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。

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程度，需要通过现场试验的进一步验证。何宁等（2001）将水质划分为3 类水质，依据经验数据对水下光学信道的接收能量进行了评估，证明在I 类海区实现100 米以上深度通信是可能的。王敏和刘维华（2005）利用经验公式结合模拟试验对海水信道的光脉冲信号的时间扩展进行了研究，其结果表明海水信道极为复杂，不能从一种环境的结果来预测另一种环境的光传输特性。

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、水下光通信的发展背景

发展背景：在水中传播的各种波中，以纵波(声波)的衰减最小，因而声纳技术和水声信息传输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输，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相关，短波穿透深度小，而长波的穿透深度要大一些，因此，长期以来，超大功率的长波通信成为了对潜通信的主要形式。不过，即使是超长波通信系统，穿透海水的深度也极其有限(最深仅达80m)，而且超低频系统耗资大，数据率极低，易遭受敌方直接攻击或核爆炸电磁脉冲的破坏，难以得到好的效果