水下光通信技术的研究现状及应用前景

科技文献综述竞赛

论文题目：水下光通信技术的研究现状及应

用前景

姓名：张嘉敏，汤窈颖，谢露，吴琼

专业：电子科学与技术

指导教师：王石语

水下光通信技术的研究现状及应用前景

摘要：为了解、利用和开发海洋、湖泊等未知水领域，本文研究了水下光通信的两种方式及其应用前景，即水下光纤通信和水下激光通信。水下光纤通信具有通信容量大、中继距离长、不受电磁干扰、资源丰富、光纤重量轻、体积小等特点。而水下激光通信具有容量大，保密性好，传输速度快等优点，但是又由于其在水下传输时受到了水下诸多条件的影响，水下激光通信现在还只是在试验阶段，并未走出实验室而进行实际应用。

关键词：光通信；水下光纤通信；水下激光通信

一、简介水下通信

水下通信，主要指在淡水、海水中的通信。像陆地上的通信一样，水下通信，也可分为有线通信和无线通信。

水下有线通信可以通过铺设海底光缆、海底电缆的手段实现。由于电磁波在水中有很大的衰减，所以陆地上广泛使用的电磁波无线通信，在水中很难实现。现在，水下无线通信主要利用声波、特殊波长的光进行无线通信，分别称为水声通信、水下无线光通信。

目前，水声通信技术是实现水下目标间无线通信的最成熟的技术。但是，声波在水中的衰减和声波频率的平方成正比，当水声信号的频率为10MH在时，水声信号的衰减可以达到30dB/m，因此水声通信的频率低带宽小；另外，声波在水中传输速度慢，导致信号延迟大；海洋背景噪声大导致信噪比小。因此，水声通信无法满足当前传感器网络、水下探测中普遍采用的视频、音频等信号的实时传输的需求；另外，水声系统设备昂贵、体积大、功耗大，也无法满足水下通信系统对小体积、低功耗以及低成本的需求。

水下无线光通信，是指利用蓝绿波长的光进行的水下无线光通信。

二、研究水下光通信的重要性

海洋占地球表面积的70%以上，海洋中不但蕴藏着丰富的资源，而且对全球气候变化、人类经济以及社会发展都有着重大影响。譬如，全球温室效应、地球上的生命起源、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探索活动，但是迄今为止，人类对大部分海域的了解都非常有限，许多海域仍然处于未知状态。因此，发展先进的海洋探测高技术对人类了解、利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连续、系统、高时空分辨率、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个低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器节点组成，这些传感器节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息处理的能力，将多个此类传感器节点布置在一个特定的区域内，可形成无线传感器网络,它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各传感器节点协作进行实时测量、感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。因此，通过在感兴趣的海域布设大量廉价无线传感器节点可以获取海洋环境时空变化观测资料，实现大范围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，为保障信息传输过程中不受干扰和不被截听，利用AUV （Autonomous Underwater Vehicle）进行指挥舰与潜艇，潜艇与潜艇之间的通信联络；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标的跟踪，并及时通过无线通信技术将信息传输到信息中心。

总之，对于水下的通信技术的要求已经是越来越高，我们需要找到一种高效的水下通信技术能够实现多个固定端点的信息传输和多个移动端点的信息传输。

三、水下光通信的国内外研究现状

光通信起源最早可追溯到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个有用的光载波,也不能将光从一个地方传到另外一个地方。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收特性，水下光通信技术一直没有得到重视。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它光波段的衰减要小很多,证实在海洋中亦存在一个类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标探测、通信等难题提供了基础。

水下光学通信技术研究前期主要集中在军事领域，长期以来一直是水下潜艇通信中的关键技术。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计划。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试验,这些试验包括成功进行的12千米高空对水下300米深海的潜艇的单工激光通信试验,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试验,证实了蓝绿激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年底,前苏联在黑海舰队的主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试验。

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、结构简单的光学通信系统，选用LuxeonⅢLED的蓝（460nm）、青（490nm）、绿(520nm)光，接收器电路采用对蓝青绿三种光灵敏度很高的SLD—70BG2A光电二极管，这套系统在兼顾速度与稳定性的同时，通讯速率可达57.6kbps，由于采用红外无线通信协议，其水下传输速率和传输距离受到极大限制。

美国伍兹霍尔海洋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，其结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，其仿真结果表明，水下光学信道的传输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，结合实验室内模拟试验进行分析，试验结果表明海水的混浊度对信道调制带宽和相位具有重要影响。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乏全面的认识。

近年来，Hanson和Radic采用Monte Carlo方法进行水下光波传输仿真，验证了传输速率为1Gbps的水下光学通信的可行性。

由于各种原因，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础较为薄弱。谈新权和陈锐（2002）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