水下激光通信技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

沈鵬，楊磊，陳云賽

（國家深海基地管理中心，山東 即墨 266237）

海洋面積占地球表面積的71%，海洋中蘊(yùn)含著遠(yuǎn)未為人類所知的油氣、礦產(chǎn)和生物基因等資源，而近年來，隨著陸地資源的日益枯竭和人類未來發(fā)展空間需求的增長，各國更加重視海洋科學(xué)方面的研究工作，海洋探測、海底資源開發(fā)已成為海洋科學(xué)研究的熱點(diǎn)。未來誰能夠擁有和控制更為廣闊的海洋，誰就掌握了未來發(fā)展中更多的資源和生存空間，因此，進(jìn)入深海、勘探深海和開發(fā)深海是實(shí)現(xiàn)中國偉大復(fù)興夢的必由之路。

載人潛水器（HOV）、遙控潛水器（ROV）等水下移動(dòng)式運(yùn)載平臺的普遍使用，將科學(xué)家及探測設(shè)備運(yùn)抵至深海海底現(xiàn)場進(jìn)行原位的探測取樣研究，大大提高了水下探測的效率。介于水下移動(dòng)式運(yùn)載平臺為搭載設(shè)備及作業(yè)工具預(yù)留的電氣接口有限，海底探測設(shè)備的探測數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)反饋到運(yùn)載平臺當(dāng)中，這就導(dǎo)致只能在海底探測設(shè)備回收至支撐船舶后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。水下激光通信設(shè)備為科學(xué)家提供了一種可以實(shí)時(shí)獲取海底地質(zhì)、水文、熱液噴口硫化物等探測數(shù)據(jù)的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的原位分析判斷，提供有針對性的采樣依據(jù)，提高潛次作業(yè)效率。

1 水下激光通信技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的水下聲學(xué)通信受傳播能量損失大、環(huán)境噪聲影響大、受水體折射與發(fā)射的多徑效應(yīng)等方面的嚴(yán)重影響，使得聲學(xué)通信質(zhì)量差、通信效率低下。而水下激光通信技術(shù)在近距離水下信息傳輸方面，表現(xiàn)克服了水聲通信的諸多局限性，性能表現(xiàn)優(yōu)越，使得水下激光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

在海水中，采用波長范圍在470～525nm之間的藍(lán)綠激光，可以最為有效的降低海水對光波的吸收，有效提高激光的傳播效率。激光投射到自容式水下傳感器外置的光敏傳感器，光敏傳感器感受不同頻率的激光，從而實(shí)現(xiàn)通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下短距離非接觸式控制指令、數(shù)據(jù)信息的傳遞。激光在水下傳播過程中表現(xiàn)的這些物理特性，為水下激光通信設(shè)備的應(yīng)用提供了可能。

水下激光通信技術(shù)應(yīng)用于水下移動(dòng)式運(yùn)載平臺中主要體現(xiàn)出以下3方面的優(yōu)點(diǎn)。

（1）通信速度快。與傳統(tǒng)的聲學(xué)通信僅為bt/s的速率相比，水下激光通信采用高頻率信息傳輸，傳輸速率可以輕松達(dá)到Kbit/s、Mbit/s，甚至是Gbit/s。

（2）水下無線連接信息傳輸。介于水下移動(dòng)式運(yùn)載平臺為搭載設(shè)備及作業(yè)工具預(yù)留的電氣接口有限，因此，實(shí)現(xiàn)水下探測設(shè)備與水下移動(dòng)式運(yùn)載平臺無線連接信息傳輸，有利于提高深?？碧阶鳂I(yè)的效率。

（3）實(shí)時(shí)性強(qiáng)。水下激光通信技術(shù)的高傳輸速率，可以保證探測裝備的測量數(shù)據(jù)能夠通過無線連接的方式，傳輸至周邊的移動(dòng)運(yùn)載平臺上，解決了尤其是搭載人潛水器下潛勘探的科學(xué)家實(shí)時(shí)獲取探測裝備測量數(shù)據(jù)的技術(shù)難題。

水下激光通信技術(shù)的應(yīng)用同樣存在以下缺點(diǎn)。

（1）易受水體環(huán)境干擾。水下激光通信的信道是水體。因此，水質(zhì)、水流等環(huán)境因素對激光通信的性能起到?jīng)Q定性的作用。尤其是深海海底作業(yè)過程中，近底揚(yáng)塵對通信效果的影響顯著。

（2）發(fā)射器與接收器的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。水下激光信息需要進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，接收端與發(fā)射端的精確對接才能建立有效的通信。這就要求水下探測設(shè)備與移動(dòng)式運(yùn)載平臺之間要保持一段時(shí)間的相對位置不變。在復(fù)雜的水下環(huán)境中，保持兩者之間的相對位置不變具有一定的操作難度。

2 國外水下激光通信技術(shù)的發(fā)展情況簡介

國際上，美國、澳大利亞、日本等國很早便開展了水下激光通信技術(shù)研究，已經(jīng)在水下激光通信領(lǐng)域取得了比較突出的成績。尤其是近年來，國外對于水下激光通信技術(shù)的發(fā)展勢頭迅猛，日本、美國等相繼突破水下激光高速率信息傳輸技術(shù)，為水下激光通信技術(shù)在水下裝備中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2015年，日本山梨大學(xué)利用405nm波長的LD光源，在4.8m的清水中成功實(shí)現(xiàn)了1.45Gbit/s的信息傳輸，誤碼率為9.1×10-4。

2016年，美國克萊姆森大學(xué)利用445nm波長的LD（laser diode，激光二極管）光源，在模擬海水的環(huán)境下使用OOK-OAM調(diào)制技術(shù)完成了2.96m距離的高速率水下數(shù)據(jù)無線傳輸，數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到了3Gbit/s，誤碼率僅為2.073×10-4，在使用OAM-WDM-PDM技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了10Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸。

同年，波蘭TopGaN公司，在模擬海水的環(huán)境中，利用直接調(diào)制氮化鎵激光二極管的方式，完成了1m距離內(nèi)2.5Gbit/s速率的數(shù)據(jù)傳輸。

同樣在2016年，南加利福尼亞大學(xué)使用OOKOAM信號調(diào)制技術(shù)，使用1064nm激光器生成532倍頻激光，在1.2m距離的清水中實(shí)現(xiàn)了速率高達(dá)40Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。

沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST，King Abdullah University of Science and Technology)的Abdullah Al-Halaf在2015～2016年，通過多次對比試驗(yàn)，取得了不同波長的光波、不同距離以及不同海水水質(zhì)等條件下的多組對比數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了同等波長的光波在不同傳播距離下的傳輸速率及誤碼率變化規(guī)律。

3 水下激光通信技術(shù)在我國的發(fā)展概況

我國在水下激光應(yīng)用領(lǐng)域起步較晚，國內(nèi)主要有清華大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海光機(jī)所、浙江大學(xué)以及桂林電子科技大學(xué)等單位從事水下激光的研究。

2013年清華大學(xué)的董宇涵，建立了一種新型的水下理論鏈路模型，并用數(shù)學(xué)模型建立起系統(tǒng)的鏈接范圍、發(fā)射功率、誤碼率、海水特性和風(fēng)速等各種因素之間的關(guān)系。

2016年，浙江大學(xué)采用了波長為685nm的紅色激光進(jìn)行了水下激光通信實(shí)驗(yàn)，在使用128-QAM OFDM調(diào)制模式下，僅有7.32bit/s的傳輸速率，而更換成32-QAM OFDM調(diào)制模式后速率提升至4.883 Gbit/s，誤碼率為 3.2×10-3。

2016年，西北工業(yè)大學(xué)的黃愛萍博士采用532nm波長的藍(lán)綠激光，分析了典型海水中的信道脈沖影響，通過蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)清澈水域中的無碼間干擾信道，并驗(yàn)證了信道傳輸效率隨接收視角和發(fā)散角的增大而減小。

2017年，杭州電子科技大學(xué)的蔡文郁老師帶領(lǐng)張軍等學(xué)生，研制了一款水下激光高速通信系統(tǒng)。采用DPIM（Digital Pulse Interval Modulation）信號調(diào)制技術(shù)，對研制的該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)了水下50m距離，點(diǎn)對點(diǎn)的高速率、低誤碼率信息傳輸，傳輸速度到達(dá) 1Mbit/s。

2015～2017年，臺灣大學(xué)使用GaN LD激光器，利用16QAM-OFDM調(diào)制技術(shù)生成450nm波長的藍(lán)光，通過對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了在海水中使用這種調(diào)制技術(shù)進(jìn)行水下激光傳輸速率達(dá)到7.2GBit/s時(shí)，信號傳輸距離不會低于6.8m。

4 結(jié)語

在水下可移動(dòng)式運(yùn)載平臺上應(yīng)用水下激光通信技術(shù)，可以提高運(yùn)載平臺的作業(yè)效率和作業(yè)安全，進(jìn)而提高我國在深海熱液活動(dòng)區(qū)等典型海底礦區(qū)的探測技術(shù)水平，為深海熱液硫化物/富鈷結(jié)殼/多金屬結(jié)核成礦作用礦區(qū)分布規(guī)律的研究以及資源勘探提供科學(xué)技術(shù)支持，同時(shí)也對于增加我國戰(zhàn)略資源儲備，拓展戰(zhàn)略發(fā)展空間，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有更重要的技術(shù)支撐和保障作用。

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