水下光学通信

1、水下光学通信一、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。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。随着现代高新技术的发展，水下捕捞、探测、控制等的需要，逐 渐形成了水下通信这一个特殊的应用领域1, 4。通常水下通信中采 用低频（3300Hz）电波，这种方式的通信速率低（约为1bit/min）， 极大地限制了通信的有效性。由于海水对频率较高的电磁波的强吸收 作用，电

2、磁波在水中的能量衰减很严重，几乎无法穿过海水传播，以 致造成了传统电波在水下通信应用中的无效性，成了限制水下通信发 展的技术瓶颈。激光器的发明和应用促进了光通信的发展，更为水下 光通信带来了福音，因此对具有高数据传输速率、优良的保密性和抗 干扰性的水下通信研究有重大的战略意义2, 3。美国在多次海上激 光对潜通信试验的基础上，开展了星载对潜通信的全面论证，计划采 用装有大功率固体激光器的离地面仅有几百千米的廉价、低轨道卫 星，代替先前计划采用的地球同步卫星，以开展双工卫星-潜艇激光 通信系统的研究。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

3、定端点的信 息传输和多个移动端点的信息传输。二、水下光学无线通信的海水信道特性研究1.基于海洋生物光学模型的水下光学信道模型海水是一个复杂的物理、化学、生物系统 它含有溶解物、悬浮 颗粒和各种各样的有机物质。海水的光衰减系数是水中的盐度、温度、 有机溶解物、无机物、悬浮颗粒以及各种有机物的函数，同时与光波 的波长有着密切关系。因此对于水下光学无线通信来说，海水对光波 的衰减作用比大气要严重得多。根据海洋光学的固有特性，光在海水 中的衰减主要来自两种作用过程：吸收和散射。通常采用吸收和散射 系数来描述光的传输特性，光的总衰减系数可以表示为4:K c( K) = a( K) + b(K)( 1)其

4、中a(K)是总的吸收系数，b( K)为总的散射系数，偃波长。根据 海洋生物光学特性分析，除了考虑海水的吸收和散射作用，在海水 信道模型中还包括有色可溶性有机物(CDOM)，小型浮游生物以及矿 物颗粒和有机碎屑影响。因此光学信息在水中传播过程中会有吸收和 散射存在。光信号经过海水的传播后，受到海水的衰减以及由光学发射天 线和接收天线的孔径引起的衰减作用，接收端所接收到的单脉冲能 量为5 :P r= P tRL( d) exp( - K c z ) ( 2)其中RL是准直光束的几何衰减，P t是发射的光功率，K c是光束 在海水中传播的总衰减系数，z为水下传输距离。2水下光学无线通信系统性能分析根

5、据上面所讨论的水下生物光学特性模型，可以通过替换不同海域的具体环境参数建立相应的海水信道模型来进行水下光学通信的 仿真分析研究6。.6.41 dx - - r - / - O 2.O.8.64.2O L LO.QO.O.红光(660 .6.41 dx - - r - / - O 2.O.8.64.2O L LO.QO.O.红光(660 nm)绿光(530 nm)青光(505 nm)蓝光(470 nm)141210:8642CQP、-鑫采&诚 k0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 叶绿素质量浓度/(mg /m3)-*红光(660 nm)cc=0.001 m

6、g/m3 -s绿光(530 nm)cc=0.001 mg/m3 f青光(505 nm)Cc=0.001 mg/m3 o 蓝光(470 nm)cc=0.001 mg/m3 红光(660 nm) cc=0.02 mg/m3 绿光(530 nm) cc=0.02 mg/m3 青光(505 nm) ce=0.02 mg/m3蓝光(470 nm) Cc=0.02 mg/m3n iaii024681012叶绿素质量浓度/(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 红绿青蓝红绿青蓝10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 传输距离/m传输距离/mo o o o o O5 0 5 0 52 2 11ap、x采落藏装装k从仿真结果可以看出，海水信道对不同波长的光谱的衰减作 用不同，当叶绿素质量浓度小于0. 02 mg/ m3!寸，即在深水区域蓝绿 光谱具有良好的传输特性,在近海区域叶绿素质量浓度大于1 mg/m3 时，红光具有较好的传输

8、特性，当叶绿素质量浓度增大时，对可见 光谱的衰减影响很大，如要取得良好的通信质量，必须提高发射光 源的发射功率。在深水区，蓝色光谱的通信特性最好，其传输距离可 以达到上百米，因此，在深海水下光学通信系统设计中，其发射光 源应选用蓝光谱范围的光源。但是在近海海域，绿色光谱的传输特性 要优于蓝色光谱，近海水下光学通信系统设计应选用绿光谱光源， 以提高系统的水下传输能力。三、水下光通信存在的问题海水是一个复杂的物理、化学、生物组合系统，它含有溶解物质、 悬浮体和很多各种各样的活性有机体。由于海水中的物质和悬浮体的 不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸收和散射作用而产生衰 减。光波的水下传输特性是制

9、约水下光学无线通信质量的重要因素之 一，它对整个水下光学无线通信系统设计方案的确定产生着重要影 响。由于不同的海域、不同的水深、不同季节的海水衰减特性各有不 同，但是一套高效可行的海水信道分析方法是实现水下光学通信链路 的关键技术尚有待建立。海水的光学特性与它的组分有关，可简要地分为三个方面，水介 质，溶解物质和悬浮物。溶解物质和悬浮体的成分种类繁多，主要包 括无机盐，溶解的有机化合物，活性海洋浮游动植物，细菌，碎屑和 矿物质颗粒等，光束在海水中的传输远比在大气中的传输所受影响复 杂得多，很难用单一的数学模型对各种海域的水质影响进行模拟。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

10、 以归纳为以下三个方面（1）光损耗：忽略海水扰动和热晕效应，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。（2）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展，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。（3）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子 的浓

11、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。以上问题最直接后果就是激光通信误码率较高误码率达到一定 程度时会导致通信失败。为了保证通信成功，通常采用两个方法来解决这个问题，一是增 加信噪比，即增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的调 制制度和解调方法、加强天线的方向性等措施；另一个采用信道编码， 即增加差错控制功能来解决这些问题。而第一种方法提高信息传输可 靠性的代价较大，费用高，只能将

12、传输差错减小到一定程度。而随着 编码理论和高速数字处理硬件技术的发展，编码处理硬件成本越来越 低，使得纠错技术在实际的数字通信中逐渐得到广泛的应用。参考文献：柯熙政，席晓莉.无线激光通信概论M.北京：北京邮电大学出 版社，2004.孙兆伟，吴国强，孙宪仁，等.国内外空间光通信技术发展及趋 势研究J.光通信技术，2005, 29(9) : 61-64.刘金涛，陈卫标.星载激光对水下目标通信可行性研究J.光学 学报,2003,26(10)： 1441-1446.李景镇.光学手册M.西安：陕西科学技术出版社,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,