近海岸水下快速光通信实验研究
水下光通信技术的研究与应用
水下光通信技术的研究与应用近年来，随着科技的快速发展，人类对海洋领域的研究越来越深入，其中水下光通信技术无疑是一个热点话题。
水下通信是指在水下传递信息和信号的过程，它广泛用于海洋观测、海洋资源开发和资源调查等领域。
而光通信技术则是一种高速、节能且可靠的通信方式，是一种水下通信技术的重要发展方向。
本文将探讨水下光通信技术的研究与应用现状及未来展望。
一、水下光通信技术的研究现状目前，水下光通信技术被广泛运用于科研、商业以及军事领域。
在科研领域，水下光通信技术在海洋观测、环境监测等应用中发挥着重要的作用。
同时，水下光通信技术也被广泛应用于商业领域，比如水下设备的通信控制、海洋油气勘探等领域。
在军事领域，水下光通信技术同样发挥着重要的作用，比如水下潜艇通信、水下情报传递等。
因此，水下光通信技术在现代社会中具有极其广泛的应用前景。
不过，水下光通信技术的研究也存在一些挑战。
首先，水下光信号的弱化受到水下环境因素的影响，如海水杂质、氧化剂、热膨胀等，这些因素都会导致光信号的衰减。
其次，水下光通信受到信道噪声和多路径干扰的影响，难以保证其安全和可靠性。
此外，水下光通信的传输距离也受到限制，因为光在水中传输时其能量也会在水和大气之间发生转移。
二、水下光通信技术的应用现状近年来，随着科技的发展，水下光通信技术得到了广泛应用。
(一) 海底光缆海底光缆是一种应用最广泛的水下光通信技术。
海底光缆内部运用的是光纤通信技术。
海底光缆能够在斜率较大的海底中传输光信号，而且距离也更远。
目前，海底光缆已经成为联接世界各地的主要网络之一，而且运用渐渐扩展到了海洋石油勘探、环境监测、海底地震观测等领域。
(二) 水下无线光通信水下无线光通信是指利用水下光通信技术在水下传递数据和信息。
水下光通信短距离通信情况下，水下无线光通信更加适用。
水下无线光通信技术可以用于水下机器人控制、水下设备的通信控制等领域，这是水下光通信技术应用的另一大亮点。
水下激光通信技术及发展研究
• 89•目前水声技术是应用范围最为广泛且时间也是最长的水下无线通信技术。
但是随着发展的需求不断地提高，水声通信的短板也逐渐被揭示出来。
如传播延迟长、信号衰减大、多径效应严重、通信带宽有限等一些特性导致水声通信在水下通信网络设计面临巨大挑战。
在水下激光通信具带宽受环境影响小、可用载波频率高、传输时延小等特点，其具有水声通信所没有的优势。
水下激光通信采用450-570nm 的蓝绿光束，通过海水时不仅穿透能力强，而且方向性好。
水下激光通信传输速率高、实时性强，可以通过无线传输设备实时且高速传输给附近的移动接收设备。
水下激光通信拥有比水声通信更长的频带宽度、更大的通信容量，十分适合大数据传输，是未来水下通信的趋向。
因此水下激光通信是将来水下无线通信主要发展方向。
1 国内外发展自1980年，美国进行了多次海上大型蓝绿激光对潜通信试验，实验结果证明蓝绿激光能在极端天气及海水污浊等恶劣环境下可以进行常规通信。
澳大利亚2005年开始研发体积小成本低结构简单的蓝绿光学通信装置。
选用Luxeon ⅢLED460纳米的蓝光、490纳米的青光、520纳米的绿光，接收机方面选用了SLD-70BG2A 光电二极管，到2010年，在速度和稳定性兼顾的前提下，系统速率达57.6kbit/s 。
美国伍兹霍尔海洋研究所2009年研发利用键控调制技术（OOK ）在低功耗的蓝绿光发光二极管（LED ）的深海光学水下通信试样机器，最高可实现10Mbit/s 的通信传输速率。
但是该技术主要针对深海领域的水下通信，并没有考虑水下光学通信中环境对光学信号和信道的散射影响。
我国研究起步较晚，但也取得了几项重要成果。
中国海洋大学1998年和2009年采用半导体激光器在3m 和1.8m 的水箱中进行了不同水质不同频率的光传输实验，其传输数据率为9.6kbit/s 。
并对水下无线光通信系统的调制技术和差错控制技术进行了分析研究。
中国科学院沈阳自动化研究所研制了全向光通信模块，采用IrDA 协议。
水下环境数据传输技术研究
水下环境数据传输技术研究随着人类对深海和海洋的逐渐探索，水下环境数据传输技术越来越受到关注。
在深海勘探、海洋军事、水下探测等领域，海底数据传输成为了关键的技术支撑。
水下数据传输技术的发展过程早期的水下数据传输技术主要依赖声波传输，即利用声波在水中的传递进行信号传输。
但是由于声波在水中传播的速度较慢，传输距离有限，同时也受到海流、水温等因素的影响，因此在实际应用中存在一定的缺陷。
后来，随着光纤通信技术的发展，水下光纤通信也逐渐成为了一种可行的水下数据传输方式。
光纤通信技术的传输速度快、传输带宽大，且信号稳定，不受海流和水温的影响。
近年来，无线电波和激光通信技术在水下数据传输领域也得到了应用。
无线电波传输距离较远，但是容易受到海水中的电波干扰；激光通信传输速度快、信号稳定，但是传输距离较短。
水下数据传输技术的应用水下数据传输技术的应用范围较广，包括：深海勘探：石油、天然气等能源的开发需要对深海进行勘探，而深海环境中的数据传输技术具有关键的作用。
应用先进的水下数据传输技术，可以实现对深海中的数据进行收集、传输和处理，为整个勘探工作提供重要的技术支撑。
海洋军事：水下环境中的数据传输技术对海洋军事的作用至关重要。
水下声学通信和光学通信技术在海战、潜艇通信、海底声纳等方面均有应用。
水下探测：水下探测涉及到海底地质、水文、气象等方面的数据采集和传输。
通过先进的水下数据传输技术，可以获取更多的水下环境数据，为科学家提供更准确的研究资料。
水下环境数据传输技术的未来发展随着科技的不断发展和人类对深海的探索愈加深入，水下环境数据传输技术也将不断发展。
未来，水下数据传输技术在以下方面有望实现突破：水下可见光通信：可见光通信技术可以实现更高效、更精准的水下数据传输。
其应用范围包括潜水员通信、水下影像等方面。
水下物联网技术：通过在海水中布设传感器、监测仪器等设备，实现对海洋环境的监测和管控。
这一技术在深海环境中具有广泛应用前景。
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。
水下激光通信
海水的散射特性
海水的散射比大气的散射要复杂得多，海水的散射包括 水本身的瑞利散射和海水中悬浮粒子引起的米氏散射 及透明物质折射所引起的散射。 纯水的散射被当做是一种分子的散射，水分子的直径 比可见光波长小几百倍。而分子半径远小于入射光波长 的分子散射，可以用瑞利散射定律来描述。
瑞利散射（Rayleigh scattering）是由比光波波长还要小 的气体分子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反 比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气 爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突 出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地 表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段； 使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动， 当电磁波波长大于1微米时，瑞利散射可以忽略不计。
信道的香农极限（或称香农容量）指的是在会随机发生误码的信道上进 行无差错传输的最大传输速率。它的存在是香农定理在带宽有限的信道 上的一个结论。
由于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。但是水声通 信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因 素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信 技术的发展方向。 水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信 受环境的影响较大。克服环境的影响是将来水下光通信技术 的发展方向。
与水下声学通信技术相比，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、可适用的载波频率低、传输的时 延大等不足。 首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大 容量数据传输，目前可见光谱的水下通信实验可以达到传输千 兆(Gbps)量级的码率； 其次，光学通信具有抗干扰能力强，不易受海水温度和盐度变 化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性； 第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中 断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安 全保密性； 第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与 接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提 升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷 小型化、轻量化、低功耗的要求。
激光水下通信
1.激光对潜通信的作用及前景一．潜艇通信概述潜艇主要工作于水下30~400m，带有核弹头的导弹核潜艇可在海水300~400m深度活动几个月因此，发展核潜艇具有极重要的战略意义。
而潜艇航行深度及航速的快速发展．给通信带来巨大困难。
随着通信技术的发展，干扰机在定位、识别等领域取得了重大突破。
对潜艇来说，隐蔽性就是生命。
如采用传统的超短波无线电对潜通信，潜艇应浮至近水面伸出天线对外收发电文、极易暴露目标。
图1示出了无线电渡、红外、可见光和紫外、x射线在海水中的衰减曲线。
从图看出，频率低于1×103Hz的无线电超长波在海水中的衰减值小于ldB／m；频率约6×1014Hz的0．48mμ蓝绿激光波长在海水中的衰减值小于1×10-2。
dB／m。
困此，岸对潜通信具有两个“窗口”，即超长波无线电通信窗El和0．48v．m的蓝绿激光波长窗口两者相比，0．48v．m的蓝绿激光波长为对潜通信的最佳窗El，即激光通信“窗口”。
激光对潜通信不仅具有超长波通信的全部优点，还具有传输速率高、信息容量大、：抗电磁和核辐射干扰，方向性强、体积小、隐蔽性好等超长波无法与之比拟的优点，能实现最复杂的通信系统。
如地面通过卫星对潜实施激光通信，仅发射三颗卫星，先从地面用微波向卫星发送信息，再经卫星上的激光束向潜艇所在海域进行扫描传输信息，而不影响潜艇的战术机动，能对400m 以下深度、航运3O节以上的战略核潜艇实施全球海域的通信联网。
二、激光对潜通信的作用及前景不同波长的光波穿透水的能力不同，经测量表明，无论在海水或纯水中，水下μ的蓝绿可见光，称光波穿透海水的蓝绿光“窗传输的有效光波长范围0．47～0.54mμ。
口”，最佳波长为0．48m经测量，蓝绿光在海水中的穿透深度可达600m，这一特性与极低频120～180m 比较，在海军对潜通信中具有极大的吸引力。
美国海军一开始的基本设想和方案是：(1)先从地面将报文用微波送至卫星，再由卫星上的蓝绿激光发到潜艇所在海域；(2)由地面激光发射机以小于2O。
水下光通信技术的研究与展望
水下光通信技术的研究与展望随着通信技术的快速发展，第五代移动通信(5G)的商业模式大规模普及的同时也使为数不多的频谱带宽几乎消耗殆尽，6G技术的发展势必要寻求新的频谱途径。
5G信号因其自身技术的限制和频谱的不足难以满足空天海地一体化的新型全场景覆盖通信网络的需要，6G技术为了弥补这些不足，实现一体化的新型通信网络需要寻找新的无线通信方式来补充传统单一的无线通信模式。
可见光通信相较于现有的通信技术，其最大的优点是频谱无需授权，有着极大的使用自由度。
可见光通信拥有高频段的频谱(400-800THz),适用于高速通信技术，且其安全性和保密性有着独特的优势。
可见光通信没有传统电磁通信所带来的电磁污染和射频辐射，也不会受到电磁干扰。
这些优势使得可见光通信技术成为了近年来各国争相研究的对象。
本文将首先介绍光通信技术的发展，着重介绍水下可见光通信技术的发展以及可见光通信的应用场景与所面对的挑战。
然后基于现阶段的研究提出一种成熟的水下可见光通信系统。
一、传统水下通信方式简析随着人类通信技术的发展，距离空天海地一体化的全方位通信目标的实现也越来越近，但水下通信依旧是现在难以解决的难题。
在现有的通信网络中，应用于海洋、水下场景的智能装备主要使用射频信号、声波等无线技术，或使用有线网络进行通信。
团水下有线通信水下有线通信多用于2个大规模水上平台与平台之间，通过铺设水下光缆的方式进行通信，如连接各国的大规模水下光缆网络。
有线通信可以保证高速的数据传输，每秒可以传IOOGbit以上，但水下光缆本身的安全性很难得到很好的保障且被损坏后很难修补。
水下有线通信笨重，成本高，无法满足未来6G时代水下通信的需求。
团水下射频信号通信海水对射频信号有非常强的屏蔽作用，射频信号穿透海水的能力与频率直接相关，只有低频率的射频信号如甚低频(3~30kHz)才能在海水中进行有限的传播。
潜艇等水下设备通常使用超低频和甚低频进行有限的通信，通信速率只有300b∕s左右。
水下光通信技术发展现状
75技术交流2023.11·广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.11.016水下光通信技术发展现状［林木泉 杨少程］对目前水下光通信的研究现状进行阐述，主要对信道建模技术和信道调制技术进行了文献的综述，最后总结了水下光通信技术目前面临的难题，同时说明水下光通信的发展前景，以促使其不断改善，可以为相关研究者提供一定的参考，为后续系统设计和实验研究提供一定程度的帮助。
林木泉闽南理工学院自动化控制技术与信息处理福建省高校重点实验室，讲师，学士，研究生在读，研究方向为物联网无线通信、故障检测。
杨少程闽南理工学院电子与电气工程学院21级电子信息专业本科大三学生。
关键词：水下光通信 信道建模技术 信道调制技术摘要1 前言光通信技术发展可追溯至1880年，光电话由美国贝尔发明，但仅处于试验阶段。
当前光通信技术已被广泛应用于电信、互联网工控等诸多领域。
我国海岸线长度超过3万公里，对海洋资源的探索也随科技发展而逐步深入。
对海洋资源的开发，离不开通信技术的支持。
现在的水下通信方式还是主要依靠海缆完成，但无线通信方式相对线缆通信具备更多优势，一直是当前的研究热点，特别是水下光通信。
水下光通信(Underwater Wireless Optical Communication ， UWOC)作为一种新兴的水下无线通信方式，是以可见光信息为载体，通过对数字信号进行编码调制和解调，以水作为信道进行传输的通信方式。
由于其具备低延时、高带宽的特点，在海底资源探索及海洋环境监测等方面具备较广泛的应用前景，且具备高保密性的特点，在军事上也具备一定的发展潜力，现今成为水下信息传输领域的研究热点。
2 水下光通信系统模型和研究现状水下可见光通信的系统模型如图1所示，整体结构可分为3部分，发射部分、信道部分和接收部分。
发射部分主要实现信号的编码调制，要求光源效率高、编码抗干扰能力强。
该部分实现了电信号转光信号。
水下光通信数据传输技术研究
水下光通信数据传输技术研究随着人类对深海的探索越来越深入，对水下通信的需求也越来越高。
传统的水下通信系统采用声波进行传输，然而声波在水中的传播距离受到水温、水盐度等环境因素的影响，传输速度较慢，且易受到环境噪声干扰。
因此，水下光通信技术成为了当前水下通信领域的热点研究方向之一。
水下光通信传输系统主要由光源、光纤、探测器和调制解调器等组成。
水下光纤通信系统将光纤作为信号传输媒介，通过电信号调制光强度来实现信息传输，具有高速传输、抗干扰等优点。
但是，水下光通信技术面临的主要挑战是光信号在水中传输损耗较大，需要在水下光通信系统设计中克服这些挑战。
当前，水下光通信技术的研究主要集中在以下几个方面：一、水下光通信信号传输损耗问题水下的水体对光信号有较强的散射和吸收作用，导致光信号传输距离较短，信号衰减较大。
因此，在水下光通信系统中需要采用高功率的光源和低损耗的光纤来解决信号传输损耗问题。
二、水下光通信系统的封装和保护问题水下光通信系统需要耐水深、抗水压、防水等性能，因此在水下光通信系统的设计中需要考虑到系统的封装和保护。
三、水下光通信系统的干扰问题水下光通信系统易受到水下环境噪声的影响，因此在系统中需要采用合理的编码和调制技术来抑制干扰，提高信噪比。
四、水下光通信系统的定位问题在水下通信中，位置信息非常重要，因此水下光通信系统需要加入定位技术，实现对通信对象的精确定位。
总之，水下光通信技术是未来水下通信领域的研究重点之一，近年来取得了一系列重大的技术进展。
随着相关技术的不断突破和发展，水下光通信技术在未来的水下探测、海洋工程、军事防御等方面均具有广阔的应用前景和实际价值。
用于水下传感器网络的无线光通信研究概况
而这 些
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传 感 器 世 界 ２ １ ．３ ０１ ０
ｗｗｗ．ｅｎ ｏ ｗｏｒ ｃ ｓ ｓｒ ｌ ｏｍ．ｎ ｄ． ｃ
妻 ０≯●ｊ ０
０ 磐弧 ？
可对海底 的环 境参数 （ 如海 洋微 生物 、微 弱地震、地壳变形
等 ）进 行 长 期 观 察 ， 从 而研 究 整 个海 洋 从 海 底 到 海 面 的 环 境 变 化 ， 帮助 人 们更 好 地 保 护 海 洋 。 ２０ ０ ５年 ，澳 大 利 亚 国 防 部 资 助 的 研 究 项 目 采 用 可 见 光 Ｊ Ｌ Ｄ 实现 了 ２ 内 ５ｋ ｐ 的 无 误 码 数 据 通 信 。 Ｗｏ ｄ ｌ Ｅ ｍ ７ｂ ｓ 和 ｏｓ ｅ Ｈｏ
２０ ０ ５年 ， 省 理 工 大 学 的 Ｉｌ ａｉ ｓｕ ｅｇ等 人 【将 水 麻 ｕｉ Ｖ ｓｅｃ ｄｎ ｕ ｌ ］ 下 可 见 光 通 信 应 用 于 水 下传 感 器 网 络 ， 利 用 水 下 光 链 接 实 现 Ａ ＵＶ 对 水 下 传 感 器 的 识 别 、 位 以及 数 据 获取 ，通 信 速 率 达 定 到 ５２ｂｓ １ｋ ｐ 。该 研 究 小 组 在 ２ ０ 研 制 出两 套 小 型 、轻 便 、 ０９年 廉 价 、 易 于 操 作 的 实 验 样 机 （ ７ ，分 别 用 于 短 距 离通 信 图 ） （～ ｍ）和较 长距 离 （ 几 米 ）通 信 ，通 信 速 率 都 能 达 到 约 １５ 十
。
，
声 波
另 外 ，对 于 水 下 传 感 器
这 样 的 小 型 设 备 ， 用 声 纳 进 行 通 信 似 乎 显 得 太 笨 重 ，而 且 加 重 了 能 耗 。其 它 大 部 分传 统 的 空 中无 线 通 信 技 术
海底光缆通信系统设计及应用研究
海底光缆通信系统设计及应用研究作者：曹景涛来源：《中国新通信》 2018年第19期【摘要】海底光缆通信系统有其特殊的特点，海底光缆在通信设计过程中需要考虑的问题比较多，其本身的容量也比较大，而且应该有很好的可靠性和安全性，具有较为优异的传递质量，并且在抗干扰能力方面要求比较高。
本文阐述了海底光缆通信工程，在设计过程中应该注意的关键问题，以及应用原理。
【关键词】海底光缆通信系统设计应用一、海底光缆通信系统的概述海底光缆通信系统由海底光缆、水下中继器、分路器和传输终端设备组成。
它大体上可以分为两大类：一类是有中继的中、长距离系统，适合沿海大城市之间的跨洋国际间通信；另一类是无中继短距离通信系统，在大陆与近海岛屿、岛屿间距离较短的通信系统中，常采用这种传输方式。
无中继系统采用光放大技术, 传输距离可达450-500km。
一般要求光缆系统的寿命大于25 年，海底光缆的寿命大于30 年。
二、海底光缆通信系统设计应选择易于埋设的海底，选择海流不急的海域，尽可能减少与其他海底光缆和管线的交越，没有海洋开发利用活动或者海洋开发利用规划的地区，才能够进行海底光缆的使用。
在工程设计的时候，要考虑到光缆传输的官方性和再生段的设计计算，需要考虑各种因素和参数，对于光纤的衰耗，设计计算的保护余量等等，维护和修复都应该做到设计完善。
其关键的技术计算是考虑到最坏值设计法所应该考虑的系统设计富余度，计算结果不能过于保守。
三、我国海底光缆的建设情况我国海底光缆概况：4 个入口和8 条光缆。
无论是登陆站数量，还是海底光缆数量，我国（大陆地区）相比欧美发达国家均相对较少，但其带来的好处是显而易见的——加强网络安全防护。
我国只有四个登陆站允许入境，这就为安全防护提供了极大地便利，即只需加强这四个“入口”的安全防护能力，即可抵御外来的网络安全威胁。
四、海缆设计1、海底光缆的路由调查。
海底光缆的路由设计要求能够在所有海底光缆上级业务主管部门审批之下，首先进行路由地点的备选，其自然环境，海底地形，地理位置的稳定性都应该被考虑在内，路由区现有的海洋开发活动及海洋开发利用规划实践，必须要征得渔业，交通，矿产，市政，军事等各个部门的规划同意。
水下光通信技术介绍
水下光通信技术介绍随着海洋资源的开发和海底科学研究的深入，水下光通信技术的发展成为了不可避免的趋势。
水下光通信是利用光传输信息的一种通信技术，具有高速、大带宽、低能耗等优点，同时也面临着诸多挑战。
本文将对水下光通信技术的原理、应用和挑战进行介绍。
原理水下光通信的原理是利用光的传输来传递信息，其传输基本原理与光纤通信类似。
在海水中，光波会随着深度的增加而衰减。
因此，水下光通信中需要使用高功率的激光器，使光波能够在海水中长时间传输。
其主要组成部分包括激光器、光学透镜、探测器和调制器等。
数据信息通过调制器将数字信号转化为光信号，然后通过激光器发射出去，接收器将光信号转化为数字信号。
水下光通信需要抵抗水流等因素对光信号的干扰，因此，需要通过隔离、过滤等方式对光信号进行处理。
应用水下光通信技术在海洋工程、海洋研究、海底勘探和海洋生态监测等领域具有重要的应用价值。
首先，水下光通信可以实现海洋科学研究和海底资源开发的高速传输，使得海洋工程得以高效运作。
其次，水下光通信技术可以实现海洋环境远程监测和海洋生态保护，保障海洋生态的健康发展。
此外，水下光通信技术也可以被应用于海底油气管道、海底光缆、海底电力系统等领域，实现快速、高效、可靠的信息传输，为海洋资源开发提供技术支持。
挑战尽管水下光通信技术具有巨大的应用前景，但是其在实践应用过程中仍然面临着一些挑战。
其中，较大的损耗和衰减是水下光通信技术的主要挑战之一。
由于水的浑浊程度、水中悬浮物的质量、温度和盐度等因素的影响，光在水中会发生多次反射、折射和散射。
这些因素会对光的传输产生干扰，从而降低了水下光通信的传输速率和传输距离。
此外，在水下光通信的设计和制造过程中，还需要考虑防水、耐压和耐腐蚀等因素，这需要应用高品质的材料和先进的技术。
这些挑战都需要通过技术创新和优化来解决。
结论水下光通信技术是一种迅速发展的新型通信技术，具有巨大的应用前景。
通过高效传输信息实现海洋工程、海洋研究和海底资源开发等多种工作的高效运作，同时也需要克服诸多挑战，如应对水流干扰、降低损耗和衰减等问题。
基于OAM的水下无线光通信关键技术
海洋科学研究领域对水下通信技术需求迫切，基于OAM 的水下无线光通信技术能够满足其对数据传输速率和传输 距离的需求。
水下机器人与智能化
随着水下机器人技术的不断发展，基于OAM的水下无线 光通信技术有望实现水下机器人的智能化和远程控制。
基于OAM的水下无线光通信面临的挑战
1 2 3
传输距离和稳定性
基于OAM的水下无线 光通信关键技术
汇报人： 日期:
目录
• OAM概述 • 水下无线光通信技术 • 基于OAM的水下无线光通信系统 • 基于OAM的水下无线光通信实验与验证 • 基于OAM的水下无线光通信前景展望与
挑战
01
OAM概述
OAM基本原理
什么是OAM
01
OAM是一种在光波中实现信息传输的技术，它利用
01
提高传输速率和稳定性
针对水下环境特性，研究更优的OAM调制方式和信号处理算法，提高
基于OAM的水下无线光通信系统的传输速率和稳定性。
02
增强抗干扰性能
研究有效的信号自适应调整策略和误差纠正算法，提高基于OAM的水
下无线光通信系统的抗干扰性能。
03
优化硬件设备
针对水下环境的特殊要求，变，对基于OAM的水下无线光 通信技术的传输距离和稳定性带来巨大挑战。
抗干扰性能
水下环境中的噪声、干扰因素较多，对基于 OAM的水下无线光通信技术的抗干扰性能提出 较高要求。
硬件设备研制
基于OAM的水下无线光通信技术需要专业的硬 件设备支持，其研制和优化是该技术的关键问题 之一。
基于OAM的水下无线光通信未来研究方向
基于OAM的水下无线光通信关键技术
OAM调制和解调技术
高斯光束整形技术
基于SVD和GMD的水下可见光通信研究
SVD 的预编码方案好。 同时,改变水下信道中的传播
距离、水下信道中的水质类型,验证这些参数对数据
通信传输质量的影响。
2. 1 验证所提方案的有效性
如图 3 和图 4 所示,在水下信道中分别设置对数
辐照方差 σ 2I = 0. 261 4 和 σ 2I = 2. 352 6,即分别验证强
Decomposition, SVD)的预编码方案会得到信噪比(Signal - to - Noise Ratio,SNR) 相差较大的子信道,为此
文章提出了一种基于 SVD 和几何均值分解( Geometric Mean Decomposition,GMD) 的预编码方案。 该
方案可以有效地抑制用户间干扰,得到 SNR 相同的子信道,并且消除复杂的比特分配过程,并通过仿
量高于基于双 SVD 的预编码方案。
图 5 水下信道下不同水质类型的比较
3 500 m 的时候仿真结果。 可看出随着通信距离的增
加,误码率也越来越高。
图 3 水下信道弱湍流的实验比较
图 6 水下信道不同传播距离的比较
图 4 水下信道下强湍流的实验比较
2. 2 改变信道参数的仿真结果
基于 SVD 和 GMD 的预编码方案在不同传播距
向量,从而可以得到 PEP 的表达式:
(
Γ‖R( x i - x j ) ‖2F
)
(9)
4
其中,Γ 是信噪比, Q(·) 是误差互补函数。
在得到每个符号的条件成对错误概率之后,利用
遍历搜索方法得到最小欧氏距离 d imin = min‖R( x i PEP( x i → x j R) = Q
水下通信技术的分类、特征、应用及其最新研究进展
⽔下通信技术的分类、特征、应⽤及其最新研究进展海洋覆盖着地球三分之⼆的表⾯积，它是⼈类探索和研究的最前沿的领域之⼀。
海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的⾓⾊，⽽且还包含了有关⽓候的信息，以及⼤量急待开发的资源。
⽔下⽆线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，⽓候变化海底异常地震⽕⼭活动，探查海底⽬标，以及远距离图像传输。
⽔下⽆线通信在军事中也起到⾄关重要的作⽤，⽽且⽔下⽆线通信也是⽔下传感器⽹络的关键技术。
⽔下⽆线通信主要可以分成三⼤类：⽔下电磁波通信、⽔声通信和⽔下量⼦通信，它们具有不同的特性及应⽤场合。
⼀、⽔下电磁波通信⒈⽔下电磁波传播特点⽆线电波在海⽔中衰减严重，频率越⾼衰减越⼤。
⽔下实验表明：MOTE节点发射的⽆线电波在⽔下仅能传播50～120cm。
低频长波⽆线电波⽔下实验可以达到6～8m的通信距离。
30～300Hz的超低频电磁波对海⽔穿透能⼒可达100多⽶，但需要很长的接收天线，这在体积较⼩的⽔下节点上⽆法实现。
因此，⽆线电波只能实现短距离的⾼速通信，不能满⾜远距离⽔下组⽹的要求。
除了海⽔本⾝的特性对⽔下电磁波通信的影响外，海⽔的运动对⽔下电磁波通信同样有很⼤的影响。
⽔下接收点相移分量均值和均⽅差均与选⽤电磁波的频率有关。
⽔下接收点相移分量的均值随着接收点的平均深度的增加⽽线性增⼤，电场相移分量的均⽅差⼤⼩受海浪的波动⼤⼩影响，海浪运动的随机性导致了电场相移分量的标准差呈对数指数分布。
⒉传统的⽔下电磁波通信电磁波作为最常⽤的信息载体和探知⼿段，⼴泛应⽤于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。
20世纪上半叶，⼈们始终致⼒于将模拟通信移⾄⽔中。
⽔下电磁通信可追溯⾄第⼀次世界⼤战期间，当时的法国最先使⽤电磁波进⾏了潜艇通信实验。
第⼆次世界⼤战期间，美国科学研究发展局曾对潜⽔员间的短距离⽆线电磁通信进⾏了研究，但由于⽔中电磁波的严重衰减，实⽤的⽔下电磁通信⼀度被认为⽆法实现。
水下光通信技术的研究与展望
水下光通信技术的研究与展望目前，传统的水下通信方式主要依赖声波通信，但是声波通信有其固有的缺点，如传输速度慢、带宽窄、功耗大等。
而水下光通信则能够充分利用光的高速传输特性，实现更高的传输速度、更大的带宽以及更低的功耗。
在水下光通信的研究方面，目前主要集中在以下几个方面：首先，研究人员致力于改进水下光通信的传输速度和带宽。
由于水中光纤传输存在损耗和色散等问题，研究人员需要寻找更加有效的光纤材料和传输技术，来提高水下光通信的传输速度和带宽。
其次，研究人员还在探索如何在复杂的水下环境中实现有效的光通信。
水下环境的特殊性，如水质浑浊、海流扰动、污染物等都对光信号传输造成了干扰。
因此，研究人员需要开发适应水下复杂环境的光通信技术，如自适应调制和多输入多输出系统，以提高光信号的可靠性和稳定性。
另外，还有研究人员开始探索水下光通信在海洋科学研究和海洋工程中的应用。
水下光通信可以用于海洋观测、海洋传感器网络、海底探测、海洋机器人等方面。
通过水下光通信，科学家和工程师可以实时传输海底观测数据、海洋生物图像等重要信息，为海洋研究提供更快速、更高效的手段。
展望未来，水下光通信有望突破传输速度和带宽的限制，进一步推动水下通信技术的发展。
同时，随着海洋工程的快速发展和深海资源的开发，水下光通信将在海洋工程和深海矿产资源的开发中得到广泛应用。
特别是在深海油气开采、海底电缆布设、海底矿产资源开采等领域，水下光通信将发挥更加重要的作用。
总之，水下光通信技术的研究和展望涉及到光纤材料、传输技术、水下环境适应性等多个方面。
通过不断的研究和创新，水下光通信有望成为一种高速、高带宽、低功耗的水下通信方式，为海洋工程和海洋科学研究提供更好的支持。
水下光通信-综述
水下光通信综述一、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。
水下通信技术的研究与应用
水下通信技术的研究与应用在当今科技飞速发展的时代，水下通信技术成为了一个备受关注的研究领域。
无论是海洋资源的开发、水下军事活动，还是科学研究和探索，高效、可靠的水下通信都具有至关重要的意义。
水下环境与陆地和空中环境有着极大的差异，这给通信带来了诸多挑战。
首先，水的物理特性对电磁波有强烈的吸收和散射作用，使得无线电波在水下的传播距离非常有限。
其次，水的密度和压力会影响声波的传播速度和衰减程度，增加了信号传输的复杂性。
此外，水下的噪声干扰源众多，如海洋生物的活动、水流的流动等，这也给信号的准确传输带来了困难。
为了克服这些挑战，科学家们致力于研究多种水下通信技术。
其中，水声通信是目前应用较为广泛的一种方式。
水声通信利用声波在水中传播来传递信息。
声波在水中的传播速度相对较慢，约为1500 米每秒，但它能够传播较远的距离。
在水声通信中，发送端将需要传输的信息转换为声波信号，通过换能器将电信号转换为声信号发送出去。
接收端的换能器则将接收到的声信号转换为电信号，并进行后续的处理和解调，以恢复出原始的信息。
然而，水声通信也存在一些不足之处。
例如，声波的传播速度较慢，导致通信的延迟较大，不适合对实时性要求较高的应用。
此外，水声信道的多径效应和时变特性会导致信号的衰落和失真，影响通信质量。
为了提高水声通信的性能，研究人员采取了一系列措施，如采用自适应均衡技术来补偿信道的衰落，使用多输入多输出（MIMO）技术来增加通信的容量和可靠性。
除了水声通信，还有一些其他的水下通信技术也在不断发展。
例如，水下光通信利用可见光或红外线在水中传播来实现通信。
光在水中的传播速度快，通信带宽大，能够实现高速率的数据传输。
但光在水中的传播距离较短，容易受到水中杂质和悬浮颗粒的影响，限制了其应用范围。
另一种有潜力的水下通信技术是磁感应通信。
它利用磁场在水中的传播来传递信息，具有较低的衰减和较小的干扰，适用于近距离的水下通信。
水下通信技术在众多领域都有着广泛的应用。
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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
• 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
• （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 ，
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
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
• 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。
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。
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
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：
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
(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。
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：
bd
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：
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)。
• 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；
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
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）。
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
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
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
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)。
• 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。
• 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；