高帶寬水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】高帶寬水下數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)
相關串請的交叉引用
[0001]本申請要求2014年3月10日提交的第14/203，550號美國專利申請的優(yōu)先權(quán)益，其根據(jù)35 U.S.C.§ 120規(guī)定要求作為2013年3月15日提交的第13/843，942號美國臨時專利申請的部分接續(xù)申請的優(yōu)先權(quán)益，所述專利申請中的每個的全文是以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領域
[0002]本發(fā)明涉及在水下實體之間尤其以高數(shù)據(jù)速率進行的數(shù)據(jù)傳輸。
【背景技術(shù)】
[0003]本背景部分僅出于信息目的而提供，且不應被視為承認本章節(jié)中所含的任何題材有資格作為本申請的現(xiàn)有技術(shù)。
[0004]在包含國防、海洋學、油氣開發(fā)等的應用中，需要在兩個單獨水下實體之間傳送數(shù)據(jù)。用于在水下實體之間傳送數(shù)據(jù)的常規(guī)方法采用使用銅或光纖的有纜鏈路，或依賴于聲學傳輸。根據(jù)前一種方法，必須就地再定位或取代水下實體，而后一種方法具有當前可使用聲學傳輸實現(xiàn)的極低數(shù)據(jù)速率(通常為每秒I千位到20千位)。使用在海洋環(huán)境中自由地傳播的光的方法將提供高得多的數(shù)據(jù)速率和在任意對的傳輸裝置與接收裝置(收發(fā)器)之間方便地交換數(shù)據(jù)的可能性。
[0005]對在水下實體之間使用光學構(gòu)件實施數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍﹪L試因缺乏合適光源而受挫。穿過水的光傳播受限于純凈水的基本吸收性質(zhì)、微粒(諸如浮游生物和無機微粒)的散射、和通過含葉綠素的浮游植物和其它有機物質(zhì)進行的吸收。組分以各種組合形式進行組合以強有力地促進光在光譜的藍綠區(qū)域(大約從400nm到600nm)中進行傳輸。混合于水中的組分的各種組合形式的光學效應可被概括為水型，且范圍為從促進深藍傳播(名義上450nm)的極純天然水到促進藍綠(名義上490nm)傳播和綠(名義上530nm)傳播的水。在最優(yōu)波長下的最小光學衰減系數(shù)從約0.02m-1 (對于極清澈天然水)變化到大于2m-l (在多數(shù)渾濁的沿岸水或港口水中)。
[0006]藍綠波長范圍中的先前光源已被納入為笨重、低效、昂貴又需雇用人員的外部調(diào)制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]至少一個方面涉及一種在水介質(zhì)中執(zhí)行地震勘探的方法。在一些實施例中，所述方法包含接收第一海底地震計(OBS)單元的水中環(huán)境數(shù)據(jù)。第一 OBS單元可安置在水介質(zhì)中。所述方法可包含OBS單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將水中環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有第一格式的光學信號。第一格式可被配置來在水介質(zhì)中進行光學傳輸。所述方法可包含OBS單元的光學傳輸器通過水介質(zhì)傳輸呈第一格式的光學信號。所述方法可包含遠程操作載具(ROV)和自主水下載具(AUV)中的至少一個的光學接收器接收通過水介質(zhì)傳輸?shù)墓鈱W信號。所述方法可包含ROV和AUV中的至少一個將通過水介質(zhì)傳輸?shù)墓鈱W信號轉(zhuǎn)換成具有第二格式的非光學信號。所述方法可包含ROV和AUV中的至少一個將呈第二格式的非光學信號傳輸?shù)酱啊?br>[0008]在一些實施例中，所述方法可包含將光學信號轉(zhuǎn)換成被配置來有線地傳輸?shù)酱暗姆枪鈱W信號。所述方法可包含經(jīng)由電纜將非光學信號傳輸?shù)酱?。在一些實施例中，光學接收器可包含第一光學收發(fā)器，且光學傳輸器可包含第二光學收發(fā)器。在一些實施例中，從ROV和AUV中的至少一個傳輸?shù)酱暗姆枪鈱W信號包含電信號。
[0009]在一些實施例中，OBS單兀為第一 OBS單兀，光學信號為第一光學信號，且地音探測儀為第一地音探測儀。在這些實施例中，所述方法可包含第二 OBS單元通過水介質(zhì)將第二光學信號傳輸?shù)降谝?OBS單元。第二光學信號可基于經(jīng)由第二 OBS單元接收的水中環(huán)境數(shù)據(jù)。所述方法可包含第一 OBS單元接收第二光學信號以傳輸?shù)絉OV和AUV中的至少一個。
[0010]在一些實施例中，所述方法包含OBS單元、ROV和AUV中的至少一個確定水介質(zhì)的特性。所述方法可包含基于水介質(zhì)的特性調(diào)整與光學信號相關聯(lián)的參數(shù)。在一些實施例中，特性包括以下項中的至少一項:濁度度量、水質(zhì)、水流和不透明度。在一些實施例中，參數(shù)包含以下項中的至少一項:光學信號的數(shù)據(jù)速率、光學信號的輸出強度、光學信號的波長和接收器的增益。
[0011 ] 在一些實施例中，所述方法包含起始OBS單元與ROV和AUV中的至少一個之間的光學鏈路。所述方法可包含OBS單元將第一光學信號傳輸?shù)絉OV和AUV中的至少一個。第一光學信號可具有第一數(shù)據(jù)速率。所述方法可包含確定第一信號的誤碼率滿足閾值。所述方法可包含OBS單元將第二光學信號傳輸?shù)絉OV和AUV中的至少一個。第二光學信號可具有大于第一數(shù)據(jù)速率的第二數(shù)據(jù)速率，且可響應于確定誤碼率滿足閾值傳輸?shù)诙?shù)據(jù)速率。
[0012]在一些實施例中，所述方法包含起始OBS單元與ROV和AUV中的至少一個之間的光學鏈路。所述方法可包含OBS單元將具有第一數(shù)據(jù)速率的第一光學信號傳輸?shù)絉OV和AUV中的至少一個。所述方法可包含確定第一信號的誤碼率不滿足閾值。所述方法可包含選擇小于第一數(shù)據(jù)速率的第二數(shù)據(jù)速率?？身憫诖_定誤碼率不滿足閾值選擇第二數(shù)據(jù)速率。所述方法可包含傳輸具有第二數(shù)據(jù)速率的第二光學信號。
[0013]在一些實施例中，所述方法包含起始OBS單元與ROV和AUV中的至少一個之間的光學鏈路。所述方法可包含OBS單元將具有第一數(shù)據(jù)速率的第一光學信號傳輸?shù)絉OV和AUV中的至少一個。所述方法可包含確定第一信號的誤碼率不滿足閾值。所述方法可包含調(diào)整自動增益控制?？身憫诖_定誤碼率不滿足閾值調(diào)整自動增益控制。
[0014]在一些實施例中，所述方法可包含OBS單元經(jīng)由固態(tài)光源、基于InGaN的光源、激光和LED中的至少一個傳輸光學信號。在一些實施例中，所述方法可包含OBS單元經(jīng)由光學信號以至少300Mbps的數(shù)據(jù)速率傳輸數(shù)據(jù)。在一些實施例中，所述方法可包含OBS單元使用信道編碼技術(shù)傳輸光學信號。信道編碼技術(shù)可包含以下項中的至少一項:開關鍵控格式、8b/10b編碼、脈沖位置鑒別、正交相移鍵控(QPSK)和正交振幅鑒別。在一些實施例中，所述方法可包含OBS單元使用基于正交頻分多路復用(OFDM)的多載波傳輸鑒別技術(shù)傳輸光學信號。
[0015]在一些實施例中，水中環(huán)境數(shù)據(jù)包含指示以下項中的至少一個的數(shù)據(jù):地震活動、水介質(zhì)中的溶解固體、水介質(zhì)中的溶解礦物質(zhì)、水介質(zhì)的狀態(tài)、水介質(zhì)中的氧濃度、水介質(zhì)中的鹽濃度、水介質(zhì)中的浮游生物濃度、水介質(zhì)的濁度和存在于水介質(zhì)中的動物。
[0016]在一些實施例中，水中環(huán)境包含地震數(shù)據(jù)，且所述方法包含使用安置在水介質(zhì)中的第一海底地震計(OBS)單元的地音探測儀接收地震數(shù)據(jù)。
[0017]在一些實施例中，OBS單元為第一 OBS單元，且所述方法包含由第二 OBS單元的光學接收器從第一 OBS單元接收光學信號。所述方法可包含第二 OBS單元的光學傳輸器將光學信號傳輸?shù)絉OV和AUV中的至少一個。在一些實施例中，水中環(huán)境包含地震數(shù)據(jù)，且所述方法包含使用安置在OBS單元中的加速計接收地震數(shù)據(jù)。
[0018]至少一個方面涉及一種用來在水介質(zhì)中執(zhí)行地震勘探的系統(tǒng)。在一些實施例中，所述系統(tǒng)可包含安置在水介質(zhì)中的第一海底地震計(OBS)單元。第一 OBS單元可被配置來接收水中環(huán)境數(shù)據(jù)。所述系統(tǒng)可包含OBS單元的第一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。第一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊可被配置來將水中環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有第一格式的光學信號。第一格式可被配置來在水介質(zhì)中進行光學傳輸。在一些實施例中，所述系統(tǒng)可包含OBS單元的光學傳輸器。光學傳輸器可被配置來通過水介質(zhì)傳輸呈第一格式的光學信號。在一些實施例中，所述系統(tǒng)可包含遠程操作載具(ROV)和自主水下載具(AUV)中的至少一個的光學接收器。光學接收器可被配置來接收通過水介質(zhì)傳輸?shù)墓鈱W信號。所述系統(tǒng)可包含ROV和AUV中的至少一個的第二數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。第二數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊可被配置來將通過水介質(zhì)傳輸?shù)墓鈱W信號轉(zhuǎn)換成具有第二格式的非光學信號。所述系統(tǒng)可包含ROV和AUV中的至少一個的傳輸器。傳輸器可被配置來將呈第二格式的非光學信號從R0V和AUV中的至少一個傳輸?shù)酱啊?br>[0019]本公開的至少一個方面涉及一種用于通過水介質(zhì)光學地傳輸和接收數(shù)據(jù)的裝置。在一些實施例中，所述裝置包含光學傳輸器。所述裝置還可包含光學接收器。傳輸器和接收器可使用具有在400nm-600nm的范圍中的波長的光進行操作。
[0020]在一個實施例中，所述裝置的光學傳輸器和光學接收器封閉在防水容器中。光學容器可包含一或多個光學窗口。光可經(jīng)由一或多個光學窗口透射通過防水容器并進入到水介質(zhì)之中或從水介質(zhì)中出來。
[0021 ] 在一個實施例中，光學傳輸器包含至少一個固態(tài)光源。
[0022]在一個實施例中，光源為基于InGaN的光源。
[0023]在一個實施例中，光源包含LED。
[0024]在一個實施例中，光源包含激光。
[0025]在一個實施例中，所述裝置被配置來以約1Mbps或更大的速率傳輸數(shù)據(jù)。
[0026]在一個實施例中，所述裝置被配置來以約10Mbps或更大的速率傳輸數(shù)據(jù)。
[0027]在一個實施例中，所述裝置包含被配置來調(diào)制光源輸出的控制器。控制器可通過改變到光源的驅(qū)動電流來調(diào)制光源輸出。
[0028]在一個實施例中，光學接收器包含光電二極管。
[0029]在一個實施例中，光學接收器包含來自由以下項組成的清單的至少一項:硅光電二極管、娃PIN光電二極管、和雪崩光電二極管、和混合光電二極管。
[0030]在一個實施例中，光學接收器包含光電倍增管。
[0031]在一個實施例中，光學接收器包含被配置來檢測諸如光子的微粒的微通道板。
[0032]在一個實施例中，光電倍增管包含多個增益級?？蓮淖罱K增益級之前的增益級提取輸出。
[0033]在一個實施例中，光學接收器被配置來使用光學信號強度的測量來控制光學檢測器之后的放大器的增益。
[0034]在一個實施例中，光學接收器被配置來使用光學信號強度的測量來控制光學檢測器的增益。
[0035]在一個實施例中，所述裝置包含可操作地耦接到傳輸器和接收器中的一個或兩個的至少一個控制器。控制器可被配置來在傳輸期間實施信道編碼技術(shù)。
[0036]在一個實施例中，所述裝置包含可操作地耦接到傳輸器和接收器中的一個或兩個的至少一個控制器。控制器可被配置來動態(tài)地調(diào)整一或多個傳輸參數(shù)。控制器可響應于一或多個檢測到的傳輸條件動態(tài)地調(diào)整傳輸參數(shù)。
[0037]在一個實施例中，動態(tài)地調(diào)整一或多個傳輸參數(shù)包含控制所述裝置中的一或多個放大器元件的增益。
[0038]在一個實施例中，所述裝置包含可操作地耦接到傳輸器和接收器中的一個或兩個的至少一個控制器?？刂破骺杀慌渲脕韺嵤┒噍d波傳輸鑒別技術(shù)。
[0039]在一個實施例中，鑒別技術(shù)可包含基于光學的正交頻分多路復用(OFDM)。
[0040]在一個實施例中，收發(fā)器被配置來響應于檢測到存在另一數(shù)據(jù)傳輸裝置而進入通電狀態(tài)。
[0041]在一個實施例中，所述裝置包含被配置來對齊本地收發(fā)器與遠程收發(fā)器的控制器?？刂破骺苫趤碜钥筛袦y遠程收發(fā)器的相對角度的一或多個光學檢測器的信號對齊本地收發(fā)器與遠程收發(fā)器。
[0042]在一個實施例中，所述裝置包含被配置來基于來自用來檢測遠程收發(fā)器的相對位置的一或多個傳感器的信號對齊本地收發(fā)器與遠程收發(fā)器的控制器。
[0043]在一個實施例中，控制器被配置來至少部分地基于檢測到的位置信息控制用于所述裝置的平臺。
[0044]在一個實施例中，所述裝置包含被配置來控制多個傳輸源以引導光到遠程收發(fā)器的控制器?？刂破骺苫趤碜杂脕砀袦y遠程收發(fā)器的相對角度的一或多個光學檢測器的信號控制多個傳輸源。
[0045]在一個實施例中，所述裝置包含被配置來選擇多陽極光電倍增管中的陽極且對齊本地接收器的視場角與遠程收發(fā)器的控制器?？刂破骺苫趤碜杂脕砀袦y遠程收發(fā)器的相對角度的一或多個光學檢測器的信號選擇陽極且對齊本地接收器的視場角。
[0046]在一個實施例中，所述裝置包含被配置來將引導命令提供到上面安裝有所述裝置的平臺的控制器。一或多個光學檢測器可用來感測遠程收發(fā)器的相對角度。
[0047]在一個實施例中，所述裝置并入用于傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)的全光學系統(tǒng)中。
[0048]在一個實施例中，一或多個衍射光學元件用來收集光學傳輸光束。
[0049]在一個實施例中，一或多個衍射光學元件用來操縱光學傳輸光束。
[0050]在一個實施例中，一或多個衍射光學元件用來塑形光學傳輸光束。
[0051]在一個實施例中，所述裝置安裝在來自由以下項組成的清單的至少一項之上或之中:遠程操作載具、自主操作載具、潛艇和海底地震節(jié)點。
[0052]在一個實施例中，所述裝置包含聲學通信裝置。
[0053]至少一個方面涉及一種包含使用具有在400nm-600nm的范圍中的波長的光通過水介質(zhì)光學地傳輸數(shù)據(jù)的方法。
[0054]在一個實施例中，所述方法包含使用至少一個固態(tài)光源生成光。
[0055]在所述方法的一個實施例中，光源包含LED。
[0056]在一個實施例中，光源包含激光。
[0057]在一個實施例中，光學地傳輸數(shù)據(jù)的步驟包含以至少約1Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。
[0058]在一個實施例中，光學地傳輸數(shù)據(jù)的步驟包含以至少約10Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。
[0059]在一個實施例中，光學地傳輸數(shù)據(jù)的步驟包含使用一或多種信道編碼技術(shù)。
[0060]在一個實施例中，光學地傳輸數(shù)據(jù)的步驟包含動態(tài)地調(diào)整一或多個傳輸參數(shù)。可響應于一或多個檢測到的傳輸條件動態(tài)地調(diào)整傳輸參數(shù)。
[0061]在一個實施例中，光學地傳輸數(shù)據(jù)的步驟包含實施多載波傳輸鑒別技術(shù)。
[0062]在一個實施例中，鑒別技術(shù)包含基于光學的正交頻分多路復用(OFDM)。
[0063]在一些實施例中，可通過光纖將輸出光學傳