水下光通信技術(shù)難點分析

鄧　榮，馮　瑜，羅　兵

（海軍蚌埠士官學(xué)校，　安徽　蚌埠　233012）

水下光通信技術(shù)難點分析

鄧榮，馮瑜，羅兵

（海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽蚌埠233012）

水下光通信是以光為信息載體，脈沖數(shù)字編碼來調(diào)制，通過水下信道傳輸信息的通信方式，藍(lán)綠激光在海水中數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)。本文介紹了水下光通信的應(yīng)用前景和國內(nèi)外光通信的研究現(xiàn)狀，分析了水下光通信的技術(shù)難點，提出水下光通信技術(shù)研究的方向。

水下光通信；藍(lán)綠光通信；研究現(xiàn)狀；技術(shù)難點

所謂水下光通信，就是以光為信息載體，脈沖數(shù)字編碼來調(diào)制，通過水下信道傳輸信息的通信方式。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，某些特定波長的光波在水下的衰減遠(yuǎn)小于其他波長的光波，這些特定波長的光波為藍(lán)綠光，波長為470nm-540nm。一定功率的藍(lán)綠激光在海水中的穿透能力可以達(dá)到600m，其工作頻率高（1012Hz-1014Hz），通信頻帶寬，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，波束故而隱蔽安全［1-3］

一、水下光通信的應(yīng)用前景

水下無人航行器（UUV）是獲得水下戰(zhàn)場態(tài)勢的重要軍事工具［4］。它由母艇發(fā)射，在環(huán)境復(fù)雜的淺海地區(qū)，長時間、自主地進(jìn)行隱秘工作。它能為潛艇和水面艦艇提供“水下圖像”，為戰(zhàn)術(shù)決策提供幫助?？捎行鸭泻退媲閳?，作為誘餌協(xié)助母艇獵殺敵艇，或者對敵艇進(jìn)行長時間跟蹤。它使用靈活、隱蔽性強(qiáng)、能適應(yīng)復(fù)雜海況、可探測危險海域，能有效減少人員傷亡，被喻為“海底偵察兵”。為了把UUV搜集的大量情報快速、實時地匯報給母艇以便母艇盡快了解戰(zhàn)場態(tài)勢、做出反應(yīng)，需要又快又準(zhǔn)的通信。

目前潛艇無線通信主要采用甚低頻通信［5］，須使用幾百米長的拖曳天線，通信速率為每分鐘幾個比特，傳輸三個字母的報警信號需要花十幾分鐘［6-7］。這種方法不能滿足潛艇對隱蔽性的要求且容易被干擾，不能實時通信。

在傳輸距離上具有明顯優(yōu)勢的聲波近年來逐漸被人們重視，聲波在海水中能傳輸幾百公里，即使20kHz的聲波在水中的傳輸衰減也只有2dB/km～3dB/km，所以，聲波為在水下數(shù)據(jù)傳輸提供了一種解決方案［8］。但是水聲信道是多途、色散和時變的信道，聲波在其中的傳播行為十分復(fù)雜，影響水聲通信的物理因素也很多，主要是：傳播延遲長和延遲方差大、傳播損失大、多路徑效應(yīng)嚴(yán)重、淺海環(huán)境噪聲強(qiáng)、多普勒頻散嚴(yán)重等［9］。而且聲波的吸收大體上與頻率的平方成正比，通信可用的帶寬很窄。聲波在水下傳輸?shù)乃俣群苈?，限制了水下快速通信的發(fā)展。另外，聲波通信的保密性存在一定的安全隱患，不能滿足現(xiàn)代海戰(zhàn)的要求。

針對上述問題，20世紀(jì)70年代起，就有人開始開展水下光通信研究，通過使用光通信來改變水下軍事載體通信速率低和保密性差的狀況。

二、國外光通信研究狀況

（一）無線光通信

進(jìn)入二十一世紀(jì)后，自由空間無線光通信技術(shù)得到迅猛發(fā)展。由于其無需線路投資、無頻段限制、高速率、大容量而得到廣泛重視［10］，各種新的理論和應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)，一些商用級的無線光通信系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并被廣泛使用。如2000年悉尼奧運會的光接入網(wǎng)，德國、捷克等國一些大學(xué)的校園光接入網(wǎng)。同時無線光通信應(yīng)用不斷擴(kuò)展，如室內(nèi)的可見光通信，大氣無線光通信，空間的衛(wèi)星激光通信等。

（二）對潛光通信

1971年美國海軍成功研制出 PLADS（Pulse Light Airborn Depth Sounder）機(jī)載系統(tǒng)，并在直升機(jī)上對海底進(jìn)行了實驗。美國海軍從1977年通過衛(wèi)星—潛艇通信可行性認(rèn)證后，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。從1980年起，以幾乎每兩年一次的頻率，多次進(jìn)行海上大型藍(lán)綠激光對潛通信試驗，這些試驗包括成功進(jìn)行的12km高空對水下300m深海的潛艇的單工激光通信試驗，以及在更高的天空、長續(xù)航時間的模擬無人駕駛飛機(jī)與以正常下潛深度和航速航行的潛艇間的雙工激光通信可行性試驗，證實了藍(lán)綠激光通信能在天氣不正常、大暴雨、海水渾濁等惡劣條件下正常進(jìn)行。1985年美國海軍利用星載激光器與“海豚號”潛艇進(jìn)行了通信試驗，深度達(dá)250m，航速30節(jié)，通信容量已達(dá)數(shù)Kbps，并取得了驚人的數(shù)據(jù)［11-12］。

除美國以外，英國、俄羅斯、加拿大、瑞典、澳大利亞、法國、荷蘭等國也先后研制出了各自的機(jī)載激光通信系統(tǒng)，并向星載激光通信系統(tǒng)發(fā)展。

（三）水下藍(lán)綠光通信

水下藍(lán)綠光通信受對潛光通信技術(shù)需求的推動從六十年代開始興起，發(fā)展到八十年代由于光源和檢測器件的性能沒有提高，一度逐漸沉寂，但進(jìn)入九十年代，尤其是進(jìn)入新世紀(jì)后，受無線光通信技術(shù)和器件性能提高的推動，水下藍(lán)綠光通信重新受到巨大重視，國外很多研究機(jī)構(gòu)先后進(jìn)行了水下藍(lán)綠光通信的各種實驗。

1993年，巴西的J.P.von der Weid在采用波長為610nm的半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了20m傳輸速率達(dá)到1.46kb/s的數(shù)據(jù)傳輸。2004年，美國的Woods Hole研究所和麻省理工在海水中采用普通的藍(lán)光LED實現(xiàn)了115kb/s的Irda通信，距離達(dá)到5m。2005年，美國北加州大學(xué)進(jìn)行的水下藍(lán)綠光通信水池實驗，實現(xiàn)了傳輸速率1M，距離約5m的光通信鏈接三、國內(nèi)光通信研究狀況。

國內(nèi)在水下藍(lán)綠光通信的相關(guān)研究起步相對較晚，主要集中在大氣對潛激光通信方面，華中科技大學(xué)在“八五”期間承擔(dān)國防預(yù)研重點項目“機(jī)載藍(lán)綠激光探潛總體及單元技術(shù)”，研制出我國第一套機(jī)載激光探潛試驗裝置。武漢大學(xué)研制出一臺能較好實現(xiàn)大氣激光通信的樣機(jī)。桂林電子科技大學(xué)在“九五”期間承擔(dān)了國防預(yù)研項目“藍(lán)綠激光雙向?qū)撏ㄐ抨P(guān)鍵技術(shù)”，在海南省某地做了海水對通信深度影響的實驗［13］。青島海洋大學(xué)在1998年采用半導(dǎo)體激光器做了3m的水箱傳輸圖片的實驗，傳輸數(shù)據(jù)率為9.6Kb/s。

三、水下光通信面臨的技術(shù)難點

盡管水下激光通信具有發(fā)展前景，但目前來看，水下光通信工程化實現(xiàn)，乃至走向?qū)嶋H軍事化應(yīng)用，還需要重點解決以下幾個方面的技術(shù)難點。

（一）海水隨機(jī)信道對激光傳輸?shù)挠绊?/p>

海水是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物系統(tǒng)，它含有溶解質(zhì)、懸浮體以及各種海洋生物。激光傳輸過程中，必然與水分子和這些粒子相互作用，被吸收或散射，從而對激光傳輸產(chǎn)生影響，這種影響體現(xiàn)為光波傳輸?shù)姆刃?yīng)、空間效應(yīng)和時間效應(yīng)。幅度效應(yīng)表現(xiàn)為功率的變化，包括功率衰減、功率波動等；空間效應(yīng)表現(xiàn)為光子傳輸方向的改變，光束的擴(kuò)展等；時間效應(yīng)是針對脈沖信號而言的，其表現(xiàn)為光脈沖經(jīng)水體傳輸后會發(fā)生時間展寬效應(yīng)。這種效應(yīng)具有隨時間、空間變化的特點，且對不同光學(xué)系統(tǒng)的影響各不相同，在一定條件下，有些湍流效應(yīng)會嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)正常設(shè)計性能的發(fā)揮。總的來說，光在水下的衰減限制了其通信作用距離，這也是限制激光水下實用系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。

（二）水下藍(lán)綠光通信理論模型的建立

研究水下藍(lán)綠光傳輸特性，建立水下藍(lán)綠光通信理論模型是開展實驗研究的理論基礎(chǔ)。光波在水下傳輸?shù)倪^程遠(yuǎn)比其在空氣中傳輸要復(fù)雜得多，由于水體本身及其所含雜質(zhì)對光波的吸收和散射作用，會改變光波的各種參數(shù)，如強(qiáng)度、空間特性、偏振特性等等。因此，一直以來國內(nèi)外在該研究領(lǐng)域有實際應(yīng)用價值的研究成果不多。所以，這是水下光通信系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)難點之一。

（三）水下藍(lán)綠光通信的信道編碼

水下光通信的傳輸環(huán)境相對惡劣，水體急速流動可能會引起水體傳輸特性局部發(fā)生改變，從而引起光束瞬間偏離原來的傳輸方向，影響到通信的可靠性，信道編碼可以改善通信質(zhì)量，提高作用距離。而如何信道編碼又需要結(jié)合具體水下藍(lán)綠光通信系統(tǒng)的特點，通過理論分析得出，再由實驗進(jìn)行驗證。

（四）藍(lán)綠光源高速調(diào)制方法的研究

為了獲得較高的通信速率就必須對光源進(jìn)行高速調(diào)制，這就需要對光源的特性以及各種調(diào)制手段非常熟悉。光源的種類很多，不同種類的光源的調(diào)制特性不同，甚至相同種類的光源由于結(jié)構(gòu)和組成材料差別，其調(diào)制特性也千差萬別。因此，選擇合適的光源并為其設(shè)計調(diào)制方法也是本項目的技術(shù)難點之一。

（五）高精度、高速度的光束對準(zhǔn)

水下激光通信若要實現(xiàn)較長距離的通信要求，則必須使得發(fā)射光束盡量的窄，以減少光功率的發(fā)散損失，但卻給發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的對準(zhǔn)造成了困難。對準(zhǔn)是建立和維持水下激光通信鏈路的基本條件，所以在滿足水下載體接收機(jī)小型化、輕量化、低功耗的前提下，在存在平臺擾動和背景光干擾等條件下，如何在遠(yuǎn)距離實現(xiàn)高精度、快速的對準(zhǔn)是實現(xiàn)水下光通信必須解決的問題之一。

（六）如何滿足大容量、遠(yuǎn)距離傳輸條件下的大功率發(fā)射、高靈敏度接收

盡管激光通信具有發(fā)射光束窄、能量密度集中的特點，但經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后，接收機(jī)探測接收到的光能量一般都比較弱，特別是經(jīng)過海水信道傳輸后，不僅能量的損失可能很嚴(yán)重，而且海水湍流效應(yīng)嚴(yán)重地影響了傳輸激光束的相干性，這些問題對通信質(zhì)量的影響也很重要。

參照自由空間激光通信鏈路解決后兩個問題的方法，設(shè)計一套自動捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤（Acquisition，pointing and tracking）的APT系統(tǒng)，可以解決發(fā)射與接收對準(zhǔn)的問題。采用高功率、大能量儲備能力的激光器，可以實現(xiàn)大功率發(fā)射。但是，伴隨著這些功能的實現(xiàn)，整個通信系統(tǒng)所占用的體積和重量都會增加很多。

由此可見，要實現(xiàn)水下藍(lán)綠光通信鏈路工程化實踐還有大量的研究工作需要繼續(xù)進(jìn)行。

［1］夏維華，王一路.潛艇通信系統(tǒng)綜述 ［J］.計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2002，（17）.

［2］楊正興，梁玉軍，等.藍(lán)綠激光對潛通信研究［J］.光機(jī)電信息，2006，（2）.

［3］裴楠楠，李大社.激光對潛通信［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2004，（1）.

［4］許韋韋，孟昭香.新興的水下作戰(zhàn)平臺UUV［J］.指揮控制與仿真，2006，（3）.

［5］盧益民，鄭友民.激光對潛系統(tǒng)探測信號動態(tài)范圍自適應(yīng)調(diào)節(jié)［J］.激光與紅外，2001，（1）

［6］趙長明，黃杰.未來激光探潛和對潛通信技術(shù)的發(fā)展［J］.光學(xué)技術(shù)，2001，（1）.

［7］江月明.對潛通信系統(tǒng)及其發(fā)展探討 ［J］.無線電工程，2003，（9）.

［8］姜國興，劉煜禹.方興未艾的水下通信技術(shù)［J］.中國水運，2007，（6）.

［9］劉林泉，梁國龍，等.時頻編碼在水聲通信中的應(yīng)用［J］.聲學(xué)技術(shù)，2007，（5）.

［10］李萌，王中宇.無線光通信中的DPIM與Turbo聯(lián)合編碼調(diào)制研究［J］.半導(dǎo)體光電，2009，（4）.

［11］李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［12］Thompson R B，Lopez E F.The effects of focusing andref raction on gaussian ult rasonic beams［J］.J Nondest rEval，1984，（4）.

［13］王謹(jǐn).光無線通信自適應(yīng)接收技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

（責(zé)任編輯：袁媛）

Analysis of Technical Difficulties in Underwater Optical Communications

DENG Rong，F(xiàn)ENG Yu，LUO Bing
（Bengbu NavyPettyOfficer Academy，Bengbu 233012，Anhui）

With pulse code modulation，the underwater optical communications use light as the information carrier to transmit information via underwater information channels.The blue-green lasers are capable of conducting rapid data transmission in sea water.The application prospects of underwater optical communications and the research status on optical communications both at home and abroad are presented.The technical difficulties of underwater optical communications are analyzed.The development trend of the studies of underwater optical communications is also proposed.

underwater optical communications；blue-green laser communications；research status；technical difficulty

TN929.2

A

1671-802X（2016）01-0015-04

2015-10-25

鄧榮（1985-），男，四川南充人，助教，研究方向：大氣與海洋光電探測。E-mail：674433932@qq.com.