UOCC: 水下光学相机通信系统

u14

实验记录

正式实验流程与论文设计

实验设计与数据采集

~10⁵帧 GT 标注数据

适用对象：UOCC 毕业设计正式实验
场景：3m 水槽，单发射端，双目相机接收端，接收端执行自适应算法
用途：现场实验操作规范 + 论文“实验设计”章节草稿

1. 实验目的

本实验用于验证水下光学相机通信系统在 3m 水槽信道 下的通信性能与环境适应能力，重点回答以下问题：

在 3m 水槽条件下，固定参数接收是否会因环境变化导致 BER 恶化。
接收端自适应算法是否能够通过调节相机参数，将接收亮度拉回目标区间并降低 BER。
双目接收端的空间分集是否能优于单目接收。
在清水与浑浊水环境中，自适应系统是否具备可重复的收敛过程与恢复能力。

2. 实验系统与边界

2.1 系统组成

发射端：单 LED 发射端，持续发送固定已知序列
接收端：双目相机 + Jetson Orin NX
算法端：接收端执行自适应参数更新与解调
信道：3m 水槽

2.2 实验边界

为保证实验变量可控，本实验采用以下约束：

发射端在单次实验过程中保持固定，不参与闭环调节
接收端左右目初期使用同一组 ISO + Exposure 参数
自适应算法仅调节接收端参数，不调节发射功率
每轮实验先完成采集与解调，再计算下一轮参数
性能评价以 BER 和收敛过程为主，亮度作为中间反馈指标

3. 实验装置与条件

3.1 设备清单

设备	用途
Jetson Orin NX	接收端计算平台
双目相机	左右目图像采集
LED 发射端	光信号发送
3m 水槽	水下信道搭建
支架与固定架	固定发射端和接收端位置
浑浊剂	构造浑浊水环境
量杯/滴管	控制浑浊剂加入量
浊度仪（如有）	记录 NTU
卷尺	标定 3m 距离

3.2 布置要求

发射端与双目相机沿水槽轴线相对放置
发射端与接收端中心距离固定为 3.0 m
双目相机安装后在单次实验中不得再次移动
LED 发射面、双目相机光轴与水槽主轴尽量共线
水槽外环境光保持尽量稳定，避免强反射与直射光

3.3 推荐实验环境

室内暗环境或弱背景光环境
相机关闭自动曝光、自动增益、自动白平衡
发射端连续发送固定 PRBS/测试序列
每组实验开始前静置 1 到 2 分钟，保证水体流动趋于稳定

4. 实验变量设计

4.1 自变量

类别	变量
信道条件	清水、轻度浑浊、中度浑浊
控制方式	固定参数、自适应参数
自适应算法	`single_shot`、`adaptive_iter`、`adaptive_damping`
接收方式	左目、右目、EGC、SC、MRC
轮次	第 0 轮至第 K 轮

4.2 因变量

指标	含义
BER	误码率
Decode Success Rate	解调成功率
Mean Brightness	ROI 平均亮度
Saturation Ratio	过曝比例
Convergence Rounds	收敛轮数
Recovery Rounds	扰动后恢复轮数

4.3 控制变量

发射序列固定
发射功率固定
收发距离固定为 3m
相机安装位置固定
图像分辨率与帧率固定
每轮采集帧数固定
解调算法版本固定

5. 实验分组

本实验分为两大类：稳态环境实验与动态扰动实验。

5.1 稳态环境实验

在固定环境下，对比固定参数和自适应参数的通信性能。

环境建议分为三档：

Group A：清水
Group B：轻度浑浊
Group C：中度浑浊

每个环境中进行以下实验：

固定参数基线实验
single_shot 自适应实验
adaptive_iter 自适应实验
adaptive_damping 自适应实验

5.2 动态扰动实验

在系统收敛后，人为改变环境，观察系统恢复能力。

建议至少做两类扰动：

清水状态下逐步加入浑浊剂
已收敛状态下改变背景光或微调发射端相对姿态

6. 标准实验流程（SOP）

6.1 实验前检查

每次正式实验前执行以下检查：

检查 LED 发射端是否能连续稳定发送已知序列。
检查双目相机左右目是否都能正常取流。
检查自动曝光、自动增益、自动白平衡均已关闭。
检查左右目初始参数是否一致。
检查当前实验目录是否已创建。
检查时间戳、日志、图像保存路径是否正常。
检查水槽水体是否均匀、气泡是否过多。
记录当前环境标签、浑浊度标签、距离、光照条件。

6.2 固定参数基线实验 SOP

目的：建立对照组。

设置一组固定接收参数 ISO_0, Exp_0。
发射端开始连续发送固定测试序列。
双目相机采集一批图像，建议每批 20 到 50 帧。
保存左目原始图像与右目原始图像。
分别计算左目和右目：
- ROI 平均亮度
- 单目 BER
- 单目解调成功率
对双目数据执行三种合并算法：
- EGC
- SC
- MRC
记录 BER_left、BER_right、BER_EGC、BER_SC、BER_MRC。
在同一环境条件下重复 3 次。

6.3 自适应闭环实验 SOP

目的：验证算法能否在 3m 水槽中收敛并改善通信性能。

每种算法单独做完整一组实验。

第 0 轮初始化

设置统一初始参数 ISO_0, Exp_0。
发射端连续发送固定测试序列。
双目采集 N 帧，建议 N = 20。
分别计算：
- 左目 ROI 平均亮度 Y_L
- 右目 ROI 平均亮度 Y_R
- 左目 BER
- 右目 BER
计算双目合并 BER：
- EGC
- SC
- MRC

第 k 轮闭环更新

根据左右目亮度构造反馈量 Y_feedback。
推荐第一版采用：
- Y_feedback = max(Y_L, Y_R)
将 Y_feedback 输入当前自适应算法。
得到下一轮参数 ISO_{k+1}, Exp_{k+1}。
将该参数同时设置到左右目。
再次采集 N 帧。
重复亮度统计、单目 BER 计算、双目合并 BER 计算。
保存本轮图像、参数和统计结果。
重复上述步骤，直到满足停止条件。

停止条件

满足任一条件即可停止：

达到最大轮数 5 到 8 轮
BER 不再明显下降
反馈亮度进入目标范围并连续稳定两轮

6.4 动态扰动实验 SOP

目的：验证环境突变下的恢复能力。

在清水或轻度浑浊环境下，先运行闭环直到系统收敛。
在某一轮结束后向水槽中加入定量浑浊剂，或改变背景光条件。
保持发射端连续发送不变。
继续执行闭环更新流程。
记录扰动前后各轮的参数变化、亮度变化和 BER 变化。
统计系统从扰动发生到重新稳定所需轮数。

7. 数据记录规范

每轮实验至少记录以下字段，建议保存为 CSV：

字段名	含义
`session_id`	本次实验编号
`env_type`	清水/轻度浑浊/中度浑浊
`trial_id`	重复实验编号
`algorithm`	固定参数或算法名称
`round_idx`	当前轮次
`iso`	ISO 参数
`exposure_us`	曝光时间
`left_mean_brightness`	左目平均亮度
`right_mean_brightness`	右目平均亮度
`feedback_brightness`	闭环反馈亮度
`left_ber`	左目 BER
`right_ber`	右目 BER
`egc_ber`	EGC 合并 BER
`sc_ber`	SC 合并 BER
`mrc_ber`	MRC 合并 BER
`decode_success_rate`	解调成功率
`saturation_ratio`	过曝比例
`timestamp`	时间戳

同时保存：

左右目原始图像
每轮代表帧
解调中间结果图
实验日志

8. 实验结果分析方法

实验完成后，建议从以下维度分析结果：

8.1 固定参数与自适应对比

比较不同环境下固定参数与自适应参数的最终 BER
比较不同环境下的解调成功率
比较不同环境下的过曝/欠曝现象

8.2 三种算法对比

比较 single_shot、adaptive_iter、adaptive_damping 的收敛轮数
比较三者的最终 BER
比较三者是否存在参数震荡

8.3 单目与双目对比

比较左目、右目与 EGC/SC/MRC 的 BER
评估双目空间分集对抗浑浊和不均匀衰减的收益

8.4 动态恢复能力

比较扰动发生前后的 BER 突变程度
比较恢复到稳定通信所需轮数
验证固定参数是否无法恢复，自适应是否能够恢复

9. 论文实验设计章节草稿

9.1 实验目的

为验证所提出的水下光学相机通信系统在实际水下信道中的有效性，本文构建了基于 3m 水槽 的实验平台，对固定参数接收和自适应接收进行了对比测试。实验重点考察三类问题：其一，系统在 3m 水槽条件下的基础通信能力；其二，接收端自适应参数调整对误码率和亮度稳定性的改善效果；其三，双目接收空间分集在水下衰减与浑浊环境中的性能增益。

9.2 实验平台

实验平台由单 LED 发射端、双目相机接收端、Jetson Orin NX 处理平台以及 3m 水槽组成。发射端持续发送固定已知序列，接收端通过双目相机采集光条纹图像，并在 Jetson 上完成 ROI 提取、OOK 解调、自适应参数更新以及双目合并解调。实验过程中发射端参数保持固定，仅接收端执行 ISO 与曝光时间调节，以构建“感知-反馈-执行”的闭环控制链路。

9.3 实验分组

实验分为稳态环境实验和动态扰动实验两类。稳态实验在清水、轻度浑浊和中度浑浊三种条件下分别进行，并在每种条件下比较固定参数、single_shot、adaptive_iter 和 adaptive_damping 四种接收策略。动态扰动实验则在系统达到稳定后，通过向水槽中加入浑浊剂或改变背景光条件，验证自适应算法在环境突变时的恢复能力。

9.4 实验流程

在每轮实验中，系统首先使用当前参数完成双目图像采集；随后分别计算左右目 ROI 平均亮度及单目 BER，并进一步计算 EGC、SC 和 MRC 三种双目合并 BER；之后根据左右目观测结果构造反馈亮度，并输入自适应算法，生成下一轮接收参数。上述过程持续迭代，直到达到预设轮数上限或系统收敛。为降低偶然误差，每组实验均重复多次并取平均结果。

9.5 评价指标

实验采用 BER 作为主要性能指标，并辅以解调成功率、ROI 平均亮度、过曝比例、收敛轮数和扰动恢复轮数等指标对系统性能进行综合评价。其中 BER 用于衡量通信可靠性，亮度用于衡量接收信号是否处于合理工作区间，收敛轮数和恢复轮数则用于反映算法闭环调节效率。

9.6 预期结论

预期结果包括：固定参数接收在环境变化时性能显著下降，而自适应接收能够将亮度重新拉回目标区间并降低 BER；双目合并性能整体优于单目接收，其中 MRC 在多数场景下具有最低 BER；在动态扰动实验中，自适应算法能够在有限轮数内恢复稳定通信，从而验证所提出系统具备面向真实水下动态环境的可行性。

10. 现场执行简表

固定发射端，确认连续发送已知序列。
确认双目相机左右目正常工作，自动参数关闭。
在 3m 水槽中设置实验环境并记录标签。
先做固定参数基线实验，完成 3 次重复。
再分别执行三种自适应算法实验。
每轮保存双目图像、参数、亮度和 BER。
在收敛后施加扰动，记录恢复过程。
实验结束后立即检查日志、图像和 CSV 是否完整。