水下光學(xué)通信

1、水下光學(xué)通信一、研究水下光通信的重要性海洋占地球表面積的70%以上，海洋中不但蘊(yùn)藏著豐富的資源， 而且對(duì)全球氣候變化、人類(lèi)經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)發(fā)展都有著重大影響。譬如， 全球溫室效應(yīng)、地球上的生命起源、新資源、新能源、新生物基因、 人類(lèi)生存環(huán)境和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等。因此，發(fā)展先進(jìn)的海洋探測(cè)高 技術(shù)對(duì)人類(lèi)了解、利用和開(kāi)發(fā)海洋具有重要的意義。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，水下捕撈、探測(cè)、控制等的需要，逐 漸形成了水下通信這一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域1, 4。通常水下通信中采 用低頻（3300Hz）電波，這種方式的通信速率低（約為1bit/min）， 極大地限制了通信的有效性。由于海水對(duì)頻率較高的電磁波的強(qiáng)吸收 作用，電

2、磁波在水中的能量衰減很?chē)?yán)重，幾乎無(wú)法穿過(guò)海水傳播，以 致造成了傳統(tǒng)電波在水下通信應(yīng)用中的無(wú)效性，成了限制水下通信發(fā) 展的技術(shù)瓶頸。激光器的發(fā)明和應(yīng)用促進(jìn)了光通信的發(fā)展，更為水下 光通信帶來(lái)了福音，因此對(duì)具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、優(yōu)良的保密性和抗 干擾性的水下通信研究有重大的戰(zhàn)略意義2, 3。美國(guó)在多次海上激 光對(duì)潛通信試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了星載對(duì)潛通信的全面論證，計(jì)劃采 用裝有大功率固體激光器的離地面僅有幾百千米的廉價(jià)、低軌道衛(wèi) 星，代替先前計(jì)劃采用的地球同步衛(wèi)星，以開(kāi)展雙工衛(wèi)星-潛艇激光 通信系統(tǒng)的研究?？傊瑢?duì)于水下的通信技術(shù)的要求已經(jīng)是越來(lái)越高， 我們需要找到一種高效的水下通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)固

3、定端點(diǎn)的信 息傳輸和多個(gè)移動(dòng)端點(diǎn)的信息傳輸。二、水下光學(xué)無(wú)線通信的海水信道特性研究1.基于海洋生物光學(xué)模型的水下光學(xué)信道模型海水是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物系統(tǒng) 它含有溶解物、懸浮 顆粒和各種各樣的有機(jī)物質(zhì)。海水的光衰減系數(shù)是水中的鹽度、溫度、 有機(jī)溶解物、無(wú)機(jī)物、懸浮顆粒以及各種有機(jī)物的函數(shù)，同時(shí)與光波 的波長(zhǎng)有著密切關(guān)系。因此對(duì)于水下光學(xué)無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，海水對(duì)光波 的衰減作用比大氣要嚴(yán)重得多。根據(jù)海洋光學(xué)的固有特性，光在海水 中的衰減主要來(lái)自?xún)煞N作用過(guò)程：吸收和散射。通常采用吸收和散射 系數(shù)來(lái)描述光的傳輸特性，光的總衰減系數(shù)可以表示為4:K c( K) = a( K) + b(K)( 1)其

4、中a(K)是總的吸收系數(shù)，b( K)為總的散射系數(shù)，偃波長(zhǎng)。根據(jù) 海洋生物光學(xué)特性分析，除了考慮海水的吸收和散射作用，在海水 信道模型中還包括有色可溶性有機(jī)物(CDOM)，小型浮游生物以及礦 物顆粒和有機(jī)碎屑影響。因此光學(xué)信息在水中傳播過(guò)程中會(huì)有吸收和 散射存在。光信號(hào)經(jīng)過(guò)海水的傳播后，受到海水的衰減以及由光學(xué)發(fā)射天 線和接收天線的孔徑引起的衰減作用，接收端所接收到的單脈沖能 量為5 :P r= P tRL( d) exp( - K c z ) ( 2)其中RL是準(zhǔn)直光束的幾何衰減，P t是發(fā)射的光功率，K c是光束 在海水中傳播的總衰減系數(shù)，z為水下傳輸距離。2水下光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)性能分析根

5、據(jù)上面所討論的水下生物光學(xué)特性模型，可以通過(guò)替換不同海域的具體環(huán)境參數(shù)建立相應(yīng)的海水信道模型來(lái)進(jìn)行水下光學(xué)通信的 仿真分析研究6。.6.41 dx - - r - / - O 2.O.8.64.2O L LO.QO.O.紅光(660 .6.41 dx - - r - / - O 2.O.8.64.2O L LO.QO.O.紅光(660 nm)綠光(530 nm)青光(505 nm)藍(lán)光(470 nm)141210:8642CQP、-鑫采&誠(chéng) k0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 葉綠素質(zhì)量濃度/(mg /m3)-*紅光(660 nm)cc=0.001 m

6、g/m3 -s綠光(530 nm)cc=0.001 mg/m3 f青光(505 nm)Cc=0.001 mg/m3 o 藍(lán)光(470 nm)cc=0.001 mg/m3 紅光(660 nm) cc=0.02 mg/m3 綠光(530 nm) cc=0.02 mg/m3 青光(505 nm) ce=0.02 mg/m3藍(lán)光(470 nm) Cc=0.02 mg/m3n iaii024681012葉綠素質(zhì)量濃度/(mg/m3)M)333 3 3 33,3 3 /m/m/m/m/m/m/m/m mg/mg/mg/mg/mg/nlgmgmg/ 11112 2 2 2 一一 c =c =c 一一 c =

7、c 一-c =c =c cc c cccc c u u. ur ur Xu u, u nm皿nm皿nmnmnmnm 005 0005 o 630 7630 7 (6修修(4(6(5修(4 光光光光光光光光 紅綠青藍(lán)紅綠青藍(lán)10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 傳輸距離/m傳輸距離/mo o o o o O5 0 5 0 52 2 11ap、x采落藏裝裝k從仿真結(jié)果可以看出，海水信道對(duì)不同波長(zhǎng)的光譜的衰減作 用不同，當(dāng)葉綠素質(zhì)量濃度小于0. 02 mg/ m3!寸，即在深水區(qū)域藍(lán)綠 光譜具有良好的傳輸特性,在近海區(qū)域葉綠素質(zhì)量濃度大于1 mg/m3 時(shí)，紅光具有較好的傳輸

8、特性，當(dāng)葉綠素質(zhì)量濃度增大時(shí)，對(duì)可見(jiàn) 光譜的衰減影響很大，如要取得良好的通信質(zhì)量，必須提高發(fā)射光 源的發(fā)射功率。在深水區(qū)，藍(lán)色光譜的通信特性最好，其傳輸距離可 以達(dá)到上百米，因此，在深海水下光學(xué)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其發(fā)射光 源應(yīng)選用藍(lán)光譜范圍的光源。但是在近海海域，綠色光譜的傳輸特性 要優(yōu)于藍(lán)色光譜，近海水下光學(xué)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)選用綠光譜光源， 以提高系統(tǒng)的水下傳輸能力。三、水下光通信存在的問(wèn)題海水是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物組合系統(tǒng)，它含有溶解物質(zhì)、 懸浮體和很多各種各樣的活性有機(jī)體。由于海水中的物質(zhì)和懸浮體的 不均勻性，導(dǎo)致光波在水下傳播過(guò)程中因吸收和散射作用而產(chǎn)生衰 減。光波的水下傳輸特性是制

9、約水下光學(xué)無(wú)線通信質(zhì)量的重要因素之 一，它對(duì)整個(gè)水下光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定產(chǎn)生著重要影 響。由于不同的海域、不同的水深、不同季節(jié)的海水衰減特性各有不 同，但是一套高效可行的海水信道分析方法是實(shí)現(xiàn)水下光學(xué)通信鏈路 的關(guān)鍵技術(shù)尚有待建立。海水的光學(xué)特性與它的組分有關(guān)，可簡(jiǎn)要地分為三個(gè)方面，水介 質(zhì)，溶解物質(zhì)和懸浮物。溶解物質(zhì)和懸浮體的成分種類(lèi)繁多，主要包 括無(wú)機(jī)鹽，溶解的有機(jī)化合物，活性海洋浮游動(dòng)植物，細(xì)菌，碎屑和 礦物質(zhì)顆粒等，光束在海水中的傳輸遠(yuǎn)比在大氣中的傳輸所受影響復(fù) 雜得多，很難用單一的數(shù)學(xué)模型對(duì)各種海域的水質(zhì)影響進(jìn)行模擬。根據(jù)前人對(duì)海水光特性的研究，光波在水下傳輸所受到的影響可

10、 以歸納為以下三個(gè)方面（1）光損耗：忽略海水?dāng)_動(dòng)和熱暈效應(yīng)，光在海水中的衰減主 要來(lái)自吸收和散射影響，通常以海水分子吸收系數(shù)、海水浮游植物吸 收系數(shù)、海水懸浮粒子的吸收系數(shù)、海水分子散射系數(shù)和懸浮微粒散 射系數(shù)等方式體現(xiàn)。（2）光束擴(kuò)散：經(jīng)光源發(fā)出的光束在傳輸過(guò)程中會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生橫向擴(kuò)展，其擴(kuò)散直徑與水質(zhì)、波長(zhǎng)、傳輸距離和水下發(fā)散角 等因素有關(guān)。（3）多徑散射：光在海水中傳播時(shí)，會(huì)遇到許多粒子發(fā)生散射 而重新定向，所以非散射部分的直射光將變得越來(lái)越少。海水中傳輸 的光被散射粒子散射而偏離光軸，經(jīng)過(guò)二、三、四等多次散射后，部 分光子又能重新進(jìn)入光軸，形成多次散射。多次散射效應(yīng)是隨著粒子 的濃

11、度和輻照體積的大小而變化的，由于多次散射的復(fù)雜性，很難通 過(guò)分析方法得到擴(kuò)散與水質(zhì)參數(shù)及水下深度間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并 且受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，不可能對(duì)每一種水質(zhì)、每一個(gè)水 下深度都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且有些特性還很難甚至無(wú)法用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè) 量。以上問(wèn)題最直接后果就是激光通信誤碼率較高誤碼率達(dá)到一定 程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信失敗。為了保證通信成功，通常采用兩個(gè)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一是增 加信噪比，即增大發(fā)射功率、降低接收設(shè)備本身的噪聲、選擇好的調(diào) 制制度和解調(diào)方法、加強(qiáng)天線的方向性等措施；另一個(gè)采用信道編碼， 即增加差錯(cuò)控制功能來(lái)解決這些問(wèn)題。而第一種方法提高信息傳輸可 靠性的代價(jià)較大，費(fèi)用高，只能將

12、傳輸差錯(cuò)減小到一定程度。而隨著 編碼理論和高速數(shù)字處理硬件技術(shù)的發(fā)展，編碼處理硬件成本越來(lái)越 低，使得糾錯(cuò)技術(shù)在實(shí)際的數(shù)字通信中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：柯熙政，席曉莉.無(wú)線激光通信概論M.北京：北京郵電大學(xué)出 版社，2004.孫兆偉，吳國(guó)強(qiáng)，孫憲仁，等.國(guó)內(nèi)外空間光通信技術(shù)發(fā)展及趨 勢(shì)研究J.光通信技術(shù)，2005, 29(9) : 61-64.劉金濤，陳衛(wèi)標(biāo).星載激光對(duì)水下目標(biāo)通信可行性研究J.光學(xué) 學(xué)報(bào),2003,26(10)： 1441-1446.李景鎮(zhèn).光學(xué)手冊(cè)M.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1986.Co chenour B, Mullen B, Laux A, et al . Effects ofmultiple scattering on the implementatio n of an underwater w ir eless optical communication link A . IEEE.Pr oc of IEEE OCEANS C. USA: IEEE, 2005. 934-940.Sag an S,