水下光通信技术难点分析

邓　荣，冯　瑜，罗　兵

（海军蚌埠士官学校，　安徽　蚌埠　233012）

水下光通信技术难点分析

邓荣，冯瑜，罗兵

（海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠233012）

水下光通信是以光为信息载体，脉冲数字编码来调制，通过水下信道传输信息的通信方式，蓝绿激光在海水中数据传输能力强。本文介绍了水下光通信的应用前景和国内外光通信的研究现状，分析了水下光通信的技术难点，提出水下光通信技术研究的方向。

水下光通信；蓝绿光通信；研究现状；技术难点

所谓水下光通信，就是以光为信息载体，脉冲数字编码来调制，通过水下信道传输信息的通信方式。一般认为，由于水体的吸收和散射作用，光波在水下传输的衰减很大，但是，研究表明，某些特定波长的光波在水下的衰减远小于其他波长的光波，这些特定波长的光波为蓝绿光，波长为470nm-540nm。一定功率的蓝绿激光在海水中的穿透能力可以达到600m，其工作频率高（1012Hz-1014Hz），通信频带宽，数据传输能力强，波束故而隐蔽安全［1-3］

一、水下光通信的应用前景

水下无人航行器（UUV）是获得水下战场态势的重要军事工具［4］。它由母艇发射，在环境复杂的浅海地区，长时间、自主地进行隐秘工作。它能为潜艇和水面舰艇提供“水下图像”，为战术决策提供帮助。可有效搜集水中和水面情报，作为诱饵协助母艇猎杀敌艇，或者对敌艇进行长时间跟踪。它使用灵活、隐蔽性强、能适应复杂海况、可探测危险海域，能有效减少人员伤亡，被喻为“海底侦察兵”。为了把UUV搜集的大量情报快速、实时地汇报给母艇以便母艇尽快了解战场态势、做出反应，需要又快又准的通信。

目前潜艇无线通信主要采用甚低频通信［5］，须使用几百米长的拖曳天线，通信速率为每分钟几个比特，传输三个字母的报警信号需要花十几分钟［6-7］。这种方法不能满足潜艇对隐蔽性的要求且容易被干扰，不能实时通信。

在传输距离上具有明显优势的声波近年来逐渐被人们重视，声波在海水中能传输几百公里，即使20kHz的声波在水中的传输衰减也只有2dB/km～3dB/km，所以，声波为在水下数据传输提供了一种解决方案［8］。但是水声信道是多途、色散和时变的信道，声波在其中的传播行为十分复杂，影响水声通信的物理因素也很多，主要是：传播延迟长和延迟方差大、传播损失大、多路径效应严重、浅海环境噪声强、多普勒频散严重等［9］。而且声波的吸收大体上与频率的平方成正比，通信可用的带宽很窄。声波在水下传输的速度很慢，限制了水下快速通信的发展。另外，声波通信的保密性存在一定的安全隐患，不能满足现代海战的要求。

针对上述问题，20世纪70年代起，就有人开始开展水下光通信研究，通过使用光通信来改变水下军事载体通信速率低和保密性差的状况。

二、国外光通信研究状况

（一）无线光通信

进入二十一世纪后，自由空间无线光通信技术得到迅猛发展。由于其无需线路投资、无频段限制、高速率、大容量而得到广泛重视［10］，各种新的理论和应用技术不断涌现，一些商用级的无线光通信系统已经开发并被广泛使用。如2000年悉尼奥运会的光接入网，德国、捷克等国一些大学的校园光接入网。同时无线光通信应用不断扩展，如室内的可见光通信，大气无线光通信，空间的卫星激光通信等。

（二）对潜光通信

1971年美国海军成功研制出 PLADS（Pulse Light Airborn Depth Sounder）机载系统，并在直升机上对海底进行了实验。美国海军从1977年通过卫星—潜艇通信可行性认证后，就与美国国防研究远景规划局开始执行联合战略激光通信计划。从1980年起，以几乎每两年一次的频率，多次进行海上大型蓝绿激光对潜通信试验，这些试验包括成功进行的12km高空对水下300m深海的潜艇的单工激光通信试验，以及在更高的天空、长续航时间的模拟无人驾驶飞机与以正常下潜深度和航速航行的潜艇间的双工激光通信可行性试验，证实了蓝绿激光通信能在天气不正常、大暴雨、海水浑浊等恶劣条件下正常进行。1985年美国海军利用星载激光器与“海豚号”潜艇进行了通信试验，深度达250m，航速30节，通信容量已达数Kbps，并取得了惊人的数据［11-12］。

除美国以外，英国、俄罗斯、加拿大、瑞典、澳大利亚、法国、荷兰等国也先后研制出了各自的机载激光通信系统，并向星载激光通信系统发展。

（三）水下蓝绿光通信

水下蓝绿光通信受对潜光通信技术需求的推动从六十年代开始兴起，发展到八十年代由于光源和检测器件的性能没有提高，一度逐渐沉寂，但进入九十年代，尤其是进入新世纪后，受无线光通信技术和器件性能提高的推动，水下蓝绿光通信重新受到巨大重视，国外很多研究机构先后进行了水下蓝绿光通信的各种实验。

1993年，巴西的J.P.von der Weid在采用波长为610nm的半导体激光器实现了20m传输速率达到1.46kb/s的数据传输。2004年，美国的Woods Hole研究所和麻省理工在海水中采用普通的蓝光LED实现了115kb/s的Irda通信，距离达到5m。2005年，美国北加州大学进行的水下蓝绿光通信水池实验，实现了传输速率1M，距离约5m的光通信链接三、国内光通信研究状况。

国内在水下蓝绿光通信的相关研究起步相对较晚，主要集中在大气对潜激光通信方面，华中科技大学在“八五”期间承担国防预研重点项目“机载蓝绿激光探潜总体及单元技术”，研制出我国第一套机载激光探潜试验装置。武汉大学研制出一台能较好实现大气激光通信的样机。桂林电子科技大学在“九五”期间承担了国防预研项目“蓝绿激光双向对潜通信关键技术”，在海南省某地做了海水对通信深度影响的实验［13］。青岛海洋大学在1998年采用半导体激光器做了3m的水箱传输图片的实验，传输数据率为9.6Kb/s。

三、水下光通信面临的技术难点

尽管水下激光通信具有发展前景，但目前来看，水下光通信工程化实现，乃至走向实际军事化应用，还需要重点解决以下几个方面的技术难点。

（一）海水随机信道对激光传输的影响

海水是一种复杂的物理、化学、生物系统，它含有溶解质、悬浮体以及各种海洋生物。激光传输过程中，必然与水分子和这些粒子相互作用，被吸收或散射，从而对激光传输产生影响，这种影响体现为光波传输的幅度效应、空间效应和时间效应。幅度效应表现为功率的变化，包括功率衰减、功率波动等；空间效应表现为光子传输方向的改变，光束的扩展等；时间效应是针对脉冲信号而言的，其表现为光脉冲经水体传输后会发生时间展宽效应。这种效应具有随时间、空间变化的特点，且对不同光学系统的影响各不相同，在一定条件下，有些湍流效应会严重阻碍系统正常设计性能的发挥。总的来说，光在水下的衰减限制了其通信作用距离，这也是限制激光水下实用系统发展的主要因素。

（二）水下蓝绿光通信理论模型的建立

研究水下蓝绿光传输特性，建立水下蓝绿光通信理论模型是开展实验研究的理论基础。光波在水下传输的过程远比其在空气中传输要复杂得多，由于水体本身及其所含杂质对光波的吸收和散射作用，会改变光波的各种参数，如强度、空间特性、偏振特性等等。因此，一直以来国内外在该研究领域有实际应用价值的研究成果不多。所以，这是水下光通信系统设计的技术难点之一。

（三）水下蓝绿光通信的信道编码

水下光通信的传输环境相对恶劣，水体急速流动可能会引起水体传输特性局部发生改变，从而引起光束瞬间偏离原来的传输方向，影响到通信的可靠性，信道编码可以改善通信质量，提高作用距离。而如何信道编码又需要结合具体水下蓝绿光通信系统的特点，通过理论分析得出，再由实验进行验证。

（四）蓝绿光源高速调制方法的研究

为了获得较高的通信速率就必须对光源进行高速调制，这就需要对光源的特性以及各种调制手段非常熟悉。光源的种类很多，不同种类的光源的调制特性不同，甚至相同种类的光源由于结构和组成材料差别，其调制特性也千差万别。因此，选择合适的光源并为其设计调制方法也是本项目的技术难点之一。

（五）高精度、高速度的光束对准

水下激光通信若要实现较长距离的通信要求，则必须使得发射光束尽量的窄，以减少光功率的发散损失，但却给发射机和接收机的对准造成了困难。对准是建立和维持水下激光通信链路的基本条件，所以在满足水下载体接收机小型化、轻量化、低功耗的前提下，在存在平台扰动和背景光干扰等条件下，如何在远距离实现高精度、快速的对准是实现水下光通信必须解决的问题之一。

（六）如何满足大容量、远距离传输条件下的大功率发射、高灵敏度接收

尽管激光通信具有发射光束窄、能量密度集中的特点，但经过远距离传输后，接收机探测接收到的光能量一般都比较弱，特别是经过海水信道传输后，不仅能量的损失可能很严重，而且海水湍流效应严重地影响了传输激光束的相干性，这些问题对通信质量的影响也很重要。

参照自由空间激光通信链路解决后两个问题的方法，设计一套自动捕获、瞄准、跟踪（Acquisition，pointing and tracking）的APT系统，可以解决发射与接收对准的问题。采用高功率、大能量储备能力的激光器，可以实现大功率发射。但是，伴随着这些功能的实现，整个通信系统所占用的体积和重量都会增加很多。

由此可见，要实现水下蓝绿光通信链路工程化实践还有大量的研究工作需要继续进行。

［1］夏维华，王一路.潜艇通信系统综述 ［J］.计算机与网络，2002，（17）.

［2］杨正兴，梁玉军，等.蓝绿激光对潜通信研究［J］.光机电信息，2006，（2）.

［3］裴楠楠，李大社.激光对潜通信［J］.光电技术应用，2004，（1）.

［4］许韦韦，孟昭香.新兴的水下作战平台UUV［J］.指挥控制与仿真，2006，（3）.

［5］卢益民，郑友民.激光对潜系统探测信号动态范围自适应调节［J］.激光与红外，2001，（1）

［6］赵长明，黄杰.未来激光探潜和对潜通信技术的发展［J］.光学技术，2001，（1）.

［7］江月明.对潜通信系统及其发展探讨 ［J］.无线电工程，2003，（9）.

［8］姜国兴，刘煜禹.方兴未艾的水下通信技术［J］.中国水运，2007，（6）.

［9］刘林泉，梁国龙，等.时频编码在水声通信中的应用［J］.声学技术，2007，（5）.

［10］李萌，王中宇.无线光通信中的DPIM与Turbo联合编码调制研究［J］.半导体光电，2009，（4）.

［11］李晓峰.星地激光通信链路原理与技术［M］.北京：国防工业出版社，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］王谨.光无线通信自适应接收技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

（责任编辑：袁媛）

Analysis of Technical Difficulties in Underwater Optical Communications

DENG Rong，FENG 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

邓荣（1985-），男，四川南充人，助教，研究方向：大气与海洋光电探测。E-mail：674433932@qq.com.