近海岸水下快速光通信实验研究
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• 2011年，美国的Jim A. Simpson等，用激光器和LED分别 在3.66m的水槽中实现了传输速率为Mbps的数据传输；
• 2013年，美国的Brandon Cochenour等，提出了一种新的 高灵敏，高动态范围用于测量频率响应范围的方法，并在 在7.62m长的水槽中实现了1GHz信号传输。
不同海水水体的漫衰减系数
水
波长(λ)
型
350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700
I 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01 0.02 0.05 0.06 0.09 0.24 0.31 0.35 0.43 0.65 10 02 17 85 76 84 80 04 40 31 08 74 59 72 13
• 2011年，上海光机所在中船702水池（漫衰减系数约为 0.06m-1）中试验，采用高亮度蓝绿激光器为光源，PPM调 制方式，接收端使用高灵敏蓝绿光电倍增管，实现传输速 率为10Kbps，距离为125米，误码率低于10-5的数据通信；
• 2012年，南京理工大学的沈娜，郭倩等，对引起激光水下 衰减的因素进行研究，得出水中悬浮颗粒的散射效应是产 生误码的主要原因；
0.01~3mg/m3。
其它悬浮粒子散射系数曲线
2.海水信道的光学特性
• （1）海水信道通信链路模型
可见光在海水信道中传输，接收端接收到的光功率可 表示为：
Pr Pt exp K d
考虑到水下无线光通信系统中，接收天线有效面积、 光学系统及外界环境因素的影响（可包含在海水的衰减系 数中），可修改为：
水下光通信的最大优势是可提供超过Gbps 量级的数据传输率。然而也存在一些因素制 约水下光通信的性能:(1)水对光信号的吸收 作用明显;(2)光的传输过程实质上是光子的 远动过程,当水中杂质过多时,水中的悬浮粒 子和浮游生物会使光产生严重的散射现象;(3) 水中的环境光和发光生物体会对光信号的干 扰。与多款商用的大气激光通信机,以及空 间轨道通信系统相比,到目前为止,还没
可见光波段海水中各物质成分的衰减系数
物质成分 水
吸收系数(α) 与光波波长有关
散射系数(β) 瑞利散射
无机盐
可以忽略
主要由梯度引起很小角度散 射（可不考虑）
黄色物质
随波长指数衰减（单调递 减），短波时急剧增大
可以忽略
浮游植物 与波长和叶绿素浓度有关
（叶绿素）
（可变性较大）
与波长成反比，和叶绿素浓 度成正比
近海岸水下快速光通信实 验研究
水下无线通信有三大类： 水下电磁波通信 水声通信 水下光通信
声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离的水 下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下 传感器网络当中主要的水下无线通信方式。
1. 声能量的传播损失 2. 环境噪声 3. 多径效应 4. 起伏效应
2.海水信道的光学特性
海水的光学特性:
光的水下衰减： I I0e-cL
吸收：
a() aw a ag ad
散射：
b bw b bd
2.海水信道的光学特性
海水中的主要成分有水、无机盐、黄色物质、浮游植 物与其它悬浮粒子。
• 2013年，清华大学的董宇涵及其学生，建立了一种新的水 下理论模型分析外界环境对水下通信的影响。
水下光通信与水质密切相关，水体的吸收系数和散射系数决定了水下
最长的通信距离和最高通信速率。上海光机所设计了一套水下高速通信系 统，在优于 II 类水质下可以较好应用，特别适合于深海 I 类水体，可以获 得更好的通信性能。该水下光通信系统发送端采用高重频、窄脉冲高亮度 蓝 绿激光器作为信源光，利用 256PPM 脉冲位置调制方式，结合 RS 纠错编 码；接收端采用高灵敏度蓝绿增强型光电倍增管进行光电转换，结合高速 数据采集模块，进行 20 M 采样速率的实时数字信号处理，可对接收到的 微弱信号解调解码。2011 年，在中船 702 大型水池开展了模拟试验，实际 传输距离125 m，通信速率达 10 kbps，误码率低于 10‐5。该水下光通信 系统可以应用于水下传感器组网监测等各种应用场合，具有广阔的应用前 景。
黄色物质的吸收系数：
ag
ag
eSg 440 0
0 440nm
黄色物质吸收系数曲线
ag 0 指在参考波长时的吸收系数，当 0 440nm 时，取 ag 440 0.243 ，Sg 0.014 / nm
2.海水信道的光学特性
• （3）浮游植物的衰减特性
• （4）其它悬浮粒子的衰减特性
其它悬浮颗粒指海水中直径在2mm以下的 固体颗粒，粉砂、粘土、微生物及有机物等。
• ①吸收
吸收系数与浓度无关。 其吸收系数可表示为：
ad ad 440 eSd 440
ad 440 指在参考波长440nm时 的吸收系取：ad 440 0.198 ，
cI 0.33 0.28 0.25 0.23 0.20 0.17 0.14 0.14 0.14 0.15 0.30 0.39 0.45 0.52 0.68 45 39 16 74 48 00 86 61 15 96 57 22 25 57 96
2.海水信道的光学特性
(1)各类大洋水体接收功率与传输距离曲线 Pr Pt t r exp K d
II 0.13 0.10 0.08 0.08 0.07 0.06 0.06 0.07 0.08 0.11 0.25 0.33 0.38 0.46 0.66 25 31 78 14 14 20 27 79 63 22 95 89 37 26 32
III 0.23 0.19 0.16 0.15 0.13 0.11 0.10 0.11 0.11 0.13 0.28 0.36 0.41 0.49 0.67 35 35 97 94 81 60 56 20 39 59 26 55 81 42 60
水下AUV Jim A. Simpson的发射系统组合板
1.国内外研究进展
1.2国内研究现状
• 2009年，中国海洋大学的隋美红等，对基于LED的水下光 通信系统的海水信道进行模拟仿真，并分析了水下几种调 制方式的优缺点；
• 2010年，桂林电子科技大学的邹家轩和敖发良，对PPM调 制分析研究，实现了一种新的帧同步解决方案；
• 2008年，美国的Linda Mullen等人，实现了水下机器人 （AUV）的通信，并深入分析了水体散射特性对对光通信 时域与空间域特性的影响；
• 2009年，意大利的Davide Anguita等人，利用硬件编程在 光学物理层实现了IEEE 802.11与IEEE 802.15.4标准的兼 容，并用5ms的光脉冲实现了100Kbps的数据传输；
浮游植物主要指海水中的叶绿素，其对可见光的
吸收作用，主要源自于其自身光合作用所需的色素；
其对可见光的散射作用属于米氏散射，散射系数可表
示为：b
550
*
0.3*
Chl
0.6（2 Chl取值0.05，0.5，1.0和5.0）
浮游植物吸收系数曲线
浮游植物散射系数曲线
2.海水信道的光学特性
Pr Pt t r exp K d 设发射端光学系统的透射率为t 0.8 ，接收端光学系 统的透射率为r 0.7452 ，有效接收天线面积与接收端光斑 面积比 A / S 1 。
2.海水信道的光学特性
Jerlov对海水表面以下10m之内水体的光学特 性分析，将海水分为大洋水(3类)和沿岸水(9类)。
Sd 的取值：0.009~0.011nm-1。
其它悬浮粒子吸收系数曲线
2.海水信道的光学特性
• ②散射
其它悬浮粒子的散射系
数可表示为：
ຫໍສະໝຸດ Baidubd
550
*
bd
550
bd 550 指参考波长为550nm时
的散射系数，取bd 550 0.125D ，
为海水中其它悬浮粒子浓
度(mg/m3)，D其取值范围为：
通信的可行性和获得了系统的总体性能指标参数。证实 了,蓝绿激光能够通过云层和海洋被水下的接收器接收,机
载蓝绿激光系统适应全天候各种气象条件和海况下对潜 通信。
主要内容
• 国内外研究进展 • 海水信道的光学特性 • 无线光通信的调制技术 • 水下无线光通信系统设计 • 实验研究与性能分析 • 总结与展望
1) 通信容量大 2) 保密性强 3) 结构轻便，设备经
水下激光通信优点
1.国内外研究进展
1.1国外研究现状
• 前苏联于1983年在黑海舰队的塞瓦斯托波尔基地 附近实现了把蓝绿激光发射到空间卫星反射镜上， 经反射转发于水下核潜艇的数据通信；
• 1978到1991年美国耗资1.8亿元进行了6次以上对潜 实验，并实现了在2.8km高空与水下潜艇的高数据 通信；
制约因素： （1）水对光信号的吸收很严重； （2）水中的悬浮粒子和浮游生物使光产生严重的散射作用； （3）水中的环境光对光信号的干扰。
1981年美国在圣地亚哥海域从一万米高空的飞机 上与水下潜伏深度大300米的“海脉”号潜艇进行了激光 通信实验[1气1985年在加利福尼亚,利用在卫星上的激光 器与潜艇进行了激光通信实验,深度达到了 250米,潜艇的 速度为30节,通信带宽为kbps级别。目前美国拥有一套成 熟的蓝绿激光对潜通信系统,并通过前期实验验证了激光
3.无线光通信的调制技术
水下无线光通信系统有两种调制方法：
（1）强度调制/直接检测系统 (a)开关键控（OOK）调制; (b)单脉冲位置调制（LPPM）; (c)脉冲间隔调制(DPIM)。
• 2005到2007年美国北卡罗来纳州大学的研究小组，经 过多次水箱实验，研制了LD/PIN和LED/APD两套实验样 机，实现了传输速率为1Mbps，距离为5m的光通信链接； 并于2012年提出了一种新的智能水下光通信系统
美国北卡罗来纳州立大学蓝绿光LED、5m、1Mbps的实验样机
1.国内外研究进展
IA 0.06 0.04 0.03 0.02 0.02 0.02 0.03 0.05 0.06 0.09 0.24 0.32 0.36 0.44 0.65 32 12 16 80 57 50 32 45 74 60 37 06 01 10 30
IB 0.07 0.05 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.05 0.07 0.09 0.24 0.32 0.36 0.44 0.65 82 46 38 95 55 30 96 96 15 59 71 45 52 57 50
其它悬浮 与黄色物质相似，吸收系数
粒子
较小，短波处稍有增加
与水质和光波波长相关
2.海水信道的光学特性
• （1）纯海水的衰减特性 纯海水指由纯水与溶解3.5%无机盐组成。
纯海水吸收系数曲线
纯海水散射系数曲线
2.海水信道的光学特性
• （2）黄色物质的衰减特性
黄色物质的来源主要有两 种：分别是来源于江河与海水 中的动、植物有机体降解的结 果（吸收系数与浓度无关）。
(IA类)
(II类)
(III类)
(CI类)
2.海水信道的光学特性
(2)分析：
<1>大的发射功率可提高光束的传输距离。 <2>对于整个海洋水体在400~575nm的蓝绿光波段， 海水的漫衰减系数较小，即我们所熟知的“海水 透射窗口”。 <3>在清澈的I，IA,和IB类海水水体中，蓝紫光波 段漫衰减系数较小，传输距离最远；在一般的II， III类海洋水体中，蓝绿光衰减系数较小，传输距 离最远；对于沿岸海水水体黄绿光衰减系数较小， 传输距离最远。
水下无线光通信和低频通信的性能比较 性能 水下无线光通信 水下声通信 数据 传输率 目前最新报道 1Gbps 理论值大于 100Gbps 几波特每秒到几千波特每 秒 通信距离 近百米 数百米到数千米 保密性 距离较短，发散角小， 不易被监听 距离大，全角度发散， 易被监听 抗干扰性 不受电磁波和核辐射干 扰 易受电磁波和核辐射干扰 便携性 LD,LED 体积很小，外径 不到 1cm，重量轻 需要巨大的发射和接收天 线 体积 很小 较大 能耗 很小 较大
• 2013年，美国的Brandon Cochenour等，提出了一种新的 高灵敏，高动态范围用于测量频率响应范围的方法，并在 在7.62m长的水槽中实现了1GHz信号传输。
不同海水水体的漫衰减系数
水
波长(λ)
型
350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700
I 0.05 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01 0.02 0.05 0.06 0.09 0.24 0.31 0.35 0.43 0.65 10 02 17 85 76 84 80 04 40 31 08 74 59 72 13
• 2011年，上海光机所在中船702水池（漫衰减系数约为 0.06m-1）中试验，采用高亮度蓝绿激光器为光源，PPM调 制方式，接收端使用高灵敏蓝绿光电倍增管，实现传输速 率为10Kbps，距离为125米，误码率低于10-5的数据通信；
• 2012年，南京理工大学的沈娜，郭倩等，对引起激光水下 衰减的因素进行研究，得出水中悬浮颗粒的散射效应是产 生误码的主要原因；
0.01~3mg/m3。
其它悬浮粒子散射系数曲线
2.海水信道的光学特性
• （1）海水信道通信链路模型
可见光在海水信道中传输，接收端接收到的光功率可 表示为：
Pr Pt exp K d
考虑到水下无线光通信系统中，接收天线有效面积、 光学系统及外界环境因素的影响（可包含在海水的衰减系 数中），可修改为：
水下光通信的最大优势是可提供超过Gbps 量级的数据传输率。然而也存在一些因素制 约水下光通信的性能:(1)水对光信号的吸收 作用明显;(2)光的传输过程实质上是光子的 远动过程,当水中杂质过多时,水中的悬浮粒 子和浮游生物会使光产生严重的散射现象;(3) 水中的环境光和发光生物体会对光信号的干 扰。与多款商用的大气激光通信机,以及空 间轨道通信系统相比,到目前为止,还没
可见光波段海水中各物质成分的衰减系数
物质成分 水
吸收系数(α) 与光波波长有关
散射系数(β) 瑞利散射
无机盐
可以忽略
主要由梯度引起很小角度散 射（可不考虑）
黄色物质
随波长指数衰减（单调递 减），短波时急剧增大
可以忽略
浮游植物 与波长和叶绿素浓度有关
（叶绿素）
（可变性较大）
与波长成反比，和叶绿素浓 度成正比
近海岸水下快速光通信实 验研究
水下无线通信有三大类： 水下电磁波通信 水声通信 水下光通信
声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离的水 下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下 传感器网络当中主要的水下无线通信方式。
1. 声能量的传播损失 2. 环境噪声 3. 多径效应 4. 起伏效应
2.海水信道的光学特性
海水的光学特性:
光的水下衰减： I I0e-cL
吸收：
a() aw a ag ad
散射：
b bw b bd
2.海水信道的光学特性
海水中的主要成分有水、无机盐、黄色物质、浮游植 物与其它悬浮粒子。
• 2013年，清华大学的董宇涵及其学生，建立了一种新的水 下理论模型分析外界环境对水下通信的影响。
水下光通信与水质密切相关，水体的吸收系数和散射系数决定了水下
最长的通信距离和最高通信速率。上海光机所设计了一套水下高速通信系 统，在优于 II 类水质下可以较好应用，特别适合于深海 I 类水体，可以获 得更好的通信性能。该水下光通信系统发送端采用高重频、窄脉冲高亮度 蓝 绿激光器作为信源光，利用 256PPM 脉冲位置调制方式，结合 RS 纠错编 码；接收端采用高灵敏度蓝绿增强型光电倍增管进行光电转换，结合高速 数据采集模块，进行 20 M 采样速率的实时数字信号处理，可对接收到的 微弱信号解调解码。2011 年，在中船 702 大型水池开展了模拟试验，实际 传输距离125 m，通信速率达 10 kbps，误码率低于 10‐5。该水下光通信 系统可以应用于水下传感器组网监测等各种应用场合，具有广阔的应用前 景。
黄色物质的吸收系数：
ag
ag
eSg 440 0
0 440nm
黄色物质吸收系数曲线
ag 0 指在参考波长时的吸收系数，当 0 440nm 时，取 ag 440 0.243 ，Sg 0.014 / nm
2.海水信道的光学特性
• （3）浮游植物的衰减特性
• （4）其它悬浮粒子的衰减特性
其它悬浮颗粒指海水中直径在2mm以下的 固体颗粒，粉砂、粘土、微生物及有机物等。
• ①吸收
吸收系数与浓度无关。 其吸收系数可表示为：
ad ad 440 eSd 440
ad 440 指在参考波长440nm时 的吸收系取：ad 440 0.198 ，
cI 0.33 0.28 0.25 0.23 0.20 0.17 0.14 0.14 0.14 0.15 0.30 0.39 0.45 0.52 0.68 45 39 16 74 48 00 86 61 15 96 57 22 25 57 96
2.海水信道的光学特性
(1)各类大洋水体接收功率与传输距离曲线 Pr Pt t r exp K d
II 0.13 0.10 0.08 0.08 0.07 0.06 0.06 0.07 0.08 0.11 0.25 0.33 0.38 0.46 0.66 25 31 78 14 14 20 27 79 63 22 95 89 37 26 32
III 0.23 0.19 0.16 0.15 0.13 0.11 0.10 0.11 0.11 0.13 0.28 0.36 0.41 0.49 0.67 35 35 97 94 81 60 56 20 39 59 26 55 81 42 60
水下AUV Jim A. Simpson的发射系统组合板
1.国内外研究进展
1.2国内研究现状
• 2009年，中国海洋大学的隋美红等，对基于LED的水下光 通信系统的海水信道进行模拟仿真，并分析了水下几种调 制方式的优缺点；
• 2010年，桂林电子科技大学的邹家轩和敖发良，对PPM调 制分析研究，实现了一种新的帧同步解决方案；
• 2008年，美国的Linda Mullen等人，实现了水下机器人 （AUV）的通信，并深入分析了水体散射特性对对光通信 时域与空间域特性的影响；
• 2009年，意大利的Davide Anguita等人，利用硬件编程在 光学物理层实现了IEEE 802.11与IEEE 802.15.4标准的兼 容，并用5ms的光脉冲实现了100Kbps的数据传输；
浮游植物主要指海水中的叶绿素，其对可见光的
吸收作用，主要源自于其自身光合作用所需的色素；
其对可见光的散射作用属于米氏散射，散射系数可表
示为：b
550
*
0.3*
Chl
0.6（2 Chl取值0.05，0.5，1.0和5.0）
浮游植物吸收系数曲线
浮游植物散射系数曲线
2.海水信道的光学特性
Pr Pt t r exp K d 设发射端光学系统的透射率为t 0.8 ，接收端光学系 统的透射率为r 0.7452 ，有效接收天线面积与接收端光斑 面积比 A / S 1 。
2.海水信道的光学特性
Jerlov对海水表面以下10m之内水体的光学特 性分析，将海水分为大洋水(3类)和沿岸水(9类)。
Sd 的取值：0.009~0.011nm-1。
其它悬浮粒子吸收系数曲线
2.海水信道的光学特性
• ②散射
其它悬浮粒子的散射系
数可表示为：
ຫໍສະໝຸດ Baidubd
550
*
bd
550
bd 550 指参考波长为550nm时
的散射系数，取bd 550 0.125D ，
为海水中其它悬浮粒子浓
度(mg/m3)，D其取值范围为：
通信的可行性和获得了系统的总体性能指标参数。证实 了,蓝绿激光能够通过云层和海洋被水下的接收器接收,机
载蓝绿激光系统适应全天候各种气象条件和海况下对潜 通信。
主要内容
• 国内外研究进展 • 海水信道的光学特性 • 无线光通信的调制技术 • 水下无线光通信系统设计 • 实验研究与性能分析 • 总结与展望
1) 通信容量大 2) 保密性强 3) 结构轻便，设备经
水下激光通信优点
1.国内外研究进展
1.1国外研究现状
• 前苏联于1983年在黑海舰队的塞瓦斯托波尔基地 附近实现了把蓝绿激光发射到空间卫星反射镜上， 经反射转发于水下核潜艇的数据通信；
• 1978到1991年美国耗资1.8亿元进行了6次以上对潜 实验，并实现了在2.8km高空与水下潜艇的高数据 通信；
制约因素： （1）水对光信号的吸收很严重； （2）水中的悬浮粒子和浮游生物使光产生严重的散射作用； （3）水中的环境光对光信号的干扰。
1981年美国在圣地亚哥海域从一万米高空的飞机 上与水下潜伏深度大300米的“海脉”号潜艇进行了激光 通信实验[1气1985年在加利福尼亚,利用在卫星上的激光 器与潜艇进行了激光通信实验,深度达到了 250米,潜艇的 速度为30节,通信带宽为kbps级别。目前美国拥有一套成 熟的蓝绿激光对潜通信系统,并通过前期实验验证了激光
3.无线光通信的调制技术
水下无线光通信系统有两种调制方法：
（1）强度调制/直接检测系统 (a)开关键控（OOK）调制; (b)单脉冲位置调制（LPPM）; (c)脉冲间隔调制(DPIM)。
• 2005到2007年美国北卡罗来纳州大学的研究小组，经 过多次水箱实验，研制了LD/PIN和LED/APD两套实验样 机，实现了传输速率为1Mbps，距离为5m的光通信链接； 并于2012年提出了一种新的智能水下光通信系统
美国北卡罗来纳州立大学蓝绿光LED、5m、1Mbps的实验样机
1.国内外研究进展
IA 0.06 0.04 0.03 0.02 0.02 0.02 0.03 0.05 0.06 0.09 0.24 0.32 0.36 0.44 0.65 32 12 16 80 57 50 32 45 74 60 37 06 01 10 30
IB 0.07 0.05 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.05 0.07 0.09 0.24 0.32 0.36 0.44 0.65 82 46 38 95 55 30 96 96 15 59 71 45 52 57 50
其它悬浮 与黄色物质相似，吸收系数
粒子
较小，短波处稍有增加
与水质和光波波长相关
2.海水信道的光学特性
• （1）纯海水的衰减特性 纯海水指由纯水与溶解3.5%无机盐组成。
纯海水吸收系数曲线
纯海水散射系数曲线
2.海水信道的光学特性
• （2）黄色物质的衰减特性
黄色物质的来源主要有两 种：分别是来源于江河与海水 中的动、植物有机体降解的结 果（吸收系数与浓度无关）。
(IA类)
(II类)
(III类)
(CI类)
2.海水信道的光学特性
(2)分析：
<1>大的发射功率可提高光束的传输距离。 <2>对于整个海洋水体在400~575nm的蓝绿光波段， 海水的漫衰减系数较小，即我们所熟知的“海水 透射窗口”。 <3>在清澈的I，IA,和IB类海水水体中，蓝紫光波 段漫衰减系数较小，传输距离最远；在一般的II， III类海洋水体中，蓝绿光衰减系数较小，传输距 离最远；对于沿岸海水水体黄绿光衰减系数较小， 传输距离最远。
水下无线光通信和低频通信的性能比较 性能 水下无线光通信 水下声通信 数据 传输率 目前最新报道 1Gbps 理论值大于 100Gbps 几波特每秒到几千波特每 秒 通信距离 近百米 数百米到数千米 保密性 距离较短，发散角小， 不易被监听 距离大，全角度发散， 易被监听 抗干扰性 不受电磁波和核辐射干 扰 易受电磁波和核辐射干扰 便携性 LD,LED 体积很小，外径 不到 1cm，重量轻 需要巨大的发射和接收天 线 体积 很小 较大 能耗 很小 较大