基于紫外光的语音通信头盔

本发明涉及通信头盔，属于通信领域。背景技术：1、1978年，普林斯顿航空研究协会的fishburme发表了有关紫外光语音通信的论文。2002年和2007年，美国darpa分别开始研究半导体紫外光源(suvos)和紫外雪崩光电二极管(uvapd)。suvos与低压汞灯相比具有体积小、功耗低等特点，2002～2008年之间先后开发出了两代深紫外led，其中心波长分别为274nm和254nm。2007年以来，z.xu等人基于led光源建立了短距离紫外光通信试验系统，做了大量的室外实验，详细研究了紫外光传输链路信道损耗特性，用实验分析了紫外光脉冲响应特点。2、1999年，北京理工大学制作了国内第一套紫外光音频模拟通信实验室系统，直线距离500m之内取得了良好的成果，并用视距的大气传输软件lowtran和modtran模拟了案外光大气的传输特性。3、中国科学院空间科学与应用研究中心，从2002年开始系统的研究紫外光通信的系统构成与关键技术，提出了lms算法的信道估计，使系统的误码率明显下降。从单散射模型出发，研究了信道脉冲响应，结果表明，紫外通信系统对收发机光学结构敏感，带宽低，码间干扰严重，适合于低速近距离保密通信。4、重庆大学主要研究紫外通信的系统设计、信号处理和编解码方法提出并设计了一套基于led的日盲紫外光通信系统，在200m视距范围内，通信速率可以达到9600bit/s，能够实现实时语音通信和数据传输。5、因此，总结出紫外光通信特点：6、1、非视距传输。这是紫外光通信最显著的特点。而红外激光等其它自由空间无线光通信只能用于视距通信，需要进行瞄准、捕获及跟踪(atp)等复杂而严格的操作，而由于紫外光通信系统是利用大气分子和气溶胶粒子对紫外光的散射作用进行通信，对接收端来说，接收到的信号不再是来自一个“点”，而是来自一片极大的区域，所以可以实现非视距传输，具有较强的绕障能力，即使在光源发射的反向区域，也能接收到一定的信号，从而不需要严格的atp操作。可以适应较复杂的地形区域。通过控制光源的发射角，可以使出射光实现一定的全方位性和广义的指向性，易于建立无线网络结构。7、2、低位辩率。由于紫外光为不可见光，且在大气传输中散射明显，衰减严重，敌方即使检测到信号，也较难辨别发射方位。8、3、局域保密性好、抗干扰能力强。由于受大气分子和粒子吸收及散射作用强烈，导致信号强度按指数规律衰减，因而通信距离有限，一般只有几公里。可以根据距离要求，来控制发射功率，使得在有效的局域通信距离之外，敌方无法侦听，相比红外和射频通信技术，局域保密性好。同样是由于衰减大，使得敌方无法在远处实施干扰，即抗干扰能力强。这是军方对紫外光通信重视的主要原因。9、4、极低的背景噪声。紫外光通信系统工作在日盲波段，而近地表附近由太阳辐射造成的日盲波段背景噪声几乎为零，所以接收端可以采用高灵敏度的检测器，只要接收到较少的光子，就可获得较高的信噪比，同时能够在检测器前加装具有较宽视场的收集装置，而不用担心像传统红外通信那样引入较大的背景噪声能够极大地提高接收性能。10、5、不占用射频频带资源。射频频带资源日益紧缺，利用紫外波段进行通信丰富了通信手段，是对现有以无线射频为主要工作频段的通信系统有益的补充。11、6、全天候工作。紫外光通信会受地理环境、气候及天气情况一定的影响。在存在臭氧空洞的极地，无法实现通信；气候及天气不同，会导致大气透射比改变从而对通信距离及效果有一定的影响，但仍然可以基本保障全天候工作。12、7、有可能提供更高的数据传输速率。相比在无线光通信领域中已经得到广泛应用的红外通信技术，紫外光的频段范围更大，这样紫外光链路有可能提供更高的数据传输速率。13、8、应用场合受限。由于高功率紫外光对人体皮肤有辐射，存在一定的人身健康隐患，所以发射功率受限，部分紫外设备应用场合受限。14、因此，紫外光通信也存在一些问题：15、1.紫外led通信距离较短。由于紫外光为不可见光，波长很短，故在大气传输中瑞利散射明显，由于吸收作用，衰减严重，有效通信距离相比于传统无线电较短。16、2.紫外光的多径效应和大气散射。虽然以上特性造成了紫外光的非视距通信优势，但上述效应及不同天气(如大气微粒种类与浓度)对接收端信号解调算法的要求很高。17、3.紫外光辐射相对严重。过量的紫外辐射对人体皮肤和眼睛有损害。技术实现思路1、本发明的目的是为了解决现有紫外光通信在一定程度上受光信道的制约，对接收端信号解调算法的要求很高、且对人体可能产生损害的问题，针对以上问题提出了基于紫外光的语音通信头盔。2、基于紫外光的语音通信头盔，所述头盔包括头盔本体和紫外收发设备；3、紫外收发设备安装在头盔本体上；4、紫外收发设备包括紫外单片机语音模块、紫外fpga驱动板、紫外发射机、紫外接收机、模数转换芯片、麦克风和扬声器；5、紫外收发设备根据接收的语音消息发射紫外光信号的过程：6、麦克风将采集到的语音消息转化为模拟电信号，传递给紫外单片机语音模块；7、紫外单片机语音模块将模拟电信号转换为数字电信号，发送给紫外fpga驱动板；紫外fpga驱动板对所接收的数字电信号进行调制来控制紫外发射机产生紫外光信号，并对紫外光信号折射和聚焦，产生聚焦后的紫外光信号；8、紫外收发设备根据接收的光信号进行发声过程：9、紫外接收机收集发散的光信号，滤掉光信号中除紫外光波段以外的光，将紫外光信号转变成光电流，此光电流经模数转换芯片转换为离散光电流，传递给紫外fpga驱动板，紫外fpga驱动板滤除离散光电流中的噪声、对滤除噪声后的光电流进行补偿，得到均衡的光电流，从均衡的光电流中解调出原始的数字电信号，将原始的数字电信号传输给紫外单片机语音模块；紫外单片机语音模块将原始的数字电信号转换为模拟信号，传递给扬声器进行发声。10、优选地，紫外发射机包括紫外led与tir透镜；11、紫外fpga驱动板对所接收的数字电信号进行调制来控制紫外led产生紫外光信号，发送给tir透镜；tir透镜利用全反射原理对所接收的紫外光信号进行折射和聚焦，产生聚焦后的紫外光信号。12、优选地，紫外接收机包括复合抛物面聚光器、滤光片和光电倍增管；13、复合抛物面聚光器收集发散的光信号送入滤光片；滤光片滤掉光信号中除紫外光波段以外的光，将紫外光信号传给光电倍增管；光电倍增管在其内部高压模块的作用下将所接收的紫外光信号转变成光电流，此光电流经模数转换芯片转换为离散光电流，传递给紫外fpga驱动板。14、优选地，所述头盔还包括lora语音控制板和lora天线；15、lora语音控制板与lora天线均安装于头盔上；16、lora语音控制板，用于接收麦克风采集到的语音消息，将语音消息转换成lora信号，发送给lora天线；还用于接收lora信号，解析出语音信息，传给扬声器进行发声；17、lora天线，用于将接收到的lora信号发送出去；还用于接收lora信号，并传输给lora语音控制板。18、优选地，所述头盔还包括后端指挥中心计算机、后端光端机和前端光端机；19、后端指挥中心计算机，用于依次通过后端光端机和前端光端机向紫外单片机语音模块或者向lora语音控制板发送模拟电信号，经紫外单片机语音模块解析出语音，让扬声器进行发声，或经lora语音控制板解析出语音，让扬声器进行发声，；还用于依次通过紫外单片机语音模块或者lora语音控制板、前端光端机和后端光端机接收麦克风发来的语音消息。20、优选地，所述头盔还包括摄像头；21、摄像头，用于将采集到的视频信息依次经由前端光端机和后端光端机传递给后端指挥中心计算机上进行显示；22、后端指挥中心计算机，还用于依次通过后端光端机和前端光端机控制摄像头开启和关闭。23、优选地，紫外fpga驱动板包括发送端fpga和接收端fpga；24、发送端fpga，用于对所接收的数字电信号进行调制来控制紫外led产生紫外光信号；25、接收端fpga，用于滤除光电流中的噪声、对滤除噪声后的光电流进行补偿，得到均衡的光电流，从均衡的光电流中解调出原始的数字电信号。26、优选地，发送端fpga包括控制模块、时钟模块和占空比调节模块；27、时钟模块，用于为占空比调节模块提供采样时钟；28、控制模块，用于周期性检测紫外单片机语音模块发来的数字电信号；29、占空比调节模块，用于按照采样时钟，采集来自控制模块的数字电信号，将数字电信号转换成脉冲信号；当接收到脉冲信号为高电平时，输出高电平，驱动紫外led点亮，产生紫外光信号，当接收到脉冲信号为低电平时，输出低电平，驱动紫外led熄灭，不产生紫外光信号。30、优选地，接收端fpga包括锁相环时钟模块、平滑滤波模块、均衡模块、同步模块、归一化模块和占空比恢复模块；31、锁相环时钟模块，用于根据设置的采样时钟信号和内部振荡器输出的相位差，产生振荡信号传输至平滑滤波模块；32、平滑滤波模块，用于当内部的adc采集模块接收到振荡信号后，adc采集模块采集光电倍增管输出的光电流进行滑窗平滑滤波处理，处理后的光电流输出给均衡模块；33、均衡模块，用于使用经过训练序列训练后的模型对处理后的光电流进行补偿，得到均衡的光电流输出给归一化模块；同步模块，用于向归一化模块提供判决时钟；34、归一化模块，用于每当到达判决时钟的上升沿时，进行归一化操作；归一化操作为：根据脉冲信号编码生成规则，将均衡的光电流中大于阈值的信号设置为1，将均衡的光电流中小于等于阈值的信号设置为0，将1和0的二进制信号发送给占空比恢复模块；35、占空比恢复模块，用于将1的信号恢复回进入归一化模块前的信号，将恢复回进入归一化模块前的信号和0的信号作为原始的数字电信号。36、本发明的有益效果是：37、本发明只是对接收端接收到的光信号进行解析，从而解析出语音信号，无需复杂的解调手段。38、本发明针对紫外信道应用了“fpga+单片机”联合的ook调制技术，实现抗干扰的远距离通信。ook调制简单、成本低廉，适用于短距离、低速率的通信系统。然而，由于只有两个信号水平，ook调制的抗干扰能力虽然较差，容易受到噪声和干扰的影响。但考虑到紫外光用于通信的优势之一，即由于大气层对紫外波段的吸收作用，故各种光源产生的紫外波段的电磁波很少存在，且人造干扰与自然干扰产生的背景光噪声难以影响紫外波段，故无需很高要求的抗背景干扰的调制技术，此外，在传输过程中，ook调制可以更快地切换信号的状态，从而提高数据传输速率，考虑到其兼容性、简单性、成本效益、高效性故选用ook调制。39、本发明实现流程为：数据编码：将麦克风采集到的语音信号采样、离散并进行调制，将数字信息转换为二进制形式，如将0表示为低电平或关闭状态，将1表示为高电平或打开状态。光源控制：使用紫外led来产生紫外光信号。根据数据编码的结果，控制光源的开关状态，即打开或关闭。光传输：通过大气信道将调制后的紫外光信号传输到接收端。接收与解调：在接收端，使用光电倍增管接收传输的紫外光信号，根据光的存在与否，通过滤波、归一化、相位同步等手段来解调出原始的数字信息，并通过da转化为模拟信号输出给扬声器。40、本发明使用一种数字调制技术，即ook调制，也被称为闪光调制或者脉冲幅度调制(pulse amplitude modulation，pam)。在调制中，数字信号被转换为二进制的光信号，通过控制光的强度来传输信息。在数字调制技术中，数字信号的高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0。当数字信号为1时，光源会发射出一定强度的光；当数字信号为0时，光源则不发射光。接收端通过检测光的强度来恢复数字信号。数字调制技术的优点是简单、成本低廉，适用于短距离、低速率的通信系统。考虑到紫外光用于通信的优势之一，即由于大气层对紫外波段的吸收作用，紫外波段的背景噪声很少存在，且人造干扰与自然干扰难以影响紫外波段，因此场景对调制技术的性能要求不高，此外，在传输过程中，ook调制技术可以更快地切换信号的状态，从而提高数据传输速率，考虑到其兼容性、简单性、成本效益、高效性故选用ook调制技术。41、本发明仅仅通过紫外单片机语音模块、紫外fpga驱动板、复合抛物面聚光器、滤光片和光电倍增管，便能解调出原始信号，因此本发明结构简单、解调方式简单、抗干扰能力强、成本低廉。并且本发明中的紫外led仅仅使用小功率(功率约为1.4w)，便能够实现通信的功能，此紫外led模组的辐射值在数米的距离上即小于日光，所以光传输过程中对人体危害很小。42、本发明的紫外接收机采用复合抛物面聚光器、滤光片、光电倍增管，使得通信性能提高，增强了非视距通信的能力。43、头盔内部搭载了基于紫外光和lora融合的抗干扰语音通信系统模块，通常以紫外链路作为主链路，lora链路作为辅链路，依据通信要求、传输距离和干扰类型进行信道的手动切换，如在紫外光信道条件极其恶劣时，可切换到lora链路进行通信。使用者可头戴进行通信、通信模块可拆卸，可手持单独使用，更加便捷，头盔既可以保护头部的安全，又可以在探险队员之间进行稳健抗干扰的语音通信连接。44、本发明的系统解决方案将两种通信传输介质有机融合并集成在一起，取长补短：(1)前沿阵地短距离多用户(携带lora与紫外集成模块)接入的机动通信场景中，利用紫外光通信联合lora无线电通信的创新模式，进行“基站”与终端之间的融合通信传输；(2)前沿阵地增加了视频采集模块，可通过光纤将视频信息传递给指挥中心，能够让指挥中心更好地了解并控制前沿情况。(3)前端光端机还可通过光纤连接到后端指挥中心的光端机上，能够实现长距离(百公里级)通信场景中，运用有线光纤在前端光端机与后端光端机之间进行信息传输，以此连接指挥中心和百公里外的前沿阵地；该系统的优势在于，既利用了有线光纤长距离信道容量大、传输可靠性高的优点，又利用了紫外光和lora通信的隐蔽性强、系统负载能力大和高灵活性等优点。实际应用中，lora与紫外光同时被敌方干扰的概率极低，二者融合可在绝大多数情况下实现较高成功率的稳健语音通信。45、本发明是一种语音通信质量高、抗干扰能力强、应用场景广泛、价格低廉、耗能较低的稳健语音通信系统，此系统搭载在头盔上，具有巨大的实用意义大：(1)在射频移动通信不可用或不可靠的地区，能够节省大规模布设网线的成本；(2)在民生的突发事件(如地震、洪水)爆发、无法开展有线通信时，本发明能够作为一种辅助通信方式，从而快速建立应急通信网络，减少灾难造成的损失、保护受灾人民与救灾战士的生命、降低经济损失；(3)更重要的是，本发明的种种特性能够使其成为全面覆盖陆、海、空的有效而便利的军事通信手段，在受到电磁干扰时也能维持正常且高效的通信。