水下激光通信

1、水下激光通信水下激光通信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 虽然电磁波在水中的衰减较大，但受水文条件影响甚微使得水下电磁波通信相当稳定。水下甚低频和超低频单向通信适用于军用岸对潜(艇)通信；水下高频通信适用于短距离的水下无线通信。水下电磁波通信的发展趋势为：既要提高发射天线辐射效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同

2、时提高传输速率；应用微弱信号放大和检测技术、抑制和处理内部和外部的噪声干扰，优选调制解调技术(尤其重视已调波在频域上能量高度集中的调制方法)和编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。此外，已有些学者在研究超窄带理论与技术，力争获得更高的频带利用率也有学者正寻求能否突破香农极限的科学依据。信道的香农极限香农极限（或称香农容量香农容量）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

3、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。 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。海水的颜色主要是由海水的光学性质，即海水对太阳光

4、线的吸收、反射和散射造成的。我们知道：太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光复合而成，七色光波长长短不一，从红光到紫光，波长由长渐短，其中波长长的红光、橙光、黄光穿透能力强，最易被水分子所吸收。波长较短的蓝光、紫光穿透能力弱，遇到纯净海水时，最易被散射和反射。又由于人们眼睛对紫光很不敏感，往往视而不见，而对蓝光比较敏感。于是，我们所见到的海洋就呈现出一片蔚蓝色或深蓝色了。如果打一桶海水放在碗中，则海水和普通水一样，是无色透明的。其实海水看上去也不全是蓝色的，而是有红、黄、白、黑等等，五彩缤纷。因为海水颜色除了受以上因素影响外，还会受到海水中的悬浮物质、海水的深度、云层等其他因素的影响。如我

5、国的黄海，看上去一片黄绿，这是因为古代黄河夹带的大量泥沙将海水“染黄”了。虽然现在黄河改道流入渤海，但黄海北部有宽阔的渤海海峡与之相通，加之它还有淮河等河水注入，故海面仍呈浅黄色。 海水的光学特性 海水的光学特性是指海洋水体在光辐射作用下所表现的物理性质。海水的光学特性可分为两大类：1. 表观光学特性表观光学特性，它决定于海水固有光学特性和海中辐射场的分布。2.固有光学特性固有光学特性，它仅由海水本身的物理特性所决定，主要指海水对光的散射和吸收； 表观光学特性： 太阳和天空辐射通过海面进入海中所形成的海洋辐射场分布，主要表现为辐亮度分布、辐照度衰减、辐照比和偏振特性等所有与辐射场有关的光学性质

6、。海水的表观光学特性与环境光有关，如果在深海中可以忽略它对光传播的影响。海水的吸收特性海水对光的吸收表现为在海水海水对光的吸收表现为在海水中的部分光子能量转化为其他中的部分光子能量转化为其他形式的能量形式的能量海水的吸收特性与海水中所含物质的成分密切相关。海水中不仅含有水分子和无机溶解质,还含有包含大量的悬浮体和“黄色物质”在内的各种有机物（海水中的可溶性有色有机物）。因此海水的吸收特性表现出较大的易变性，同一水域不同深度,同一水域不同时间,不同水域的海水吸收特性都随时间和空间的不同而变化。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瑞利散射和海水中悬浮粒子引

7、起的米氏散射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（瑞利散射（Rayleigh scatteringRayleigh 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散射能力与光波波长的四次方成反比比，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

8、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。 海水中悬浮粒子引起的散射属于米氏散射问题海水中悬浮粒子引起的散射属于米氏散射问题，悬浮粒子的大小的分布和海水中粒子的浓度决定了米氏散射的大小。 当大气中粒子的直径与入射的波长相当时发生的散射。散射的强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。 海水散射的一个重要效应是对光能量的衰减，然而作为光的水下通信还存在着另一个重要的效应是海水微粒对光的的多次散射引起的多通道效应。根据前人对海水光特性的研究，光波在水下传输所受到的影响可以归纳为以下

9、三个方面：光在真空中传播速度c，在折射率为n的介质中，速度是 c/n光损耗光损耗：光在海水中的衰减主要来自吸收和散射影响，通常以海水分子吸收系数、海水浮游植物吸收系数、海水悬浮粒子的吸收系数、海水分子散射系数和悬浮微粒散射系数等方式体现。光束扩散光束扩散：经光源发出的光束在传输过程中会在垂直方向上产生横向扩其扩散直径与水质、波长、传输距离和水下发散角等因素有关。多径散射多径散射：光在海水中传播时，会遇到许多粒子发生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光将变得越来越少。海水中传输的光被散射粒子散射而偏离光轴，经过二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新进入光轴，形成多次散射。多次散射效应是随着粒

10、子的浓度和辐照体积的大小而变化的，由于多次散射的复杂性，很难通过分析方法得到扩散与水质参数及水下深度间精确的数学关系式，并且受到实验条件和实验经费的限制，不可能对每一种水质、每一个水下深度都进行实验，而且有些特性还很难甚至无法用实验的方法测量。同时由于经过多次散射的光子因其与未散射光子的相关性较小，我们可以近似的把多经散射的影响作为噪声来处理。 光在水下的衰减是指光强度的损失，引起水下衰减的因素主要包括水、水中溶解的杂质和有机物等对光的吸收，水、有机物和无机物颗粒等对光的散射等。水下衰减的程度在不同的水体中也不相同。影响水下光衰减影响水下光衰减的物质大致可分为四类：（1）水分子水分子，对光具有

11、吸收和散射的特性；（2）浮游植物浮游植物，主要是浮游藻类，它们的细胞中含有色素，同时具有吸收和散射的双重光学特性，而且还表现为选择性吸收的光谱特点；（3）由浮游植物死亡而产生的有机碎屑有机碎屑以及陆源或海洋底泥悬浮而产生的无机悬浮颗粒无机悬浮颗粒，这类物质总称为非色素悬浮质总称为非色素悬浮质，它们对光也具有吸收和散射的双重作用；（4）由棕黄酸、腐殖酸组成的溶解性有机质溶解性有机质，通常称为黄质黄质。黄质对光具有单一的吸收作用，它们主要吸收波长在420-450nm范围，而对红光和绿光的吸收作用很小，使得含黄质丰富的水域呈现黄色。在大洋水中，黄质的浓度较低，而沿岸的水体中浓度较高，所以在深海黄质的

12、影响可以忽略。近十年来，随着水下光学或声学成像探测技术的快速发展，以及无线传感器网络系统、自主式水下机器人(AUV)等技术的日益普及，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了一种全新的水下探测方法。但是，这些观测技术的应用需这些观测技术的应用需要高数据传输速率的无线通信技术的支持，以实现观要高数据传输速率的无线通信技术的支持，以实现观测数据的传输及控制指令的交换。测数据的传输及控制指令的交换。水下激光通信的发展方向水下激光通信的发展方向 在军事方面，特别是在海上战争过程中，水下潜艇、水面舰艇、监测传感器之间的声音、图像、综合数据等信息的无线交换速率更为重要，而传统的水

13、声通信技术虽然具有传输距离远、性能可靠等优点，但是水声通信技术存在着传输速率低、带宽窄、延时水声通信技术存在着传输速率低、带宽窄、延时较长、功耗和体积大等缺陷，即使在近距离范围内，也难以达到较长、功耗和体积大等缺陷，即使在近距离范围内，也难以达到Mbps的传输速率。的传输速率。因此，发展高效的近距离水下信息传输技术已成为海洋监测亟待解决的问题。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。首先首先，由于光波频率高，其信息承载能力强信息承载能力强，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(Gb

14、ps)量级的码率；其次其次，光学通信具有抗干扰能力强抗干扰能力强，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，因此具有高度的安具有高度的安全保密性全保密性；第四第四，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、低功耗的要求小型化、轻量化、低功耗的要求。激光对潜通信原理激光对潜通信原理 激光对潜通信就是利用激光光波作为载波,

15、并利用脉冲数字编码的方法来调制这一载波的水下通信方式。基本原理是将语音信号基本原理是将语音信号及图像信号调制到激光光波上及图像信号调制到激光光波上, 经介质经介质( 水水) 传输到潜艇传输到潜艇, 再经潜艇接收端解调再经潜艇接收端解调, 还原成还原成语音或图像信号语音或图像信号, 来完成通信来完成通信。其基本组成包括发射控制系统和接收控制系统两大部分, 原理与无线通信相似。水下光学通信技术研究前期主要集中在军事领域，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。长期以来一直是水下潜艇通信中的关键技术。目前,蓝绿激光对潜通信主要有三种方案一种方式是岸基方式一

16、种方式是岸基方式由陆上基地台发射出强由陆上基地台发射出强激光束激光束, 经低轨道经低轨道“反射反射镜镜”中继卫星到深海潜中继卫星到深海潜艇的激光传输艇的激光传输, 实现与水实现与水下潜艇的通信。这种方下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩式可通过星载反射镜扩束成宽光束束成宽光束, 实现一个相实现一个相当大范围内的通信当大范围内的通信; 也可也可以控制成窄光束以控制成窄光束, 以扫描以扫描方式通信。这种方案灵方式通信。这种方案灵活活, 通信距离远通信距离远, 可用于可用于全球范围内光束所照射全球范围内光束所照射到的海域到的海域, 通信速率也高通信速率也高, 不容易被敌人截安全、不容易被敌人截安

17、全、隐蔽性好隐蔽性好, 但实现难度大。但实现难度大。第二种方式是天基方式第二种方式是天基方式把大功率激光器置于卫星上完成上述通信功能, 地面通过电通信系统对卫星上设备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的通信, 让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。这种方法不论是隐蔽性还是有效性都不容置疑, 应该说它是激光对潜艇通信的最佳体制, 当然实现的难度也很大。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

18、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。第三种方式是空基方式第三种方式是空基方式将大功率激光器置于飞机上，飞机飞越预定海域时激光束以一定形状的波束(如15km长1km宽的矩形)扫过目标海域完成对水下潜艇的广播式通讯 如果飞机高度为10km以300ms速度飞过潜艇上空时激光束将在海面上扫过一条15km宽的照射带 在飞机一次飞过潜艇上空的约3秒的时间内可完成4O 8O个汉字符号的信息量的通讯。这种方案实现起来较为容易在条件成熟时，这种办法很容易升级至天基系统之中。 激光对潜通信能否成功在技术上主要受