一种基于光声现象的无线保密通信系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于光声现象的无线保密通信系统及方法 (Wireless secret communication system and method based on photoacoustic phenomenon ) 是由 李红卫 左康 赵飞 梅雪松 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光声现象的无线保密通信系统及方法,包括主动发送系统和被动发送系统,所述主动发送系统包括第一信号编码器、第一激光器、第一光声器件和第一信号译码器；所述被动发送系统包括第二信号编码器、第二激光器、第二光声器件、第二信号译码器、分光镜组、光电器件、调姿机构和调姿控制器；所述第二激光器安装在所述调姿机构上。主动发射端发射载有信号的激光束,通过被动发射端的光声器件转化为电信号,同时被动发射端通过测量主动发射端的激光束位姿,获得应答激光束发射角,完成信号应答。本发明利用光声原理,降低对激光束入射角度的要求,并通过测量入射光束,获得入射角,从而准确反馈信息,从而实现低成本的近场保密通信。(The invention discloses a wireless secret communication system and a method based on photoacoustic phenomena, which comprises an active sending system and a passive sending system, wherein the active sending system comprises a first signal encoder, a first laser, a first photoacoustic device and a first signal decoder; the passive sending system comprises a second signal encoder, a second laser, a second photoacoustic device, a second signal decoder, a beam splitter group, a photoelectric device, an attitude adjusting mechanism and an attitude adjusting controller; the second laser is installed on the posture adjusting mechanism. The active transmitting end transmits a laser beam carrying signals, the laser beam is converted into electric signals through the photoacoustic device of the passive transmitting end, and meanwhile the passive transmitting end obtains a response laser beam transmitting angle through measuring the laser beam pose of the active transmitting end to finish signal response. The invention utilizes the photoacoustic principle to reduce the requirement on the incident angle of the laser beam, and obtains the incident angle by measuring the incident beam, thereby accurately feeding back information and realizing the near field secret communication with low cost.)
技术领域
本发明属于无线保密通信技术领域，具体涉及一种基于光声现象的无线保密通信系统及方法。
背景技术
随着机器人、智能化技术的不断推广应用，无线通信技术在制造业应用逐渐广泛。特别是移动机器人，为在工作过程中进行通信，不得不采用无线通信方式。而在有保密要求的场景中，严禁现有的WIFI等无线或近场通信方式，避免电磁通信方式造成信息泄露。目前，为实现两个设备在保密场景中的通信，通常采用物理隔离的方式，如安全铰链设备等。上述方式复杂，价格昂贵，效率低下，存在难以进行实时信息通信等缺点，因此在应用中有诸多不便。
无线激光通信又被称为FSO(Free Space Optical，自由空间光通信)，是一种以自由空间为传输信道的通信方式，具有高码率、高带宽、灵活等优点。无线激光通信以激光束作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，是一种优良的无线通信方式。然而，无线激光通信具有对激光指向性的要求较高，对激光功率的要求高，成本高的问题。降低对激光指向性和激光能量的要求，是实现激光通信低成本的有效途径。
发明内容
本发明针对现有保密场景网络隔离、禁用电磁通信的难题，提供了一种基于光声现象的无线保密通信系统及方法，能够降低成本，提高通信实时性。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于光声现象的无线保密通信系统，包括主动发送系统和被动发送系统，所述主动发送系统包括第一信号编码器、第一激光器、第一光声器件和第一信号译码器；所述被动发送系统包括第二信号编码器、第二激光器、第二光声器件、第二信号译码器、分光镜组、光电器件、调姿机构和调姿控制器；所述第二激光器安装在所述调姿机构上；所述第一信号编码器和所述第二信号编码器用于将数字信号编码为激光信号；所述第一激光器用于发射所述第一信号编码器编码的激光信号；所述分光镜组用于对所述第一激光器发射的激光信号进行分光，分光为第一激光信号和第二激光信号；所述第二光声器件用于接收第一激光信号，并将第一激光信号转换为电信号；所述第二信号译码器用于接收所述第二光声器件转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，用于后端通信；所述光电器件用于接收第二激光信号，并根据第二激光信号检测所述第一激光器发射的激光的入射角度信号；所述调姿控制器用于接收所述光电器件检测得到的入射角度信号，并根据入射角度信号控制所述调姿机构动作，使所述第二激光器发射的激光与所述第一激光器发射的激光平行；所述第二激光器用于发射所述第二信号编码器编码的激光信号；所述第一光声器件用于接收所述第二激光器发射的激光信号，并将该激光信号转换为电信号；所述第一信号译码器用于接收所述第一光声器件转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，用于后端通信。
进一步地，所述被动发送系统还包括窄带透光镜，所述窄带透光镜位于所述第一激光器与所述分光镜组之间，所述窄带透光镜用于对所述第一激光器发射的激光进行选通。
进一步地，所述被动发送系统还包括第二底座，所述第二信号编码器、所述第二光声器件、所述第二信号译码器、所述分光镜组、所述光电器件、所述调姿机构和所述调姿控制器均安装在所述第二底座上，且所述窄带透光镜、所述分光镜组和所述第二光声器件依次沿着所述第一激光器发射激光的方向布置，所述光电器件位于所述分光镜组的一侧。
进一步地，所述主动发送系统还包括第一底座，所述第一信号编码器、所述第一激光器、所述第一光声器件和所述第一信号译码器均安装在所述第一底座上，且所述第一激光器的轴线与所述第一光声器件的轴线平行。
进一步地，所述第一光声器件和所述第二光声器件用于接收入射激光的部位呈球冠状。
进一步地，所述调姿机构为三旋转自由度机构，其中，第一旋转轴轴线与所述第二光声器件的轴线重合，第二旋转轴轴线与第三旋转轴轴线分别垂直于第一旋转轴轴线。
一种基于光声现象的无线保密通信方法，应用本发明所述的基于光声现象的无线保密通信系统，所述第一信号编码器将数字信号编码为激光信号；所述第一激光器发射所述第一信号编码器编码的激光信号；所述分光镜组对所述第一激光器发射的激光信号进行分光，分光为第一激光信号和第二激光信号；所述第二光声器件接收第一激光信号，并将第一激光信号转换为电信号；所述第二信号译码器接收所述第二光声器件转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，获得通信信息；所述光电器件接收第二激光信号，并根据第二激光信号检测所述第一激光器发射的激光的入射角度信号；所述调姿控制器接收所述光电器件检测得到的入射角度信号，并根据入射角度信号控制所述调姿机构动作，使所述第二激光器发射的激光与所述第一激光器发射的激光平行；所述第二信号编码器将数字信号编码为激光信号；所述第二激光器发射所述第二信号编码器编码的激光信号；所述第一光声器件接收所述第二激光器发射的激光信号，并将该激光信号转换为电信号；所述第一信号译码器接收所述第一光声器件转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，获得通信信息。
进一步地，在所述分光镜组对所述第一激光器发射的激光信号进行分光之前，所述窄带透光镜对所述第一激光器发射的激光进行选通。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种基于光声现象的无线保密通信系统，在使用时，第一信号编码器将数字信号编码为激光信号；第一激光器发射第一信号编码器编码的激光信号；分光镜组对第一激光器发射的激光信号进行分光，分光为第一激光信号和第二激光信号；第二光声器件接收第一激光信号，并将第一激光信号转换为电信号；第二信号译码器接收第二光声器件转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，获得通信信息；光电器件接收第二激光信号，并根据第二激光信号检测第一激光器发射的激光的入射角度信号；调姿控制器接收光电器件检测得到的入射角度信号，并根据入射角度信号控制调姿机构动作，使第二激光器发射的激光与第一激光器发射的激光平行；第二信号编码器将数字信号编码为激光信号；第二激光器发射第二信号编码器编码的激光信号；第一光声器件接收第二激光器发射的激光信号，并将该激光信号转换为电信号；第一信号译码器接收第一光声器件转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，获得通信信息。综上可知，主动发射端发射载有信号的激光束，通过被动发射端的光声器件转化为电信号，同时被动发射端通过测量主动发射端的激光束位姿，获得应答激光束发射角，完成信号应答。可见，本发明利用光声原理，降低对激光束入射角度的要求，并通过测量入射光束，获得入射角，从而准确反馈信息，从而实现低成本的近场保密通信。
进一步地，本发明利用窄带透光镜对第一激光器发射的激光进行选通，窄带透光镜实现对激光广光束载波的带通滤波，从而进一步增加系统的保密性。
进一步地，本发明的第一光声器件和第二光声器件用于接收入射激光的部位呈球冠状，通过球冠结构增加入射角度，增加其接收空间，通过此方式，扩大激光束的入射范围，从而避免对系统的入射角度的严格要求。
本发明一种基于光声现象的无线保密通信方法，利用光声原理，降低对激光束入射角度的要求，并通过测量入射光束，获得入射角，从而准确反馈信息，从而实现低成本的近场保密通信。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明一种基于光声现象的无线保密通信系统的原理结构示意图；
图2是本发明主动发送系统的原理结构示意图；
图3是本发明被动发送系统的原理结构示意图；
图4是本发明光声信号转换器的一种结构形式。
图中：1-主动发送系统；101-第一信号编码器；102-第一激光器；103-第一光声器件；104-第一信号译码器；105-第一底座；2-被动发送系统；201-第二信号编码器；202-第二激光器；203-第二光声器件；204-第二信号译码器；205-分光镜组；206-光电器件；207-调姿机构；208-调姿控制器；209-窄带透光镜；210-第二底座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
光声现象最早由A.G.Bell于1880年发现，其通过振动改变光的方向的反射镜，在光信号中叠加声音信号，实现声音的传播。另外一种光声现象其本质是通过光所传递的能量，对吸光材料进行加热，热导致变形，产生振动，从而发声，这是一个化学能与机械能转化过程。由于光声现象不要求入射光的角度，因此，可以通过引入光声器件，对现有激光通信方案进行重新设计。
如图1所示，作为本发明的某一具体实施方式，一种基于光声现象的无线保密通信系统，包括主动发送系统1和被动发送系统2。
结合图1和图2所示，主动发送系统1包括第一信号编码器101、第一激光器102、第一光声器件103、第一信号译码器104和第一底座105，第一底座105是主动发送系统1的结构件，第一信号编码器101、第一激光器102、第一光声器件103和第一信号译码器104均安装在第一底座105上，第一激光器102与第一光声器件103并行的安装在第一底座105上，且第一激光器102的轴线与第一光声器件103的轴线平行。第一信号编码器101与第一激光器102连接，第一信号编码器101用于对通信信号进行载波调制，调制后的信号将通过第一激光器102发出。第一光声器件103与第一信号译码器104连接，第一信号译码器104将第一光声器件103所转化的电信号进行解调获得通信信息。
结合图1和图3所示，被动发送系统2包括第二信号编码器201、第二激光器202、第二光声器件203、第二信号译码器204、分光镜组205、光电器件206、调姿机构207、调姿控制器208、窄带透光镜209和第二底座210，第二底座210是被动发送系统2的结构件，第二激光器202安装在调姿机构207上，第二信号编码器201、第二光声器件203、第二信号译码器204、分光镜组205、光电器件206、调姿机构207和调姿控制器208均安装在第二底座210上，且窄带透光镜209、分光镜组205和第二光声器件203依次沿着第一激光器102发射激光的方向布置，光电器件206位于分光镜组205的一侧。也就是说，窄带透光镜209、分光镜组205和第二光声器件203共同构成入射光路，其中，窄带透光镜209装在入射光路的最前端，窄带透光镜209用于对第一激光器102发射的激光进行选通；分光镜组205装在窄带透光镜209的后侧，对窄带透光镜209选通后的入射激光进行分束，分束后的激光，一束进入光电器件206，一束进入第二光声器件203。第二信号编码器201与第二激光器202连接，第二光声器件203与第二信号译码器204连接。
光声器件用于转换所接收的激光信号，变为电信号，从而实现信息的传递。窄带透光镜实现对激光广光束载波的带通滤波，从而增加系统的保密性。
如图1所示，本发明一种基于光声现象的无线保密通信系统，第一信号编码器101和第二信号编码器201用于将数字信号编码为激光信号；第一激光器102用于发射第一信号编码器101编码的激光信号；窄带透光镜209用于对第一激光器102发射的激光进行选通，只有指定波长的激光才可实现通信，提高系统的保密性；分光镜组205用于对窄带透光镜209选通后的激光信号进行分光，分光为第一激光信号和第二激光信号，第一激光信号用于通信，第二激光信号用于测量；第二光声器件203用于接收第一激光信号，并将第一激光信号转换为电信号；第二信号译码器204用于接收第二光声器件203转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，实现信号的获取，用于后端通信；光电器件206用于接收第二激光信号，并根据第二激光信号检测第一激光器102发射的激光的入射角度信号，也就是说，光电器件206用于对分光镜组205所分出的测量光束的角度进行检测，从而获得第一激光器102发射的激光的入射角度；调姿控制器208用于接收光电器件206检测得到的入射角度信号，并根据入射角度信号控制调姿机构207动作，使第二激光器202发射的激光与第一激光器102发射的激光平行，也就是说，调姿机构207用于调整被动发送系统2中的第二激光器202的姿态，第二激光器202发射激光，以平行于第一激光器102发射的激光入射方向进行反向输出；第二激光器202用于发射第二信号编码器201编码的激光信号；第一光声器件103用于接收第二激光器202发射的激光信号，并将该激光信号转换为电信号；第一信号译码器104用于接收第一光声器件103转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，用于后端通信。
上述关于光电器件206的处理过程，更通俗的说，进入光电器件206的激光束，含有入射光的入射角信息，光电器件206将对入射光的角度进行测量，检测激光束入射角，并转换为电信号。光电器件206转换后的电信号输入到调姿控制器208，作为其输入，生成控制指令，控制指令将控制调姿机构207产生运动，调姿机构207带动第二激光器202运动，调整到与入射光相同的方向。此时，第二激光器202与第一激光器102所发出的激光束平行。
优选的，第一光声器件103和第二光声器件203用于接收入射激光的部位呈球冠状，通过球冠结构增加入射角度，增加其接收空间，通过此方式，扩大激光束的入射范围，从而避免对系统的入射角度的严格要求。
调姿机构207为三旋转自由度机构，结合图1和图3所示，其中，第一旋转轴轴线与第二光声器件203的轴线重合，因此调姿机构207可绕第二光声器件203旋转；第二旋转轴轴线与第三旋转轴轴线分别垂直于第一旋转轴轴线，也就是说，第二旋转轴、第三旋转轴分别绕与第一旋转轴轴线垂直的两个轴线旋转。
采用本发明基于光声现象的无线保密通信系统的无线保密通信方法为：第一信号编码器101将数字信号编码为激光信号；第一激光器102发射第一信号编码器101编码的激光信号；窄带透光镜209对第一激光器102发射的激光进行选通；分光镜组205对窄带透光镜209选通后的激光信号进行分光，分光为第一激光信号和第二激光信号；第二光声器件203接收第一激光信号，并将第一激光信号转换为电信号；第二信号译码器204接收第二光声器件203转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，获得通信信息；光电器件206接收第二激光信号，并根据第二激光信号检测第一激光器102发射的激光的入射角度信号；调姿控制器208接收光电器件206检测得到的入射角度信号，并根据入射角度信号控制调姿机构207动作，使第二激光器202发射的激光与第一激光器102发射的激光平行；第二信号编码器201将数字信号编码为激光信号；第二激光器202发射第二信号编码器201编码的激光信号；第一光声器件103接收第二激光器202发射的激光信号，并将该激光信号转换为电信号；第一信号译码器104接收第一光声器件103转换得到的电信号，并将该电信号进行解密，获得通信信息。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。
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