收发一体准全向耐高压水下光通信机

1.本发明涉及一种水下光通信装置，尤其涉及一种收发一体准全向耐高压水下光通信机。

背景技术：

2.水下光通信具有低功耗、高速率、高抗干扰等优点，是水下通信的研究热点。目前水下光通信研究重点在于信号探测和数据处理两方面，而面向水下实际应用环境的工程化产品较少。水下光通信工程化产品需要解决小型轻量化、水密封装、收发隔离度等技术问题，尤其是在水下初始建立通信链路难度非常大，水下光通信设备如何实现小型化和准全向，仍没有良好且完整的解决方案。
3.申请号为202121630478.4的中国专利申请提供了一种双通道水下可见光通信装置，是在一个盒体上设置了一个可见光接收通道和一个可见光发射通道，这样的收发分离光通信设备，其发射和接收的视场角均受限，实际使用中建立通信链路时对平台对准要求较高，因此该双通道水下可见光通信装置的适用性较差。申请号为202110209176.8的中国专利申请提供了一种基于多面体结构的水下大广角无线光通信组件，该光通信组件实现了大视场角的光通信，但具体使用过程中如何保证发射和接收的高隔离度要求，仍然存在一定的难度。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种收发一体准全向耐高压水下光通信机，提供了工程化结构方案，以解决现有的水下光通信设备存在发射或接收视场角均受限，实际使用中建立通信链路时对平台对准要求较高，因此适用性较差，或者是存在无法保证发射和接收高隔离度要求的技术问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特殊之处在于：包括舱体、控制组件、收发模块、内壁支架、光学窗口以及环形的密封组件；
7.所述控制组件安装在所述舱体内；
8.所述收发模块一端伸入所述舱体内与所述控制组件固连，其另一端位于所述舱体外；所述收发模块的另一端上分布有探测器和光源；所述探测器和光源分别与所述控制组件电连接；
9.所述内壁支架为半球状，其上设有多个第一通孔和多个第二通孔；所述内壁支架套装在所述收发模块另一端上，使得所述探测器位于所述第一通孔内、所述光源位于所述第二通孔内；
10.所述光学窗口为半球状，并套装在所述内壁支架外；
11.所述内壁支架的外壁、探测器以及光源均与所述光学窗口的内壁紧贴；
12.所述密封组件套设在所述光学窗口外，并与所述舱体密封连接，用于密封所述光
学窗口和所述舱体之间的缝隙。
13.采用以上结构，能够解决增大水下光通信设备的发射视场和接收视场，并保证发射视场和接收视场的高隔离度。
14.进一步地，为了提高光学窗口与舱体之间的密封性，并提高整个光通信机的耐高压性，本发明做了以下改进：
15.所述密封组件包括密封垫、密封圈、填充环以及预紧盖；
16.所述密封垫为环形结构，设置在所述光学窗口靠近所述舱体一端的端面与所述舱体之间；
17.所述密封圈套装在所述光学窗口外，并嵌在所述填充环内；
18.所述填充环套装在所述光学窗口外，其紧贴所述光学窗口的面设为与所述光学窗口的外壁相匹配的弧面；
19.所述预紧盖为环形结构，套装在所述光学窗口外，并压紧在所述填充环上；
20.所述预紧盖与所述舱体可拆卸连接。
21.进一步地，为了进一步提高光通信机的密封性，本发明做了以下改进：
22.所述舱体包括舱体本体、安装在所述舱体本体后端的后端盖以及安装在所述舱体本体前端的连接环；
23.所述连接环为圆筒状，其一端套装在所述舱体本体内，另一端外壁上设有外沿，且另一端内壁上设有环形缺口；所述外沿设置在所述舱体本体前端端面与所述预紧盖之间；所述密封垫位于所述环形缺口内，所述光学窗口靠近所述连接环的一端伸入所述环形缺口内与所述密封垫接触。
24.进一步地，所述内壁支架上设有九个第一通孔和四个第二通孔；
25.所述第二通孔为梯形结构，其上底靠近半球状内壁支架的中心处设置，下底靠近所述舱体；四个所述第二通孔绕所述内壁支架周向均匀分布；
26.所述九个第一通孔的设置规则如下：
27.一个第一通孔设置在内壁支架的中心处；
28.其余八个第一通孔在每相邻两个第二通孔之间分别设有两个，且该两个第一通孔沿半球状内壁支架的母线依次排布。
29.进一步地，为了提高收发隔离度，本发明做了以下改进：
30.所述探测器的靶面上由外及内依次设有干涉型滤光片和吸收型滤光片；所述干涉型滤光片中心波长向长波段偏移10～15nm；
31.或者，所述探测器的靶面上由外及内依次设有吸收型滤光片和干涉型滤光片；所述干涉型滤光片中心波长向长波段偏移10～15nm。
32.进一步地，所述预紧盖上绕其周向分布有多个凹槽；
33.每个所述凹槽内设有一个螺钉；
34.所述螺钉依次穿设在所述预紧盖、所述外沿以及所述舱体本体内。
35.进一步地，所述光学窗口采用yag(钇铝石榴石)陶瓷或蓝宝石材料制成，其表面镀有增透膜；
36.所述光源采用蓝绿光组合异频段光源。
37.进一步地，所述内壁支架采用黑工程塑料通过3d打印制成；
38.所述第一通孔为锥形孔，其大端靠近所述光学窗口设置。
39.进一步地，所述控制组件包括设置在舱体内的圆筒状控制支架和设置在所述控制支架上的多个环形电路板；多个环形电路板沿所述控制支架的中轴线依次层叠排列；
40.所述探测器和光源分别通过柔性电路板分布在收发模块上，各个柔性电路板分别与对应的环形电路板电连接，其连接线位于环形电路板的中心孔内；
41.所述收发模块伸入所述舱体内与所述控制支架的前端固连。
42.进一步地，所述密封垫为石墨密封垫或黄铜密封垫；
43.所述填充环为ptfe工程塑料制成；
44.所述预紧盖为钛合金制成。
45.本发明的有益效果：
46.1、本发明提供的收发一体准全向耐高压水下光通信机采用半球形光学窗口和内壁支架紧贴装配，一方面半球形的光学窗口可覆盖2π空间，其口径很大，另一方面，在内壁支架上设置第一通孔和第二通孔，并将探测器和光源分别设置在第一通孔和第二通孔内，使得接收光线和发射光线共用一个光学窗口，内壁支架将光学窗口被划分成不同的功能区域，即接收区域和发射区域，这样既能保证拼凑后的视场范围，又为接收光线与发射光线增加了有效的物理隔离，提高了收发隔离度。
47.2、本发明的内壁支架将接收区域和发射区域集合在一起，减少了密封接口，同时还设置了由密封垫、密封圈、填充环以及预紧盖组成的密封组件来密封光学窗口和舱体之间的缝隙，并将填充环以及预紧盖与光学窗口接触的端面设置为与光学窗口外壁相匹配的弧面，这样一方面提高了光学窗口和舱体之间的密封性能，另一方面避免填充环和预紧盖对光学窗口挤压，提高了光通信机的耐高压性，使得整个光通信机能够在万米深海高压下使用。
48.3、本发明在舱体本体的前端设置了连接环，该连接环一方面为光学窗口和内壁支架提供了安装面积，另一方面将密封垫嵌在连接环上的环形缺口内，并将光学窗口靠近连接环的一端伸入环形缺口内与密封垫接触，不但提高了光学窗口与舱体间的密封性能，而且在深海高压下，连接环还能够对光学窗口起到一定的保护作用，增加整个装置的耐高压性。
49.4、本发明在探测器的靶面上设置了组合式滤光片，即干涉型滤光片和吸收型滤光片，能够避免入射角大范围变化时，普通滤光片的中心波长会随之漂移的情况，将干涉型滤光片和吸收型滤光片组合使用，还能够提高对不同入射角光线的滤波效能，进一步提高收发隔离度。
50.5、本发明的光学窗口采用yag陶瓷或蓝宝石材料制成，光源采用蓝绿光组合异频段光源，进一步提高收发隔离度。
51.6、本发明中光学窗口的内壁与探测器和光源直接接触，能够减少内部反射带来的背景噪声，提高该光通信机的收发隔离度。
52.7、本发明中的内壁支架结构较为复杂，通过3d打印技术制成，方便快捷，提高了生产效率。
53.8、本发明探测器和电源通过柔性电路板分布在收发模块上，可以实现复杂的结构形式，满足高速信号的传输，且探测器和电源的后端处理电路集中在密封舱内层叠的环形
电路板内，使得光学窗口内可以节省更多空间用以布置更多光源和探测器。
附图说明
54.图1是本发明实施例提供的收发一体准全向耐高压水下光通信机的结构示意图；
55.图2是本发明实施例提供的收发一体准全向耐高压水下光通信机的爆炸图；
56.图3是本发明实施例中的内壁支架结构示意图；
57.图4是本发明实施例中的内壁支架和收发模块的装配图；
58.图5为本发明实施例通过lighttools软件仿真得到的光源远场能量强度分布图(笛卡尔坐标系，强度单位：w/sr)。
59.附图标号：
60.1-舱体，11-舱体本体，12-后端盖，13-连接环，131-外沿，132-环形缺口；2-控制组件，21-控制支架，22-环形电路板；3-收发模块；4-内壁支架，41-第一通孔，42-第二通孔；5-光学窗口；6-密封组件，61-密封垫，62-密封圈，63-填充环，64-预紧盖，641-凹槽，642-螺钉；7-探测器；8-光源。
具体实施方式
61.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.图1是本发明实施例提供的一种收发一体准全向耐高压水下光通信机的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种收发一体准全向耐高压水下光通信机的爆炸图，结合图1和图2所示，该光通信机可以包括舱体1、控制组件2、收发模块3、内壁支架4、光学窗口5以及环形的密封组件6。
63.控制组件2安装在舱体1内；收发模块3一端伸入舱体1内与控制组件2固连，其另一端位于舱体1外；收发模块3上分布有探测器7和光源8，探测器7和光源8通过柔性电路板分布在收发模块3上；控制组件2包括设置在舱体1内的圆筒状控制支架21和设置在控制支架21上的多个环形电路板22；多个环形电路板22沿控制支架21的中轴线依次层叠排列安装；探测器7和光源8分别通过柔性电路板分布在收发模块3上，各个柔性电路板分别与对应的环形电路板22电连接，其连接线位于环形电路板22的中心孔内，从而实现阵列复杂的结构形式，后端处理电路均放在密封的舱体1内，使得光学窗口5内可以节省空间多布放光源8和探测器7，后端处理电路少占用光学窗口5内的空间。
64.图3是本发明实施例中的内壁支架结构示意图，图4是本发明实施例中的内壁支架和收发模块的装配图，结合图3和图4所示，为了在大口径半球形光学窗口内部布设置具有较高收发隔离度的收发模块3，本实施例采用黑工程塑料加工紧贴光学窗口5的内壁支架4，通过内壁支架4形成相互隔离的功能区域，使得探测器7或光源8能够紧贴光学窗口5，减少了光源8在光学窗口5内的反射。具体的，将内壁支架4设为半球状，其上设有多个第一通孔41和多个第二通孔42；内壁支架4套装在收发模块3另一端外，使得探测器7位于第一通孔41内、光源8位于第二通孔42内；这样将光线发射区域和光线接收区域隔离，使其互不干涉。
为了增大探测器的接收视场，第一通孔41可以设为锥形孔，且该锥形孔的大端靠近光学窗口5。具体实现中，可以根据光源阵列的不同形式确定第二通孔42的形状及数量，并可以根据探测器的大小及数量确定第一通孔41的数量和形状，对于小口径探测器则需隔离出更多的第一通孔41，对于大口径的探测器则可以隔离出少量第一通孔41，随探测器选型而定。也就是说，可以根据不同的光学指标要求，合理规划探测器和光源的排布形式，利用探测器的拼接可以保证接收大视场，其分布形式多样。图5为本发明实施例中通过lighttools软件仿真得到的光源远场能量强度分布图，从图5中可以看出，通过光源阵列优化可以实现大角度发射光源，同时具有足够的能量密度光源。
65.本发明实施例提供了一种具体的实现方式，具体地，如图3所示，内壁支架4上设有九个第一通孔41和四个第二通孔42；第二通孔42为梯形结构，其上底靠近半球状内壁支架4的中心处设置，下底靠近舱体1；四个第二通孔42绕内壁支架4周向均匀分布；内壁支架4的中心处设有一个第一通孔41；每相邻两个第二通孔42之间设有第一通孔41，且该两个第一通孔41沿半球状内壁支架4的母线依次排布。由于内壁支架4结构较为复杂，因此可采用黑工程塑料通过3d打印制成。每个第一通孔41内设有一个探测器7，每个第二通孔42设有多个光源8组成的光源阵列，该光源8可以是led/ld光源。
66.光学窗口5为半球状，并套装在内壁支架4外，该光学窗口5理论视场可覆盖2π空间，具有足够大的通光空间，实现准全向发射和接收。光学窗口5的内壁与内壁支架4的外壁紧贴，实现接收区域和发射区域的硬隔离；探测器7、光源8以及内壁支架4的外壁均与光学窗口5的内壁紧贴；光学窗口5采用yag陶瓷或蓝宝石材料制成，其表面镀有增透膜，为了获得足够的收发隔离度，光源8可以采用蓝绿光组合异频段光源，使得该光学窗口5的通光效率≥85％，同时在探测器7的靶面上设置干涉型滤光片和吸收型滤光片叠加组成的组合式滤光片，其中干涉型滤光片中心波长向长波段偏移10～15nm，以解决大发散角光线通过滤光片出现的中心波长漂移问题。干涉型滤光片和吸收型滤光片的叠加顺序本发明在此不做限定。
67.密封组件6套在光学窗口5外，并与舱体1密封连接，用于密封光学窗口5和舱体1之间的缝隙。如图1所示，密封组件6包括密封垫61、密封圈62、填充环63以及预紧盖64；密封垫61为环形结构，设置在光学窗口5靠近舱体1一端的端面与舱体1之间，密封垫61采用金属密封垫，具体可采用石墨密封垫或黄铜密封垫，密封垫61的硬度低于光学窗口5的材料硬度，密封垫61既能起到端面密封作用，又能对光学窗口5进行轴向定位；密封圈62套装在光学窗口5外，并嵌在填充环63内；填充环63套装在光学窗口5外，其紧贴光学窗口5的面设为与光学窗口5的外壁相匹配的弧面，能够减少对光学窗口5的挤压，释放变形量不同的应力，增加光学窗口的耐高压性。填充环63为ptfe工程塑料制成；预紧盖64为环形结构；预紧盖64套装在光学窗口5外，并压在填充环63上；预紧盖64与舱体1可拆卸连接。具体的，预紧盖64可以采用钛合金材料制成，预紧盖64上绕其周向分布有多个凹槽641；每个凹槽641内设有一个螺钉642，具体可以是m5螺钉，其拧紧力矩为4.4nm；螺钉642依次穿设在预紧盖64、外沿131以及舱体本体11内。采用这样组合式的密封组件，使得整个光通信机能耐万米深海高压。
68.舱体1包括舱体本体11、安装在舱体本体11后端的后端盖12以及安装在舱体本体11前端的连接环13；连接环13为圆筒状，其一端套装在舱体本体11内，另一端外壁上设有外沿131，且另一端内壁上设有环形缺口132；外沿131设置在舱体本体11前端端面与预紧盖64
之间；密封垫61位于环形缺口132内，光学窗口5靠近连接环13的一端伸入环形缺口132内与密封垫61接触。
69.本发明提供的光通信机能够解决水下光通信机收发一体式布局存在的技术难题，实现产品的小型轻量化，并解决了收发一体式小型化光通信机产品存在收发隔离度低的难题，通过合理的结构设计形成了光源和探测器的阵列，使产品具备了大发射角和大接收视场角，提高了产品在水下建立通信链路的高动态适应性。本方法和装置结构清晰适用、功能性强，易于水下光通信量产推广。
70.通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
71.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，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：包括舱体(1)、控制组件(2)、收发模块(3)、内壁支架(4)、光学窗口(5)以及环形的密封组件(6)；所述控制组件(2)安装在所述舱体(1)内；所述收发模块(3)一端伸入所述舱体(1)内与所述控制组件(2)固连，其另一端位于所述舱体(1)外；所述收发模块(3)的另一端上分布有探测器(7)和光源(8)；所述探测器(7)和光源(8)分别与所述控制组件(2)电连接；所述内壁支架(4)为半球状，其上设有多个第一通孔(41)和多个第二通孔(42)；所述内壁支架(4)套装在所述收发模块(3)另一端上，使得所述探测器(7)位于所述第一通孔(41)内、所述光源(8)位于所述第二通孔(42)内；所述光学窗口(5)为半球状，并套装在所述内壁支架(4)外；所述内壁支架(4)的外壁、探测器(7)以及光源(8)均与所述光学窗口(5)的内壁紧贴；所述密封组件(6)套设在所述光学窗口(5)外，并与所述舱体(1)密封连接，用于密封所述光学窗口(5)和所述舱体(1)之间的缝隙。2.根据权利要求1所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述密封组件(6)包括密封垫(61)、密封圈(62)、填充环(63)以及预紧盖(64)；所述密封垫(61)为环形结构，设置在所述光学窗口(5)靠近所述舱体(1)一端的端面与所述舱体(1)之间；所述密封圈(62)套装在所述光学窗口(5)外，并嵌在所述填充环(63)内；所述填充环(63)套装在所述光学窗口(5)外，其紧贴所述光学窗口(5)的面设为与所述光学窗口(5)的外壁相匹配的弧面；所述预紧盖(64)为环形结构，套装在所述光学窗口(5)外，并压紧在所述填充环(63)上；所述预紧盖(64)与所述舱体(1)可拆卸连接。3.根据权利要求2所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述舱体(1)包括舱体本体(11)、安装在所述舱体本体(11)后端的后端盖(12)以及安装在所述舱体本体(11)前端的连接环(13)；所述连接环(13)为圆筒状，其一端套装在所述舱体本体(11)内，另一端外壁上设有外沿(131)，且另一端内壁上设有环形缺口(132)；所述外沿(131)设置在所述舱体本体(11)前端端面与所述预紧盖(64)之间；所述密封垫(61)位于所述环形缺口(132)内，所述光学窗口(5)靠近所述连接环(13)的一端伸入所述环形缺口(132)内与所述密封垫(61)接触。4.根据权利要求1-3任一所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述内壁支架(4)上设有九个第一通孔(41)和四个第二通孔(42)；所述第二通孔(42)为梯形结构，其上底靠近半球状内壁支架(4)的中心处设置，下底靠近所述舱体(1)；四个所述第二通孔(42)绕所述内壁支架(4)周向均匀分布；所述九个第一通孔(41)的设置规则如下：一个第一通孔(41)设置在内壁支架(4)的中心处；其余八个第一通孔(41)在每相邻两个第二通孔(42)之间分别设有两个，且该两个第一通孔(41)沿半球状内壁支架(4)的母线依次排布。5.根据权利要求4所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：
所述探测器(7)的靶面上由外及内依次设有干涉型滤光片和吸收型滤光片；所述干涉型滤光片中心波长向长波段偏移10～15nm；或者，所述探测器(7)的靶面上由外及内依次设有吸收型滤光片和干涉型滤光片；所述干涉型滤光片中心波长向长波段偏移10～15nm。6.根据权利要求3所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述预紧盖(64)上绕其周向分布有多个凹槽(641)；每个所述凹槽(641)内设有一个螺钉(642)；所述螺钉(642)依次穿设在所述预紧盖(64)、所述外沿(131)以及所述舱体本体(11)内。7.根据权利要求5所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述光学窗口(5)采用yag陶瓷或蓝宝石材料制成，其表面镀有增透膜；所述光源(8)采用蓝绿光组合异频段光源。8.根据权利要求5所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述内壁支架(4)采用黑工程塑料通过3d打印制成；所述第一通孔(41)为锥形孔，其大端靠近所述光学窗口(5)设置。9.根据权利要求5所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述控制组件(2)包括设置在舱体(1)内的圆筒状控制支架(21)和设置在所述控制支架(21)上的多个环形电路板(22)；多个环形电路板(22)沿所述控制支架(21)的中轴线依次层叠排列；所述探测器(7)和光源(8)分别通过柔性电路板分布在收发模块(3)上，各个柔性电路板分别与对应的环形电路板(22)电连接，其连接线位于环形电路板(22)的中心孔内；所述收发模块(3)伸入所述舱体(1)内与所述控制支架(21)的前端固连。10.根据权利要求6所述的收发一体准全向耐高压水下光通信机，其特征在于：所述密封垫(61)为石墨密封垫或黄铜密封垫；所述填充环(63)为ptfe工程塑料制成；所述预紧盖(64)为钛合金制成。

技术总结

本发明公开了一种收发一体准全向耐高压水下光通信机，以解决水下光通信设备发射或接收视场角均受限、无法保证收发隔离度要求的问题。具体包括舱体、控制组件、收发模块、内壁支架、光学窗口和密封组件；控制组件安装在舱体内；收发模块一端伸入舱体内与控制组件固连，另一端位于舱体外；其另一端上分布有探测器和光源；探测器和光源分别与控制组件电连接；内壁支架为半球状，其上设有多个第一通孔和多个第二通孔；内壁支架套装在收发模块另一端上，使得探测器位于第一通孔内、光源位于第二通孔内；光学窗口为半球状，套装在内壁支架外；内壁支架的外壁、探测器和光源均与光学窗口的内壁紧贴；密封组件套设在光学窗口外，并与舱体密封连接。封连接。封连接。