出校验位后，整合成系统码的形式；

发信方数据帧生成模块用于将编码后的系统码比特序列打包成发信方数据帧；

RAM存储模块用于暂时存储编码后的数据及其对应的数据标识，用以应对后续可能出现的重发请求；

发信电路控制模块用于控制FPGA发信模块的初始化以及相应帧处理操作；

收信方回应帧生成模块用于根据接收数据的状态生成对应的收信方回应帧；

比特串预处理模块用于对生成的帧比特串一一分割，奇数位采用2-PPM调制，偶数位采用偏振调制；

2-PPM调制模块用于根据对应的2-PPM调制比特序列生成2-PPM调制信号；

偏振调制模块用于根据对应的偏振调制比特序列生成偏振调制信号；

瞄准激光控制模块用于控制瞄准激光器的开关；

FPGA收信模块由门控信号生成模块、门控信号选择模块、PPM偏振解调模块、数字信号解码模块、收信电路控制模块、数值比较器、计数器1-n组成；

门控信号生成模块使用锁相环技术生成一系列波形相同、相位差固定的门控方波信号；

计数器1-n根据相应的门控信号对SPAD1输出的单光子计数信号进行处理，获得各门控信号下单光子的总计数值；

数值比较器对计数器1-n所得的单光子总计数值进行比较，得到单光子计数值最大的门控信号标号；

门控信号选择模块根据数值比较器得到门控信号标号选择输出相应的门控信号，作为解调同步信号；

PPM偏振解调模块根据门控信号选择模块输出的门控信号，对SPAD1与SPAD2输出的单光子计数信号进行联合处理，得到PPM偏振解调后的数据比特序列；

数字信号解码模块对PPM偏振解调模块输出的比特序列进行帧结构判断，如果是发信方数据帧结构则进行纠错译码，输出译码序列、数据标识与数据状态，如果是收信方回应帧结构，则输出数据标识与数据状态；

数据组合模块根据数据标识对接收的数据进行组合，用以获得完整的数据；

收信电路控制模块用于控制FPGA收信模块的初始化以及数据状态的传递，将接收数据状态传递给FPGA发信模块。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述偏振-PPM联合调制的水下光通信系统的偏振-PPM联合调制的水下光通信方法，所述偏振-PPM联合调制的水下光通信方法包括：

瞄准，发信方与收信方采用回形线扫描的方式调整双轴转台指向，进行粗瞄准；当CCD相机中出现瞄准激光光斑时，稳定双轴转台指向；控制快速压电偏摆镜细微调整光路，进行精瞄准，使得瞄准激光光斑出现在视场中心；

发信方发信，发信方对原始数据依次进行分割、编码、打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；一个完整的信号帧脉冲发射结束后，进入等待时间，用于接收收信方的回应信号；

收信方收信，收信方对接收脉冲依次进行同步信号提取、PPM偏振解调、数字信号解码，根据译码状态获得数据接收状态，传递给收信方FPGA发信模块，与数据标识一起打包成收信方回应帧，进行2-PPM偏振调制发射回应信号脉冲；一个完整的回应帧脉冲发射结束后，进入一段等待时间，用于接收发信方下一段信号脉冲；

发信方状态处理，发信方对接收脉冲依次进行同步信号提取、PPM偏振解调、数据状态信息提取，根据数据状态进行判断；

不断重复收信方收信、发信方状态处理两步骤，直到所有数据确认接收完毕。

进一步，通信过程中，根据光斑位置实时调整快速压电偏摆镜反射角度，进行跟踪；

根据数据状态进行判断具体过程为：如果需要重发，就从RAM存储模块中读取相应数据标识的数据，重新打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；如果不需要重发，就删除RAM存储模块中相应数据标识的数据，对下一帧数据进行打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；进入等待时间，用于接收收信方的回应信号。

本发明的另一目的在于提供一种水下无线通信终端，所述水下无线通信终端用于实现所述的偏振-PPM联合调制的水下光通信方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明中偏振采用外调制实现，PPM采用2PPM及直接调制实现，不仅保证了通信所需要的带宽，也使得调制出来的光信号对背景噪声具有一定的抗干扰能力。本发明将信号同步与信息传递在同一数据帧内实现，发信方与收信方采用不同的数据帧结构，结合纠错编码与单光子探测技术，用以增加系统的误码性能，实现潜器与潜器、船只与潜器之间半双工通信。

为进一步验证本联合调制方法的优良性能，将OOK调制方式、PPM调制方式、PolSK调制方式、本发明调制方式在带宽需求、传输平均功率以及传输效率以及能量利用效率四个方面的性能列出如下。(为公平起见，表中调制方式信源比特率均为R

表1

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的偏振-PPM联合调制的水下光通信系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的数据帧结构示意图。

图3是本发明实施例提供的偏振-PPM联合调制信号示意图。

图4是本发明实施例提供的FPGA内模块结构示意图。

图5是本发明实施例提供的水下光通信流程示意图。

图6是本发明实施例提供的偏振-PPM联合调制的水下光通信方法流程图。

图中：1、FPGA芯片；2、发信激光器；3、第一光隔离器；4、起偏器；5、第一SPAD单光子雪崩二极管；6、EO-AM驱动模块；7、EO-AM电光幅度调制器；8、第一光纤准直器；9、第一四分之一波片；10、第二SPAD单光子雪崩二极管；11、第二光纤准直器；12、偏振分束器；13、第二四分之一波片；14、偏振补偿器；15、第一窄带滤光片；16、空域滤波器；17、第一偏振无关分束器；18、瞄准激光器；19、第二光隔离器；20、第二偏振无关分束器；21、第二窄带滤光片；22、二向色镜；23、快速压电偏摆镜；24、CCD相机；25、计算机；26、ARM处理器；27、双轴转台；28、扩束镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种偏振-PPM联合调制的水下光通信方法、系统、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的偏振-PPM联合调制的水下光通信系统包括：

收发光路、收发电路、收发数据帧结构、FPGA收发模块结构；其中，FPGA收发模块结构包含FPGA收信模块与FPGA发信模块。

收发光路位于水密舱体内，由双轴转台承载，所述收发电路由计算机进行控制，收发数据帧结构由FPGA收发模块进行选择。

本发明实施例提供的收发光路与电路包括：收发FPGA芯片1、发信激光器2、第一光隔离器3、起偏器4、第一SPAD单光子雪崩二极管5、EO-AM驱动模块6、EO-AM电光幅度调制器7、第一光纤准直器8、第一四分之一波片9、第二SPAD单光子雪崩二极管10、第二光纤准直器11、偏振分束器12、第二四分之一波片13、偏振补偿器14、第一窄带滤光片15、空域滤波器16、第一偏振无关分束器17、瞄准激光器18、第二光隔离器19、第二偏振无关分束器20、第二窄带滤光片11、二向色镜22、快速压电偏摆镜23、CCD相机24、ARM处理器26、扩束镜28,扩束镜28由两片凸透镜组成；所述扩束镜由两个凸透镜组成，为开普勒望远镜，透镜间距可进行微调。依据功能可将光路分为调制光路、解调光路、瞄准激光发射光路、瞄准激光接收光路。第一光隔离器3为中心波长488nm的偏振相关隔离器，出射光束的偏振方向与起偏器的透振方向一致，所述第二光隔离器19为中心波长532nm的偏振相关隔离器，用于保护发信激光器2与瞄准激光器18不受背反射的影响。发信激光器2中心波长为488nm，由收发FPGA芯片1输出的PPM调制信号进行2-PPM调制，PPM调制信号为3.3V-LVTTL信号格式。第一窄带滤光片15为488nm带通滤波片，滤除488nm以外波长的光，第二窄带滤光片11为520nm带通滤波片，滤除520nm以外波长的光。空间滤波器为精密针孔滤波器，用于获得均匀的高斯光束，限制光束发散角度。

本发明实施例提供的EO-AM电光幅度调制器7由收发FPGA芯片1控制的EO-AM驱动模块6驱动，由收发FPGA芯片1输出偏振调制信号，经EO-AM驱动模块6对调制信号进行转换，变为EO-AM电光幅度调制器7相应的控制电压信号，控制EO-AM电光幅度调制器7对输入光脉冲进行偏振调制，偏振调制信号为3.3V-LVTTL信号格式。EO-AM电光幅度调制器7是一种普克尔盒型调制器，可以使输入光束偏振相位产生0-180°的相位差，对输入光束进行偏振调制。EO-AM驱动模块6由运算放大器与高电压放大器组合而成，运算放大器将3.3V-LVTTL信号放大为0-10V电压信号，高电压放大器进一步将0-10V电压信号放大为EO-AM电光幅度调制器7控制电压信号。

本发明实施例提供的调制光路包含发信激光器2、第一光隔离器3、起偏器4、EO-AM电光幅度调制器7、第一四分之一波片9、第一偏振无关分束器17、二向色镜22、快速压电偏摆镜23、扩束镜28。信号脉冲经起偏器4调制成垂直偏振后，由EO-AM电光幅度调制器7保持其偏振状态或将其调制成水平偏振，经第一四分之一波片9后变为圆偏振光，依次经第一偏振无关分束器透射、二向色镜反射、快速压电偏摆镜反射后进入扩束镜。

本发明实施例提供的解调光路包含扩束镜28、快速压电偏摆镜23、二向色镜22、第一偏振无关分束器17、空域滤波器16、第一窄带滤光片15、偏振补偿器14、第二四分之一波片13、偏振分束器12、第一光纤准直器8、第二光纤准直器11、第一SPAD单光子雪崩二极管5、第二SPAD单光子雪崩二极管10。信号脉冲由扩束镜进来，经快速压电偏摆镜23反射、二向色镜22反射、第一偏振无关分束器17反射，通过空域滤波器16、第一窄带滤光片15进行空域与频域滤波，偏振补偿器14进行偏振补偿、第二四分之一波片13将其转换为垂直偏振或水平偏振后，经偏振分束器12、光纤准直器后进入探测器。第一SPAD单光子雪崩二极管5、第二SPAD单光子雪崩二极管10均为工作在盖格模式的雪崩光电二极管，输出信号为3.3V-LVTTL格式，进入收发FPGA做后续处理。

本发明实施例提供的瞄准激光发射光路包含瞄准激光器18、第二光隔离器19、第二偏振无关分束器20、第二窄带滤光片21、二向色镜22、快速压电偏摆镜23、扩束镜28。瞄准激光经第二偏振无关分束器透射、第二窄带滤光片滤光、二向色镜透射、快速压电偏摆镜反射后进入扩束镜。瞄准激光器中心波长为520nm，由收发FPGA芯片输出的3.3V-LVTTL信号控制其开关。

本发明实施例提供的瞄准激光接收光路包含扩束镜28、快速压电偏摆镜23、二向色镜22、第二窄带滤光片21、第二偏振无关分束器17、CCD相机24。瞄准激光由扩束镜进来，经快速压电偏摆镜23反射、二向色镜透射22、第二窄带滤光片滤波21、第二偏振无关分束器17反射后进入CCD相机24。CCD相机24将接收到的图像传入ARM处理器26，ARM处理器26对图像进行分析后控制双轴转台指向或者调整快速压电偏摆镜反射角度，实现通信光路的瞄准与跟踪。二向色镜22为长波通二向色镜，起始波长为505nm，透射波长范围为520-800nm，反射波长为380-490nm。

本发明实施例提供的收发数据帧结构包含发信方数据帧结构与收信方回应帧结构。其中发信方数据帧由同步帧头、发信帧头、数据标识、信息位、校验位、帧尾组成；收信方回应帧由同步帧头、回信帧头、数据标识、数据状态、帧尾组成。所述同步帧头为长度固定的全一序列，用于进行收发信号的时序同步。发信帧头与回信帧头用于收发数据帧类型的识别，长度相同，且它们的模二加为全一序列，以防因为单光子脉冲丢失而导致数据帧类别识别出错。数据标识用于对发信方信息数据进行标记，方便数据的分割与组合，每一帧数据含有不同的数据标识，收信方回应帧的数据标识与相应发信方数据帧的数据标识相同。信息位与校验位为发信方数据纠错编码后的比特序列，采用系统码的形式，序列前半部分为信息位，后半部分为校验位。数据状态用于表明收信方相应数据帧的接收状态，比如接收成功、接收失败。帧尾为长度固定的全零序列，用于标识一帧的结束。

如图4所示，本发明实施例提供的FPGA收发模块包括：数据分割模块、纠错编码模块、发信方数据帧生成模块、RAM存储模块、发信电路控制模块、收信方回应帧生成模块、比特串预处理模块、2-PPM调制模块、偏振调制模块、瞄准激光控制模块。

数据分割模块将预发数据按发信方数据帧中信息位长度分割，并设置相应数据标识。

纠错编码模块对分割后的信息序列进行编码，计算出校验位后，整合成系统码的形式。

发信方数据帧生成模块用于将编码后的系统码比特序列打包成发信方数据帧。

RAM存储模块用于暂时存储编码后的数据及其对应的数据标识，用以应对后续可能出现的重发请求。

发信电路控制模块用于控制FPGA发信模块的初始化以及相应帧处理操作。

收信方回应帧生成模块用于根据接收数据的状态生成对应的收信方回应帧。

比特串预处理模块用于对生成的帧比特串一一分割，奇数位采用2-PPM调制，偶数位采用偏振调制。

2-PPM调制模块用于根据对应的2-PPM调制比特序列生成2-PPM调制信号。

偏振调制模块用于根据对应的偏振调制比特序列生成偏振调制信号。

瞄准激光控制模块用于控制瞄准激光器的开关。

FPGA收信模块由门控信号生成模块、门控信号选择模块、PPM偏振解调模块、数字信号解码模块、收信电路控制模块、数值比较器、计数器1-n组成。

门控信号生成模块使用锁相环技术生成一系列波形相同、相位差固定的门控方波信号。

计数器1-n根据相应的门控信号对SPAD1输出的单光子计数信号进行处理，获得各门控信号下单光子的总计数值。

数值比较器对计数器1-n所得的单光子总计数值进行比较，得到单光子计数值最大的门控信号标号。

门控信号选择模块根据数值比较器得到门控信号标号选择输出相应的门控信号，作为解调同步信号。

PPM偏振解调模块根据门控信号选择模块输出的门控信号，对SPAD1与SPAD2输出的单光子计数信号进行联合处理，得到PPM偏振解调后的数据比特序列。

数字信号解码模块对PPM偏振解调模块输出的比特序列进行帧结构判断，如果是发信方数据帧结构则进行纠错译码，输出译码序列、数据标识与数据状态，如果是收信方回应帧结构，则输出数据标识与数据状态。

数据组合模块根据数据标识对接收的数据进行组合，用以获得完整的数据。

收信电路控制模块用于控制FPGA收信模块的初始化以及数据状态的传递，将接收数据状态传递给FPGA发信模块。

如图6所示，本发明实施例提供的偏振-PPM联合调制的水下光通信方法，包括：

S101：瞄准，发信方与收信方采用回形线扫描的方式调整双轴转台指向，进行粗瞄准；当CCD相机中出现瞄准激光光斑时，稳定双轴转台指向；接下来控制快速压电偏摆镜细微调整光路，进行精瞄准，使得瞄准激光光斑出现在视场中心。

S102：发信方发信，发信方对原始数据依次进行分割、编码、打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；一个完整的信号帧脉冲发射结束后，进入一段等待时间，用于接收收信方的回应信号。

S103：收信方收信，收信方对接收脉冲依次进行同步信号提取、PPM偏振解调、数字信号解码，根据译码状态获得数据接收状态，将其传递给收信方FPGA发信模块，与数据标识一起打包成收信方回应帧，进行2-PPM偏振调制发射回应信号脉冲；一个完整的回应帧脉冲发射结束后，进入一段等待时间，用于接收发信方下一段信号脉冲。

S104：发信方状态处理，发信方对接收脉冲依次进行同步信号提取、PPM偏振解调、数据状态信息提取，根据数据状态进行判断。

S105：不断重复S103、S104两步骤，直到所有数据确认接收完毕。

本发明实施例提供的S101中，通信过程中，根据光斑位置实时调整快速压电偏摆镜反射角度，进行跟踪。

本发明实施例提供的S104中，根据数据状态进行判断具体过程为；如果需要重发，就从RAM存储模块中读取相应数据标识的数据，重新打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；如果不需要重发，就删除RAM存储模块中相应数据标识的数据，对下一帧数据进行打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；然后进入一段等待时间，用于接收收信方的回应信号。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的收发装置光路与电路示意图。通信双方由计算机25发送系统启动命令，通信开始时需进行瞄准操作，瞄准激光由瞄准激光器18发出，通过第二光隔离器19，经第二偏振无关分束器20透射、第二窄带滤光片21滤光、二向色镜22透射、快速压电偏摆镜23反射后进入扩束镜28；通过水信道后进入对方扩束镜28，经快速压电偏摆镜23反射、二向色镜22透射、第二窄带滤光片21滤波、第二偏振无关分束器20反射后进入CCD相机24，

CCD相机24将接收到的图像传入ARM处理器26，一开始通信双方ARM处理器26采用回形线扫描的方式控制双轴转台27指向，进行粗瞄准，当CCD相机24中出现瞄准激光光斑时，稳定双轴转台27指向；接下来ARM处理器26控制快速压电偏摆镜23细微调整光路，进行精瞄准，使得瞄准激光光斑出现在视场中心；通信过程中，ARM处理器26根据光斑位置实时调整快速压电偏摆镜23反射角度，进行跟踪。通信过程中，信号脉冲由发信激光器2发出，通过第一光隔离器3，经起偏器4调制成垂直偏振后，由EO-AM电光幅度调制器7保持其偏振状态或将其调制成水平偏振，EO-AM电光幅度调制器7由EO-AM驱动模块6驱动，经第一四分之一波片9后变为圆偏振光，依次经第一偏振无关分束器17透射、二向色镜22反射、快速压电偏摆镜23反射后进入扩束镜28，通过水信道后进入对方扩束镜28，经快速压电偏摆镜23反射、二向色镜22反射、第一偏振无关分束器17反射，通过空域滤波器16限制视场、第一窄带滤光片15频域滤波、偏振补偿器14进行偏振补偿，第二四分之一波片13将左旋圆偏振变为水平偏振、右旋圆偏振变为垂直偏振，水平偏振光经偏振分束器12透射、第二光纤准直器11耦合后进入第二SPAD单光子雪崩二极管10，垂直偏振光经偏振分束器12反射、第一光纤准直器8耦合后进入第一SPAD单光子雪崩二极管5，并将探测信号传给FPGA芯片1做后续处理。

如图4所示为本发明FPGA内模块结构示意图，图5所示为本发明水下光通信流程示意图。在发信方发信过程中：数据分割模块将预发数据按发信方数据帧中信息位长度分割，一帧的信息位长度为8920，如果总数据有89000位，可以将该数据划分为10部分，第十部分通过在尾部添加200位零比特凑满8920，按先后顺序对应10个数据标识，然后将其送入纠错编码模块；纠错编码模块对每部分信息序列进行编码，根据信息位计算出校验位，再整合成系统码的形式，编码后码长为10200，每部分编码结束后，将编码结果与数据标识送入发信方数据帧生成模块与RAM存储模块；发信方数据帧生成模块用于将编码后的数据打包成发信方数据帧，通过添加同步帧头、发信帧头、数据标识、帧尾实现，一帧数据打包结束后，将其送入比特串预处理模块，并进入等待时间，等待发信电路控制模块进一步指令；RAM存储模块用于暂时存储编码后的数据及其对应的数据标识，存储结束后，等待发信电路控制模块的进一步指令；比特串预处理模块用于对生成的帧比特串一一分割，奇数位采用2-PPM调制，偶数位采用偏振调制，比如序列10110001，奇数位序列为1100，偶数位序列为0101，将奇数位序列作为2-PPM调制比特序列送入2-PPM调制模块，偶数位序列作为偏振调制比特序列送入偏振调制模块；2-PPM调制模块用于根据对应的2-PPM调制比特序列生成2-PPM调制信号，进而控制发信激光器发射2-PPM信号脉冲；偏振调制模块用于根据对应的偏振调制比特序列生成偏振调制信号，由EO-AM驱动模块6对偏振调制信号进行放大后，驱动EO-AM电光幅度调制器7对2-PPM信号脉冲做偏振调制；本具体实施方式中，使用左旋圆偏振代表0比特，右旋圆偏振代表1比特，则最终的偏振-2PPM联合调制数据帧信号如图3所示。一段完整的数据帧脉冲发射结束后，FPGA发信模块进入等待时间，等待收信电路控制模块传来进一步指令。

信号脉冲通过水信道进入收信方解调光路。在收信方收信过程中：第一SPAD单光子雪崩二极管5接收垂直偏振光(对应右旋圆偏振信号)，第二SPAD单光子雪崩二极管10接收水平偏振光(对应左旋圆偏振信号)，在一个完整的数据帧信号中，同步帧头部分只有第一SPAD单光子雪崩二极管5响应，帧尾部分只有第二SPAD单光子雪崩二极管10响应。门控信号生成模块使用锁相环生成共n路波形相同、相位差固定的门控方波信号；计数器1-n根据相应的门控方波信号对第一SPAD单光子雪崩二极管5输出的单光子计数信号进行处理，获得各门控信号下单光子的总计数值，送入数值比较器；数值比较器对计数器1-n所得的单光子总计数值进行比较，得到单光子计数值最大的门控信号标号，将其送入门控信号选择模块；门控信号选择模块根据数值比较器得到门控信号标号选择输出相应的门控信号，作为解调同步信号；PPM偏振解调模块根据门控信号选择模块输出的门控信号，对第一SPAD单光子雪崩二极管5与第二SPAD单光子雪崩二极管10输出的单光子计数信号进行联合处理，得到PPM偏振解调后的数据比特序列，理想情况下，在一个2-PPM信号帧内，只有一个探测器会出现信号响应，若第一SPAD单光子雪崩二极管5响应且单光子计数值出现在2-PPM第一时隙，则解调信息为01，若第一SPAD单光子雪崩二极管5响应且单光子计数值出现在2-PPM第二时隙，则解调信息为11，若第二SPAD单光子雪崩二极管10响应且单光子计数值出现在2-PPM第一时隙，则解调信息为00，若第二SPAD单光子雪崩二极管10响应且单光子计数值出现在2-PPM第二时隙，则解调信息为10，一个完整数据帧全部解调完后，将同步帧头与帧尾之间的比特序列送入数字信号解码模块；数字信号解码模块首先对PPM偏振解调模块输出的比特序列进行帧结构判断，根据最小码距的原则对帧头进行译码，比如收到的帧头为00011010110011111111110000011100，它与发信帧头的码距为1，与回信帧头的码距为31，因此判断收到的数据帧类型为发信方数据帧，发信帧头后面的比特序列提取出数据标识后再进行译码运算，译码结束后，根据译码结果得到接收数据状态，若为接收成功则输出译码序列、数据标识至数据组合模块并将表示“接收成功”的数据状态00001111以及数据标识、收信标识传给收信电路控制模块、若为接收失败则只将表示“接收失败”的数据状态00001111以及数据标识、收信标识传给收信电路控制模块；收信电路控制模块进一步将数据状态、数据标识、收信标识传递给发信电路控制模块；发信电路控制模块收到收信标识后，控制收信方回应帧生成模块将数据标识、数据状态打包成收信方回应帧，然后送入比特串预处理模块；后续进行与发信方发信相同的2-PPM偏振调制步骤，一段完整的回应帧脉冲发射结束后，FPGA发信模块进入等待时间，等待收信电路控制模块传来进一步指令。

回应脉冲通过水信道进入发信方解调光路。在发信方状态处理过程中：数字信号解码模块根据最小码距的原则对帧头进行译码，判断收到的数据帧类型为收信方回应帧，接下来将帧中的数据状态信息以及数据标识、发信标识传给收信电路控制模块；收信电路控制模块进一步将数据状态、数据标识、发信标识传递给发信电路控制控制模块；发信电路控制模块收到发信标识后，根据数据状态选择下一帧发信数据，若数据状态为“接收失败”，则从RAM存储模块中读取对应数据标识的数据，重新打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；若数据状态为“接收成功”，则删除RAM存储模块中相应数据标识的数据，对下一帧数据进行打包、2-PPM偏振调制，发射信号脉冲；一段完整的数据帧脉冲发射结束后，FPGA发信模块再次进入等待时间，等待收信电路控制模块传来进一步指令。

通过不断重复收信方收信与发信方状态处理两个步骤，控制最大重发次数为3次，通过数据标识判断是否结束数据的发送与结束，直到所有数据发送接收完毕，数据组合模块根据数据标识对所有译码序列进行拼接、裁剪，得到发信方预发送的原始数据。至此，一种偏振-PPM联合调制的水下单光子通信得以实现。

为了专项地提升系统某一方面的效益，本发明具体实施方式中PPM调制部分不限于使用2PPM调制，偏振调制部分不限于使用偏振态调制，收发数据帧结构不限于使用本发明帧结构中包含的部分。例如，为了更进一步系统的带宽效益，偏振调制可使用涡旋光调制、PPM调制可使用多脉冲PPM调制或者DPPM调制；为了更进一步提升系统的能量利用效率，PPM调制可使用其改进方案DPIM调制；为了更进一步系统的误码性能，纠错编码使用LDPC纠错方案；为了实现新的通信功能，如定位，在数据帧结构中加入地址信息。

本发明可以应用于潜水器与水下传感器网络节点、潜水器之间的通信。在本例中，工作流程是：通信双方采用回形线扫描的方式调整双轴转台指向，完成粗瞄准，当CCD相机中出现瞄准激光光斑时，稳定双轴转台指向，接下来控制快速压电偏摆镜细微调整光路，进行精瞄准。

通信双方进行光通信时，根据光斑位置变化对双轴转台及快速压电偏摆镜实时调整，维持双方通信链路的稳定。通信前某一方发出发信信号给另一方，表示接下来的通信过程中由己方担任发信方，另一方担任收信方，另一方接收并确认发信信号后，即返回一个同意发信信号。接下来根据具体实施方式中水下光通信流程进行偏振PPM联合调制光通信，所有数据确认接收完毕后，本次通信过程结束。下一步，可由任一方发出结束信号或者发信信号，另一方接收并确认信号类型，返回相应的同意信号，此时，可以调换发信方与收信方的身份继续通信，或者结束整个通信过程。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。