水下光通信LED陣列光源方法與實(shí)現(xiàn)＊

金曉宇 鄧 榮 馬 軍 謝小秋

（1.海軍蚌埠士官學(xué)校兵器系 蚌埠 233012）（2.92815部隊(duì) 寧波 315716）

1 引言

所謂水下光通信，就是以光為信息載體，脈沖數(shù)字編碼來(lái)調(diào)制，通過(guò)水下信道傳輸信息的通信方式［1～3］。水下光通信具有頻帶寬、通信速率大和保密性好等優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，由于水體的吸收和散射作用，光波在水下傳輸?shù)乃p很大，但是，研究表明，某些特定波長(zhǎng)的光波在水下的衰減遠(yuǎn)小于其他波長(zhǎng)的光波，這些特定波長(zhǎng)的光波為藍(lán)綠光，波長(zhǎng)470～540nm［4～7］。用 LED 做光源進(jìn)行水下光通信，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相對(duì)容易對(duì)準(zhǔn)，還能兼顧照明。它體積小，重量輕，便于攜帶，適合安裝在水下小型航行器和潛水員身上。本文立足于此，展開(kāi)相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和理論研究。

目前，水下光通信研究中，以激光對(duì)潛通信研究為主，也有部分應(yīng)用LED做光源進(jìn)行水下光通信的研究。其中，2004年，澳大利亞國(guó)防部資助的研究項(xiàng)目采用可見(jiàn)光LED實(shí)現(xiàn)了2m內(nèi)57kb／s的數(shù)據(jù)通信。2004年，美國(guó)的Woods Hole研究所和麻省理工在海水中采用普通的藍(lán)光LED實(shí)現(xiàn)了115kb／s的Irda通信，距離達(dá)到5m［8～10］。本文在分析LED作光源進(jìn)行水下光通信的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，介紹了水下光通信系統(tǒng)選擇光源的條件，根據(jù)這些條件，設(shè)計(jì)了具體的光源陣列及其光學(xué)系統(tǒng)，最后應(yīng)用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了水下光通信實(shí)驗(yàn)。

2 LED光源用于水下光通信的優(yōu)點(diǎn)

1）容易對(duì)準(zhǔn)

相比LD光源而言，LED光源發(fā)射的光束發(fā)散角大，一定距離的水下傳輸后，發(fā)射光斑相對(duì)激光光斑要大很多，因此在接收端，只要探測(cè)器在光斑能量允許的范圍內(nèi)都可以接收到信號(hào)。所以反射機(jī)和接收機(jī)在水下不穩(wěn)定工作平臺(tái)上對(duì)準(zhǔn)時(shí)就相對(duì)容易，另外，在水下平臺(tái)的擾動(dòng)時(shí)，抗干擾能力也相對(duì)較強(qiáng)，不容易通信中斷，連續(xù)工作能力強(qiáng)［11～12］。

2）體積小、重量輕

激光器由于瞬間輸出高能量而需要為其提供高能量的泵浦源，泵浦源一般體積大，重量重。相比而言，LED驅(qū)動(dòng)電路模塊就小得多，只需要一般的鉛蓄電池加高壓模塊就可以了。因此，它體積小，重量輕。

3）兼顧照明

水下激光通信中，一般采用脈沖激光器做光源，這樣能量相對(duì)能做到集中。脈沖激光器由于需要泵浦源的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要時(shí)間，所以一般不能連續(xù)發(fā)光，即使能連續(xù)發(fā)光，那樣也會(huì)對(duì)激光器造成很大的損壞。LED光源的驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較小，可以工作在連續(xù)發(fā)光模式，同時(shí)，其發(fā)散角大，故能用于水下照明，以便對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。

4）安全

由于激光能量相對(duì)集中，能量大，容易對(duì)人眼或一些不相干的重要儀器造成損害，因此一般不適合在有人員工作的場(chǎng)合使用或直接用于水下潛水員之間的光通信。相反，LED光能量相對(duì)發(fā)散，不容易對(duì)人員或儀器造成傷害。

3 LED性能曲線及陣列方法

光源是水下通信的核心部件，光源的性能對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。水下無(wú)線光通信需要具有高性能指標(biāo)參數(shù)的光源，水下無(wú)線光通信對(duì)光源的要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)滿足水下傳輸損耗的要求。不同波長(zhǎng)的光在海水中傳輸受海水衰減效應(yīng)的影響不同，因此，波長(zhǎng)應(yīng)選擇在光傳輸透射率較高的波段。海水損耗窗口如圖1所示。

圖1 海水低損耗窗口

2）功率應(yīng)較大。由于水下光信道層段的損耗較大，從發(fā)射到接收一般都經(jīng)過(guò)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的功率衰減，探測(cè)器上接收到的甚至是nW、pW量級(jí)的光功率信號(hào)。

3）應(yīng)適應(yīng)水下通信的要求，光源應(yīng)響應(yīng)特性好、質(zhì)量小、體積輕、功耗低，適應(yīng)振動(dòng)、溫度、濕度等環(huán)境變化。

4）能適應(yīng)高調(diào)制頻率。通信速率是通信系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，要想實(shí)現(xiàn)快速光通信，光源必須能很好地適應(yīng)高調(diào)制頻率。

本文選用的光源是流明公司的K2綠光LED，型號(hào)LXK2－PM14－U00，如圖2所示，主要參數(shù)如表1所示，光譜曲線如圖3所示。在1000mA的測(cè)試電流下，它的最小功率為87.4mW，典型功率為100mW。

圖2 單個(gè)LED光源

表1 LED參數(shù)

圖3 LED光譜曲線

由于光在水下衰減較大，單個(gè)LED作用距離有限，為了增加系統(tǒng)的通信距離，又將單個(gè)LED光源擴(kuò)展為多個(gè)LED陣列。多個(gè)LED發(fā)射光可以實(shí)現(xiàn)多光束傳輸，而多光束傳輸可以有效降低通信誤碼。圖4所示是用于安裝光源陣列的七合一LED光源基片。

圖4 七合一LED光源基片

4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于大功率LED發(fā)光二極管的發(fā)散角較大，可達(dá)140°，光能量發(fā)散影響了通信距離，為此，需要使用會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)改善大功率LED發(fā)光二極管的光束質(zhì)量。因?yàn)槭褂玫氖瞧吆弦籐ED光源陣列，所以就選用七合一的透鏡進(jìn)行光束會(huì)聚和準(zhǔn)直，如圖5所示。安裝后的LED陣列與會(huì)聚透鏡如圖6所示，準(zhǔn)直后發(fā)散角為12°，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。準(zhǔn)直后的光斑圖案（1m距離）如圖7所示，能量密度分布如圖8所示。

圖5 LED光源會(huì)聚透鏡

圖6 LED光源與會(huì)聚透鏡實(shí)物安裝圖

圖7 準(zhǔn)直后的光斑圖案（1m距離）

5 實(shí)驗(yàn)

本文在水箱中進(jìn)行了水下LED光通信模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)系統(tǒng)的通信距離和通信速率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)提供給發(fā)射通信系統(tǒng)作為需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，發(fā)射通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)加載到光波上發(fā)射出去，光波經(jīng)水箱傳輸后被接收通信系統(tǒng)接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后由示波器顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)水箱的長(zhǎng)度為1.2米。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖9所示。

圖8 準(zhǔn)直后的能量分布圖

圖9 水箱實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景照片

實(shí)驗(yàn)中，加載到發(fā)射端信號(hào)發(fā)生器上的方波信號(hào)占空比為50%，幅值為2.5V，發(fā)射頻率為500kHz，即數(shù)據(jù)速率1Mb／s，如圖10所示。在接收端示波器獲得的放大數(shù)字信號(hào)如圖11所示。

圖10 發(fā)射信號(hào)

圖11 示波器獲得的放大數(shù)字信號(hào)

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的七合一陣列光源用作水下光通信系統(tǒng)發(fā)射光源，具有體積小，重量輕，能較好地為通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)對(duì)準(zhǔn)提供條件，還能兼顧照明。實(shí)驗(yàn)證明這種通信光源系統(tǒng)能用于實(shí)際的水下通信，而且通信速率還很高，表明這種設(shè)計(jì)是具有可行性的。

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