水下激光通信

1、组员：叶志杰、郑成聪、 曾露、柳逢春,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,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

2、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，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，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。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中的部分光子能量

3、转化为其他形式的能量 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。 海水中悬浮粒子

4、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。 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三个方面： 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。 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

5、素有关。 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

6、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。影响水下光衰减的物质大致可分为四类： （1）水分子，对光具有吸收和散射的特性； （2）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以及陆源或海洋底泥悬浮而产生的无机悬浮颗粒，这类物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，通常称为黄质。黄质对光具有单一的吸收作用，它们主

7、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。譬如，高清晰度的视频信号实时传输需要13 Mbps的传输容量。,水下激光通信的发展方向,在军事方面，特别是在

8、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。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，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

9、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。,激光对潜通信原理,激光对潜通信就是利用激光光波作为载波, 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及图像信号调制到激光光波上, 经介质( 水) 传

10、输到潜艇, 再经潜艇接收端解调, 还原成语音或图像信号, 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，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,由陆上基地台发射出强激光束, 经低轨道“反射镜”中继卫星到深海潜艇的激光传输, 实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩束成宽光束, 实现一个相当大范围内的通信; 也可以控制成窄光束, 以扫描方式通信。这种方案灵活, 通信距离远, 可用于全球范围内光束所照射到的海域, 通信速率也高, 不容易被敌人截安全

11、、隐蔽性好, 但实现难度大。,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的12千米高空对水下300米深海的潜

12、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,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

13、统之中。,激光对潜通信能否成功在技术上主要受到激光器功率和可靠性的限制, 尤其是星载激光器可靠性问题更为重要。再一个限制就是光接收机的灵敏度。因此研制高灵敏度的接收机和适合对潜通信的蓝绿激光器是以后激光对潜通信的发展重点。,现状成果,近几年来，在水下可见光通信技术研究领域成绩比较突出的国家主要有美国、澳大利亚、加拿大等。其中比较有代表性的研究成果有：2004年Maurice Tivey等人研制的一种低功型水下可见光通信系统，主要目的是为了实现与海底记录仪进行数据传输；2005年ix Schill等人研制的一种体积更小的设备，主要用于小型AUV之间的通信；IuliuVasilescudeng等人

14、研制的一种用于对水下传感器网络进行数据采集的设备。,我国于1988年开始组织了对蓝绿激光探潜和蓝绿激光对潜通信的技术论证，开始了对大气和海水光散射信道及机载探潜系统的研究工作。1990年机载激光对潜通信系统研究单独立项。进一步促进了对大气/海水光散射信道及相关技术的研究。由于有众多的国外资料可供参考。国内对大气/海水光散射信道的研究起点比较高;但由于我国对大气/海水光散射信道的研究起步较晚，虽然过去国内对激光大气传输进行了大量深入的研究，但对蓝绿激光在海水中传输的研究较少，因此国内对海水光散射信道的研究还处于一个相对较低的水平，有许多问题值得深入研究。,一种水下低功耗可见光数据采集设备,短距离

15、可见光数据采集设备,2004年，美国伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution）的MauriceTivey和Paul Fucile等人研制成功了一种用于水下短距离可见光通信的设备（图1.1），用于与海底传感器进行通信,该设备可以发送和接收数据，其中发射器是由22个LED构成的圆盘阵（直径大约为4.8cm）；接收器是一个硅光电二极管(面积大约为42mm)，安装在LED阵的中心位置，光电二极管前面安装了一个小菲涅耳透镜以改善轴向聚光能力。它被设想用于对海底记录仪进行数据采集（如图1.3所示），即让机器人携该装置与海底传感器网络进行通信，采集海底传感

16、器记录的各种数据。,与海底传感器通信,一项基于RONJA的光连接研究,2005年，北卡罗莱纳大学（North Carolina State University）的学生Mark Alan Chancey通过了硕士论文Short Range Underwater Optical Communication Links（水下短距离的可见光通信连接）。Mark在RONJA思想的基础上设计了一个10Mbps光连接装置并成功的进行了实验。,该光通信装置由两部分组成：第一部分是一个电路，包括UTP(Universal Twisted Pair)、发射电路和接收电路；第二部分是机械/光学装置，分为接收盒和发

17、射盒。接收盒和发射盒中分别装有两个透镜，其中一个作为光收发窗口，另一个用来将光进行聚焦以便能更好的与光检测器校准，接收盒和发射盒的作用是将透镜、包含发射电路或接收电路的盒子保护起来以防止透水。,青色（左）和绿色（右）LED在水中的发射,青色（左）和绿色（右）LED光束通过水池的结果。青光和绿光在水中传播140英尺后，光束的直径仅仅增大两倍。,实验结果波形,上图是一个10MHz的信号在20加仑的水槽中传输15英尺后的波形。Mark还在两台计算机之间成功进行了10 Mbps的光连接，但是存在这样一个问题：接收电路的复杂性会引起严重的队列问题，其原因可能是位于光电二极管之后，接受电路之前的双门晶体管

18、的开关时间太长而不适用于10 Mbps的曼彻斯特码，这一点还需要进一步的研究。,一种基于水下传感器网络的数据采集系统,麻省理工大学（massachusetts institute of technology）计算机科学实验室的博士 Iuliu Vasilescudeng和Peter Corke等人对水下可见光通信的研究是基于这样一个水下传感器网络：该网络由静点（固定在水下的传感器）和动点（移动装置）组成，静点固定在水下，动点安装在AUV上并由AUV携带定期潜入水下与静点通信，收集由静点记录的数据。在静点和动点的每次通信之间，静点处于睡眠状态，当动点要求与静点通信时将其唤醒，这样可以减少能耗。动点由安装在AUV上的定位系统寻找静点，只有当探测到与静点相似的物体才发出唤醒信号，这一点由安装在AUV上的视觉系统完成。,（a）静点与动点（AMOUR) （b） 动点（Starbug AUV）,图(a)所示即为静点(黄绿色盒子)和动点的图片，图中的动点是一个小型AUVAMOUR(Autonomous Modular OpticalUnderwater Robot),它可以自动重组自己的组件，用于水下环境监测和开发。图（b）也是一种动点（Starb