水下光通信-综述

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1、水下光通信综述一、水下光通信的国内外研究现状光通信来源最早可追溯到 19 世纪 70 年代,当时 Alexander Graham Bell 提出采用可见光为媒介进行通信,但是当时既不能产生一种有用的光载波,也不能将光从一种地方传到此外一种地方。因此直到 1960 年激光器的发明,光通信才有了突破性的发展，但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域。由于海水对光的强吸取特性，水下光通信技术始终没有得到注重。直到 1963 年,Dimtley 等人在研究光波在海洋中的传播特性时, 发现海水在 450- 550 纳米波段内蓝绿光的衰减比其他光波段的衰减要小诸多, 证明在海洋中亦存在一种类

2、似于大气中存在的透光窗口。这一物理现象的发现为解决长期水下目的探测、通信等难题提供了基本。水下光学通信技术研究前期重要集中在军事领域，长期以来始终是水下潜艇通信中的核心技术。美国海军从 1977 年提出卫星与潜艇间通信的可行性后, 就与美国国防研究远景规划局开始执行联合战略激光通信筹划。从 1980 年起, 以几乎每两年一次的频率, 进行了迄今为止共 6 次海上大型蓝绿激光对潜通信实验, 这些实验涉及成功进行的 12 千米高空对水下 300 米深海的潜艇的单工激光通信实验, 以及在更高的天空、长续航时间的模拟无人驾驶飞机与以正常下潜深度和航速航行的潜艇间的双工激光通信可行性实验, 证明了蓝绿激

3、光通信能在天气不正常、大暴雨、海水浑浊等恶劣条件下正常进行。1983 年终, 前苏联在黑海舰队的重要基地塞瓦斯托波尔附近也进行了把蓝色激光束发送到空间轨道反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信实验。澳大利亚国立大学信息科学与工程研究学院的研究小组开发了一种低成本、小体积、构造简朴的光学通信系统，选用 Luxeon LED 的蓝（460nm）、青（490nm）、绿(520nm)光，接受器电路采用对蓝青绿三种光敏捷度很高的 SLD70BG2A 光电二极管，这套系统在兼顾速度与稳定性的同步，通讯速率可达57.6kbps，由于采用红外无线通信合同，其水下传播速率和传播距离受到极大限制。美国伍兹霍尔海洋

4、研究所研究小组研制了一套基于发光二极管（LED）低功耗深海水下光学通信样机，采用键控调制技术（OOK）实现了 10Mbps 的通信速率。由于是针对深海领域，没有考虑了水下光学信道中的散射影响，其成果存在一定的片面性。日本 Keio 大学研究小组开展了基于可见光 LED 的水下光学无线通信研究，采用米氏散射理论进行悬浮颗粒对信道影响的分析，其仿真成果表白，水下光学信道的传播特性与波长和海水浊度有关。美国海军航空系统司令部的研究小组探讨了海水散射影响对 PSK 调制的水下光学无线通信在 10-100Mbps 通信速率的影响，结合实验室内模拟实验进行分析，实验成果表白海水的混浊度对信道调制带宽和相位

5、具有重要影响。但是对实际环境下海水散射对编码调制技术的影响机制缺少全面的结识。近年来，Hanson 和 Radic 采用 Monte Carlo 措施进行水下光波传播仿真，验证了传播速率为 1Gbps 的水下光学通信的可行性。由于多种因素，国内所开展的水下光学通信技术研究有限，在水下光学信道的光学特性研究方面基本较为单薄。谈新权和陈锐（）采用经验估算公式进行了激光对潜通信的带宽展宽影响，对光学信道采用了 Storts(1978)提出的经验估算公式进行了云层平均多径展宽对 PPM 的影响的探讨，正如作者指出的其无法给出精确的预测，要获得对脉冲影响的精确限度，需要通过现场实验的进一步验证。何宁等（

6、）将水质划分为 3 类水质，根据经验数据对水下光学信道的接受能量进行了评估，证明在 I 类海区实现 100 米以上深度通信是也许的。王敏和刘维华（）运用经验公式结合模拟实验对海水信道的光脉冲信号的时间扩展进行了研究，其成果表白海水信道极为复杂，不能从一种环境的成果来预测另一种环境的光传播特性。二、研究水下光通信的重要性 海洋占地球表面积的70%以上，海洋中不仅蕴藏着丰富的资源，并且对全球气候变化、人类经济以及社会发展均有着重大影响。譬如，全球温室效应、地球上的生命来源、新资源、新能源、新生物基因、人类生存环境和社会的可持续发展等。尽管人类从远古时期就开始了对海洋的摸索活动，但是迄今为止，人类对

7、大部分海域的理解都非常有限，许多海域仍然处在未知状态。因此，发展先进的海洋探测高技术对人类理解、运用和开发海洋具有重要的意义。近十年来，新兴的水下无线传感器网络技术为获取持续、系统、高时空辨别率、大时空尺度的海洋要素观测资料提供一种全新的技术手段。水下无线传感器网络由多种低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器节点构成，这些传感器节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息解决的能力，将多种此类传感器节点布置在一种特定的区域内，可形成无线传感器网络,它们通过特定的合同，高效、稳定、精确的进行自组织，并通过各传感器节点协作进行实时测量、感知和采集多种海洋要素的信息，运用无线通信技术将观测信息实

8、时传播。因此，通过在感爱好的海域布设大量便宜无线传感器节点可以获取海洋环境时空变化观测资料，实现大范畴的观测区域高覆盖面的监测，为实现多点化、立体化、长时序、网络化、实时化、大空间尺度的海洋环境监测提供技术支撑。在海洋军事活动中，为保障信息传播过程中不受干扰和不被截听，运用AUV（Autonomous Underwater Vehicle）进行指挥舰与潜艇，潜艇与潜艇之间的通信联系；在港口安全保障过程中，在AUV上搭载声学或光学监测传感器进行港口及水下设备的检测和目的的跟踪，并及时通过无线通信技术将信息传播到信息中心。总之，对于水下的通信技术的规定已经是越来越高，我们需要找到一种高效的水下通信

9、技术可以实现多种固定端点的信息传播和多种移动端点的信息传播。三、水下光通信的发展背景发展背景：在水中传播的多种波中，以纵波(声波)的衰减最小，因而声纳技术和水声信息传播技术被广泛采用和关注。对电磁波这种横波而言，由于海水是良导体，趋肤效应将严重影响电磁波在海水中的传播，以致在陆地上广为应用的无线电波在水下几乎无法应用。电磁波在有电阻的导体中的穿透深度与其波长直接有关，短波穿透深度小，而长波的穿透深度要大某些，因此，长期以来，超大功率的长波通信成为了对潜通信的重要形式。但是，虽然是超长波通信系统，穿透海水的深度也极其有限(最深仅达80m)，并且超低频系统耗资大，数据率极低，易遭受敌方直接袭击或核

10、爆炸电磁脉冲的破坏，难以得到好的效果目前，水下无线通信广泛使用的是声学通信技术，水声通信技术具有通信距离远、通信可靠性高等长处，声学通信技术在浅海和深海的水下无线通信领域中得到了广泛的应用。四、水下光通信的优势光学通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可合用的载波频率低、传播的时延大等缺陷。由于，（1）是由于光波频率高，其信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路。（2）是光波在水介质的传播速率可达千兆，使得水下大信息容量数据的迅速传播成为也许；（3）是光学通信具有抗电磁干扰能力强，不受海水温度和盐度影响等特点；（4）是波束具有较好的方向性，如想拦截，就需要用另一部接受机在视距内

11、对准发射机，导致通信链路中断，顾客会及时发现通信链路中断事故。（5）是随着半导体光源核心技术不断突破，体积小，价格低、效率高的可见光谱光电器件充足。并且由于光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少重量。五、水下光通信存在的问题海水是一种复杂的物理、化学、生物组合系统，它具有溶解物质、悬浮体和诸多多种各样的活性有机体。由于海水中的物质和悬浮体的不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸取和散射作用而产生衰减。光波的水下传播特性是制约水下光学无线通信质量的重要因素之一，它对整个水下光学无线通信系统设计方案的拟定产生着重要影响。由于不同的海域、不同的水深、不同季节的海水衰减特性各有不同，但是一套高效可

12、行的海水信道分析措施是实现水下光学通信链路的核心技术尚有待建立。海水的光学特性与它的组分有关，可简要地分为三个方面，水介质，溶解物质和悬浮物。溶解物质和悬浮体的成分种类繁多，重要涉及无机盐，溶解的有机化合物，活性海洋浮游动植物，细菌，碎屑和矿物质颗粒等，光束在海水中的传播远比在大气中的传播所受影响复杂得多，很难用单一的数学模型对多种海域的水质影响进行模拟。根据前人对海水光特性的研究，光波在水下传播所受到的影响可以归纳为如下三个方面（1）光损耗：忽视海水扰动和热晕效应，光在海水中的衰减重要来自吸取和散射影响，一般以海水分子吸取系数、海水浮游植物吸取系数、海水悬浮粒子的吸取系数、海水分子散射系数和

13、悬浮微粒散射系数等方式体现。（2）光束扩散：经光源发出的光束在传播过程中会在垂直方向上产生横向扩展，其扩散直径与水质、波长、传播距离和水下发散角等因素有关。（3）多径散射：光在海水中传播时，会遇到许多粒子发生散射而重新定向，因此非散射部分的直射光将变得越来越少。海水中传播的光被散射粒子散射而偏离光轴，通过二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新进入光轴，形成多次散射。多次散射效应是随着粒子的浓度和辐照体积的大小而变化的，由于多次散射的复杂性，很难通过度析措施得到扩散与水质参数及水下深度间精确的数学关系式，并且受到实验条件和实验经费的限制，不也许对每一种水质、每一种水下深度都进行实验，并且有些特

14、性还很难甚至无法用实验的措施测量。以上问题最直接后果就是激光通信误码率较高误码率达到一定限度时会导致通信失败。为了保证通信成功，一般采用两个措施来解决这个问题，一是增长信噪比，即增大发射功率、减少接受设备自身的噪声、选择好的调制制度和解调措施、加强天线的方向性等措施；另一种采用信道编码，即增长差错控制功能来解决这些问题。而第一种措施提高信息传播可靠性的代价较大，费用高，只能将传播差错减小到一定限度。而随着编码理论和高速数字解决硬件技术的发展，编码解决硬件成本越来越低，使得纠错技术在实际的数字通信中逐渐得到广泛的应用。参照文献：1林伟.远程水声通信技术研究：西北工业大学研究生论文.西安：西北工业大学，2樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理.国防工业出版社3许克平，许天增，许茹等. 基于水声的水下无线通信研究. 厦门大学学报，