水下光通信的分集接收技術(shù)

【摘 要】本文主要論述水下光通信的分集接收技術(shù)，主要針對水下藍綠激光的可視距離激光信號進行接收，能夠增強水下激光通信能力、有利于完成水下通信任務(wù)，對工程應(yīng)用、軍事發(fā)展、國防科研等有重要意義。

【關(guān)鍵詞】水下 光通信 分集接收

海洋覆蓋著地球三分之二的表面積，它是人類探索和研究的最前沿的領(lǐng)域之一。海洋不僅在國際商業(yè)和漁業(yè)中扮演重要的角色，而且還包含了有關(guān)氣候的信息，以及大量急待開發(fā)的資源。水下無線通信是研制海洋觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，借助海洋觀測系統(tǒng)，可以采集有關(guān)海洋學的數(shù)據(jù)，監(jiān)測環(huán)境污染、氣候變化。海底異常地震火山活動，探查海底目標，以及遠距離圖像傳輸，水下無線通信在軍事中也起到至關(guān)重要的作用，而且水下無線通信也是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。水下光通信具有數(shù)據(jù)傳輸率高的優(yōu)點，但是水下光通信受環(huán)境的影響較大，克服環(huán)境的影響是將來水下光通信技術(shù)的發(fā)展方向。水下光主要通信是利用海水對波長為470nm～570nm的藍綠激光具有低損耗窗口，依靠大氣、空氣/海水界面和海水作為光信道，實現(xiàn)飛機（或衛(wèi)星）對水下約300m深度的潛艇通信。這種通信方式具有波束隱蔽、接收天線小、通信速率高、抗干擾和保密性強等優(yōu)點。

一、水下激光信道激光傳輸特性研究

根據(jù)前人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：忽略海水擾動和熱暈效應(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)生橫向擴展，其擴散直徑與水質(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入光軸，形成多次散射。多次散射效應(yīng)是隨著粒子的濃度和輻照體積的大小而變化的，由于多次散射的復(fù)雜性，很難通過分析方法得到擴散與水質(zhì)參數(shù)及水下深度間精確的數(shù)學關(guān)系式，并且受到實驗條件和實驗經(jīng)費的限制，不可能對每一種水質(zhì)、每一個水下深度都進行實驗，而且有些特性還很難甚至無法用實驗的方法測量。

二、水下激光通信系統(tǒng)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)。水下激光通信的機理是將激光器發(fā)射的激光信號進行時頻調(diào)制，經(jīng)過放大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陣列式光檢測器上，由光檢測器件將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后進行信號處理，最后由解碼器解調(diào)出原來的信息。

三、水下激光分集接收系統(tǒng)設(shè)計

（1）分集接收基本理論。分集接收技術(shù)就是利用不同路徑、不同頻率、不同信號到達角度、不同時間和不同極化等方式去接收載荷著同一信息的信號，并將同一信息的各個信號分量按照某種方法予以合并的一種信息處理技術(shù)，相應(yīng)地分集接收方式有空間分集、頻率分集，角度分集和極化分集和等采用這一技術(shù)的目的，分集接收技術(shù)是一種抗衰落的有效途徑。

（2）分集接收方案。本激光分集接收系統(tǒng)采用頻率分集接收技術(shù)，用頻率間隔大于相關(guān)帶寬的兩載波載荷信息來發(fā)送，在接收端分別接收兩種頻率的載波，再按照一定的方法將其合并輸出，以達到抗頻率選擇性衰落的目的。合并技術(shù)中，平方律合并是在振幅和相位都不確知時的一種最佳合并方式，在系統(tǒng)將采用這種合并接收技術(shù)。目前的頻率分集技術(shù)可大體分為兩類，一是顯分集，二是隱分集，可以用不同頻率載波的順序來載荷信息，本水下光通信系統(tǒng)采用四時四頻調(diào)制方式，分集接收端也采用時頻解調(diào)方式，屬于一種隱分集技術(shù)。

四、硬件電路設(shè)計

分集接收系統(tǒng)硬件電路采取多路分集接收方式，對不同方向和不同強弱的信號都能進行接收，這可減少環(huán)境光噪聲的影響和多徑畸變，因為每個單元接收到的與主信號延遲光只有一小部分。在設(shè)計光電檢測器陣列時應(yīng)考慮每個光電檢測器的尺寸要盡量小，以減小光電檢測器的電容，這可增加接收機帶寬、減小前置放大器的熱噪聲，對提高接收機的靈敏度有利。光電檢測器陣列以單片集成，共用一個聚光器，放在聚光器的焦平面上，每個光電檢測器相當于一個像素。

（1）藍綠激光探測器。經(jīng)過對光電二極管、雪崩光電二極管和光電倍增管的特性研究，決定采用APD探測器對藍綠激光進行探測，藍綠激光波長在470nm-580nm，APD探測器與PIN探測器、PWT探測器相比響應(yīng)速度快，不需要高壓電源，適用于微弱信號的檢測和接收。

（2）MIMO通信方式。MIMO技術(shù)主要是利用具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個獨立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。對于分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。MIMO也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。在本系統(tǒng)中MIMO技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。

（3）高速時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）。CDR電路包括時鐘恢復(fù)電路與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，同時采樣夾雜噪聲的數(shù)據(jù)信號，提取出同步的時鐘，恢復(fù)數(shù)據(jù)。具有較小的抖動輸出，他也同時決定了對信號進行判決的好壞。

與其他水下激光接收調(diào)制方法相比，分集接收技術(shù)在水下衰落信道中具有更好的抗衰落特性。水下激光通信中的分集接收技術(shù)對今后水下通信方式的研究，提高信號在水下的抗衰落能力以及民用、國防等領(lǐng)域中的水下作業(yè)、作戰(zhàn)能力等的提高有巨大的理論和現(xiàn)實意義

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作者簡介：吳起鵬（1987.08），男，漢族，吉林長春人，長春理工大學工學學士，從事無線光通信、水下光通信研究。