1、西安郵電大學(xué)無線光通信學(xué)院：電子工程學(xué)院專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)姓名：*學(xué)號：*（*）班級：*時間：2013-2014學(xué)年 第一學(xué)期水下光通信摘要：水下光通信作為一種快捷的無線光通信方式，已經(jīng)逐步成為現(xiàn)實，解決了長期水下目標(biāo)探測、通信等難題。本文對水下光通信的發(fā)展、重要性、優(yōu)勢和存在問題進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和分析，以及介紹了水下光通信的兩種方式，分別對水下光纖通信和水下激光通信的特點及應(yīng)用作了詳細(xì)的介紹。由于水下光通信在水下傳輸時受到了水下復(fù)雜的條件影響，水下光通信將來的研究方向在增加傳輸容量、延長傳輸距離、自動方向?qū)?zhǔn)、降低設(shè)備成本等方面。如果這些問題能得到有效解決，那么水下光通信對無線光通信行業(yè)將

2、發(fā)揮巨大的促進(jìn)作用。關(guān)鍵字： 水下光通信 水下光纖通信 水下激光通信一、水下光通信的發(fā)展光通信起源最早可追溯到19世紀(jì)70年代,當(dāng)時Bell提出采用可見光為媒介進(jìn)行通信,但是當(dāng)時既不能產(chǎn)生一個有用的光載波,也不能將光從一個地方傳到另外一個地方。因此直到1960年激光器的發(fā)明,光通信才有了突破性的發(fā)展，但研究領(lǐng)域基本上集中在光纖通信和不可見光無線通信領(lǐng)域。由于海水對光的強(qiáng)吸收特性，水下光通信技術(shù)一直沒有得到重視。直到1963年,Dimtley等人在研究光波在海洋中的傳播特性時,發(fā)現(xiàn)海水在 450-550納米波段內(nèi)藍(lán)綠光的衰減比其它光波段的衰減要小很多, 證實在海洋中亦存在一個類似于大氣中存在的透

3、光窗口。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為解決長期水下目標(biāo)探測、通信等難題提供了基礎(chǔ)。水下光學(xué)通信技術(shù)研究前期主要集中在軍事領(lǐng)域，長期以來是水下潛艇通信中的關(guān)鍵技術(shù)。美國海軍從1977年提出衛(wèi)星與潛艇間通信的可行性后, 就與美國國防研究遠(yuǎn)景規(guī)劃局開始執(zhí)行聯(lián)合戰(zhàn)略激光通信計劃。1983年底, 前蘇聯(lián)在黑海艦隊的主要基地塞瓦斯托波爾附近也進(jìn)行了把藍(lán)色激光束發(fā)送到空間軌道反射鏡后再轉(zhuǎn)發(fā)到水下彈道潛艇的激光通信試驗。澳大利亞國立大學(xué)信息科學(xué)與工程研究學(xué)院的研究小組開發(fā)了一種低成本、小體積、結(jié)構(gòu)簡單的光學(xué)通信系統(tǒng)，選用Luxeon LED的藍(lán)（460nm）、青（490nm）、綠(520nm)光，接收器電路采用對藍(lán)青綠

4、三種光靈敏度很高的 SLD70BG2A 光電二極管，這套系統(tǒng)在兼顧速度與穩(wěn)定性的同時，通訊速率可達(dá)57.6kbps，由于采用紅外無線通信協(xié)議，其水下傳輸速率和傳輸距離受到極大限制。美國伍茲霍爾海洋研究所研究小組研制了一套基于發(fā)光二極管（LED）低功耗深海水下光學(xué)通信樣機(jī)，采用鍵控調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)了10Mbps的通信速率。由于是針對深海領(lǐng)域，沒有考慮了水下光學(xué)信道中的散射影響，其結(jié)果存在一定的片面性。日本Keio大學(xué)研究小組開展了基于可見光 LED的水下光學(xué)無線通信研究，采用米氏散射理論進(jìn)行懸浮顆粒對信道影響的分析，其仿真結(jié)果表明，水下光學(xué)信道的傳輸特性與波長和海水濁度有關(guān)。美國海軍航空系統(tǒng)司令部的

5、研究小組探討了海水散射影響對PSK調(diào)制的水下光學(xué)無線通信在10-100Mbps通信速率的影響，結(jié)合實驗室內(nèi)模擬試驗進(jìn)行分析，試驗結(jié)果表明海水的混濁度對信道調(diào)制帶寬和相位具有重要影響。但是對實際環(huán)境下海水散射對編碼調(diào)制技術(shù)的影響機(jī)制缺乏全面的認(rèn)識。近年來，Hanson和Radic采用Monte Carlo方法進(jìn)行水下光波傳輸仿真，驗證了傳輸速率為 1Gbps 的水下光學(xué)通信的可行性。由于各種原因，國內(nèi)所開展的水下光學(xué)通信技術(shù)研究有限，在水下光學(xué)信道的光學(xué)特性研究方面基礎(chǔ)較為薄弱。二、水下光通信的重要性近十年來，新興的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為獲取連續(xù)、系統(tǒng)、高時空分辨率、大時空尺度的海洋要素觀測資

6、料提供一種全新的技術(shù)手段。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的能力，將多個此類傳感器節(jié)點布置在一個特定的區(qū)域內(nèi)，可形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),它們通過特定的協(xié)議，高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的進(jìn)行自組織，并通過各傳感器節(jié)點協(xié)作進(jìn)行實時測量、感知和采集各種海洋要素的信息，利用無線通信技術(shù)將觀測信息實時傳輸。因此，通過在感興趣的海域布設(shè)大量廉價無線傳感器節(jié)點可以獲取海洋環(huán)境時空變化觀測資料，實現(xiàn)大范圍的觀測區(qū)域高覆蓋面的監(jiān)測，為實現(xiàn)多點化、立體化、長時序、網(wǎng)絡(luò)化、實時化、大空間尺度的海洋環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)支撐。在海洋軍事

7、活動中，為保障信息傳輸過程中不受干擾和不被截聽，利用AUV（Autonomous Underwater Vehicle）進(jìn)行指揮艦與潛艇，潛艇與潛艇之間的通信聯(lián)絡(luò)；在港口安全保障過程中，在AUV上搭載聲學(xué)或光學(xué)監(jiān)測傳感器進(jìn)行港口及水下設(shè)備的檢測和目標(biāo)的跟蹤，并及時通過無線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)叫畔⒅行摹？傊?，對于水下的通信技術(shù)的要求已經(jīng)是越來越高，我們需要找到一種高效的水下通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多個固定端點的信息傳輸和多個移動端點的信息傳輸。三、水下光通信的優(yōu)勢光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r延大等缺陷。因為，1）由于光波頻率高，其信息承載能力強(qiáng)，可

8、以組建大容量無線通信鏈路。2）是光波在水介質(zhì)的傳輸速率可達(dá)千兆，使得水下大信息容量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能；3）光學(xué)通信具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，不受海水溫度和鹽度影響等特點；4）波束具有較好的方向性，如想攔截，就需要用另一部接收機(jī)在視距內(nèi)對準(zhǔn)發(fā)射機(jī)，造成通信鏈路中斷，用戶會及時發(fā)現(xiàn)通信鏈路中斷事故。5）隨著半導(dǎo)體光源關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，體積小，價格低、效率高的可見光譜光電器件充足。并且由于光波波長短，收發(fā)天線尺寸小，可以大幅度減少重量。四、水下光通信存在問題海水是一個復(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

9、播過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約水下光學(xué)無線通信質(zhì)量的重要因素之一，它對整個水下光學(xué)無線通信系統(tǒng)設(shè)計方案的確定產(chǎn)生著重要影響。根據(jù)對海水光特性的研究，光波在水下傳輸所受到的影響可以歸納為以下三個方面1）光損耗：忽略海水?dāng)_動和熱暈效應(yīng)，光在海水中的衰減主要來自吸收和散射影響，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)出的光束在傳輸過程中會在垂直方向上產(chǎn)生橫向擴(kuò)展，其擴(kuò)散直徑與水質(zhì)、波長、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，會遇到許多粒子發(fā)生散射而

10、重新定向，所以非散射部分的直射光將變得越來越少。海水中傳輸?shù)墓獗簧⑸淞Ｗ由⑸涠x光軸，經(jīng)過二、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。以上問題最直接后果就是激光通信誤碼率較高誤碼率達(dá)到一定程度時會導(dǎo)致通信失敗。五、水下光通信的分類依據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)不同或者說是否是固定端點間的信息傳送而將水下光通信分為水下光纖通信和水下激光通信。5.1水下光纖通信5.1.1水下光纖海底光纜：敷設(shè)在海底的通信光纜，稱海底光纜。又稱海底通訊電纜，是用絕緣材料包裹的導(dǎo)線，鋪設(shè)在海底，用以設(shè)立國家之間的電信傳輸。最初海底通訊電纜提供電報通訊，后來的電纜則最次引入電話通訊，以及電腦網(wǎng)絡(luò)通訊。現(xiàn)代的電纜還

11、用上光纖技術(shù)去傳遞數(shù)位信息，并且設(shè)立更先進(jìn)的電話通訊 互聯(lián)網(wǎng)與私人數(shù)據(jù)通訊。海底光纜是用絕緣外皮包裹的導(dǎo)線束鋪設(shè)在海底，分海底通信光纜和海底光力光纜。前者主要用于通訊業(yè)務(wù)，后者主要用于水下傳輸大功率光能。與人造衛(wèi)星相比，海底光纜有很多優(yōu)勢：海水可防止外界光磁波的干擾，所以海纜的信噪比較低；海底光纜通信中感受不到時間延遲；海底光纜的設(shè)計壽命為持續(xù)工作25年，而人造衛(wèi)星一般在10到15年內(nèi)就會燃料用盡，因此相對于衛(wèi)星通信，海纜通信具有價格低，通信速度快等優(yōu)點。但是由于海纜是埋在海底，所以海纜 往往容易遭到捕魚的拖網(wǎng)漁船，船錨破壞，甚至鯊魚咬斷，而且有時也被敵軍部隊在戰(zhàn)時破壞，再加上海水具有腐蝕性，

12、且海纜一般埋在深海處，受到的壓強(qiáng)較大所以海底光纜也有其鋪設(shè)維修困難等不利因素。5.1.2海底光纜的構(gòu)造 深海光纜的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜：光纖設(shè)在U形槽塑料骨架中，槽內(nèi)填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強(qiáng)度的鋼絲繞包，在繞包過程中要把所有縫隙都用防水材料填滿，再在鋼絲周圍繞包一層銅帶并焊接搭縫，使鋼絲和銅管形成一個抗壓和抗拉的聯(lián)合體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護(hù)套，這樣嚴(yán)密多層的結(jié)構(gòu)是為了保護(hù)光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入。典型海底光纜的結(jié)構(gòu)解析1) 聚乙烯層 2) 聚酯樹酯或瀝青層 3) 鋼絞線層4) 鋁制防水層 5) 聚碳酸酯層 6) 銅管或鋁管 7) 石蠟，烷層 8) 光纖束5

13、.2水下激光通信水下無線通信廣泛使用的是聲學(xué)通信技術(shù)，水聲通信技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、通信可靠性高等優(yōu)點，聲學(xué)通信技術(shù)在淺海和深海的水下無線通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，水下聲學(xué)通信也有諸多的局限性。5.2.1水下激光通信的組成水下激光通信主要由三大部分組成：發(fā)射系統(tǒng)、水下信道和接收系統(tǒng)。水下無線光學(xué)通信的機(jī)理是將待傳送的信息經(jīng)過編碼器編碼后，加載到調(diào)制器上轉(zhuǎn)變成隨著信號變化的電流來驅(qū)動光源，即將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，然后通過透鏡將光束以平行光束的形式在信道中傳輸；接收端由透鏡將傳輸過來的平行光束以點光源的形式聚集到光檢測器上，由光檢測器件將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后進(jìn)行信號調(diào)理，最后由解碼器解調(diào)出原來的信息。水下激光通信系統(tǒng)的組成：5.2.2水下激光通信的優(yōu)勢水下激光通信的優(yōu)點是：1) 通信容量大。在理論上，激光通信可同時傳送1000萬路電視節(jié)目和100億路電話；2) 保密性強(qiáng)。激光不僅方向性特強(qiáng)，而且可采用不