20 m水下无线蓝光LED通信系统样机设计

董 冰，佟首峰，张 鹏，王大帅，马晨源

（长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022）

1 引言

海洋覆盖了地球71%的表面积，蕴含着丰富的科学宝藏。但即使在21世纪的今天，人类仍然对海斗深渊（6000～11000 m）的自然信息知之甚少，近年来深渊科考成为各国竞相研究的热点。空间激光通信也称为无线光通信，是指利用光束作为载波在空间直接进行语音、数据、图像等信息传输的一种技术[1-2]。深海作业的关键技术之一就是水下无线光通信技术，以往水下通信多利用声纳来进行，然而即使是利用高速相干接收技术的水声通信系统，通信速率也仅能达5～15 kbit/s，难以满足大量信息高速率传输的需求。深海间的信息交换主要是利用水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)在水下与水面智能浮标间进行信息传输，水下自主航行器以电池为动力源工作于深海[3]。水下无线光通信利用蓝绿光作为信号载体进行通信，具有海水穿透能力强、信息容量大、传输速率高、隐蔽性好、不易被干扰、接收天线轻小等特点[4-6]，。

目前，多数的水下无线光通信系统采用激光二极管（Laser Diode，LD）作为发射光源，2015年8月，Hassan Makine Oubei课题组建立了5.4 m的水下无线光通信链路[7]，采用450 nm的蓝光LD作为信号光源，调制方式采用16-正交幅度调制 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM)和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)技术，采用雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode, APD）作为通信接收单元，传输速率为4.8 Gbit/s，BER为2.6×10−3。2016年10月，阿卜杜拉国王科技大学的Chao Shen等人利用450 nm蓝光LD作为信号光源，基于OOK-NRZ的调制方式，采用APD作为通信接收单元，此通信链路的数据传输速率能达到2 Gbit/s，通信距离为12 m，BER为2.8×10−5；当通信距离提高到20 m时，数据传输速率也能达到1.5 Gbit/s，BER为3.0×10−3[8]。

从20世纪60年代开始，我国的科研机构紧跟国际发展，已经开始进行水下无线光通信技术的相关研究，国内在水下无线光通信领域也取得了比较丰富的研究成果，无论是传输距离还是通信速率，都与国外的研究水平相当，甚至部分研究成果在技术参数上还略有超出。然而这些研究成果大部分都仅限于实验室内，其实验条件较为理想，往往与实际情况相差很大，还需要进行大量的外场实验和实际应用，积累各种水下工作环境无线光通信技术的工程经验。

水下激光通信具有束散角小、功率高的特点，要求其对准精度高，并且激光对人眼伤害大，操作难度较高，而基于LED的水下无线光通信系统具有大束散角、体型轻便、对人眼伤害较小等优点。因此，本文设计了一种基于蓝光LED阵列的水下无线光通信系统，并完成了样机的工程化设计及实验测试，误码率低至10-6，能准确不间断地传输文本、图像等信息。测试结果表明该系统在水下可进行可靠的无线光通信，操作简单，性能稳定。

2 外界约束条件分析

2.1 海水对光的吸收效应

海水对光的吸收表现为入射到海水中的部分光子能量转化为其他形式的能量，如热动能、化学势能等，是海水的固有光学特性，主要包括纯海水吸收、黄色物质吸收、浮游生物的吸收以及悬浮颗粒的吸收等。在深海中，由于太阳光的减弱使得深海中的浮游生物等有机物含量明显下降，此时主要影响海水吸收效应的因素是纯水的吸收以及溶解在水中的无机盐[9]（如NaCl、KCl、CaCl2等）对光的吸收，由于对蓝光的吸收系数是最小的，使得蓝光在深海中的传输有比较明显的优势。忽略其他成分对光波的吸收作用，海水对传输光信号总吸收系数表示为：

式中αw表示纯水的吸收，αy表示黄色物质的吸收，αp表 示浮游生物的吸收， αNAP表示的悬浮颗粒的吸收。

2.2 海水对光的散射效应

海水的散射效应最主要考虑纯海水散射和悬浮颗粒散射的影响。纯海水的散射主要是有水分子以及各种离子散射造成的，其散射系数的经验公式为：

其中，bw(λ0)为参考点处波长的散射系数，bw(λ)为某波长光在海水中的散射系数。此外，海水中存在大量悬浮颗粒，光束在水中遇到质点之后将会发生散射，如图1所示[10]。

图1 光束遇质点后的散射示意图Fig.1 Schematic diagram of the scattering of a light beam upon contact with a particle

采用光谱体积散射函数模拟光在水中的散射情况，将体积散射函数在所有方向进行积分，得出散射常数b(λ)为：

综合考虑海水吸收和散射因素，海水对光功率传输的总衰减系数可表示为：

2.3 深海环境背景光分析

在复杂多变的水下环境中，大多数的水下光通信系统的表现不能令人非常满意，一是因为光在海水中的衰减造成光功率的流失；二是因为接收视场角内的环境光会由于水下通信信道中的悬浮粒子和水分子的散射进入探测系统，对探测单元的性能产生影响[11-12]，这部分散射光通常被称为背景光，也是造成水下光通信系统探测单元性能退化的一个主要因素。背景光的影响因素主要包括自然光、水下生物荧光以及后向散射光。

2.3.1 自然光的影响

自然光照是由水面上方大气中的光线穿透海水表面并射入水体中的。

从图2(彩图见期刊电子版)可以看出，在表皮海水中（深度<50 m），太阳光中各个波段的光几乎都能渗透到海水中，其产生的影响较大，必须予以抑制；当在深水中时（深度≥200 m），太阳光中能入射到海水的光只剩下蓝绿光波段。再将两图进行横向对比，可以发现，当在沿海水域中时，太阳光能入射到海水中的深度在50 m左右，而在清澈的海水中，太阳光可入射到水面下200 m左右，如果水下光通信系统的水下操作深度在0～200 m内时，存在太阳光产生的背景光噪声，有必要采用滤波技术加以抑制。

图2 不同海水深度的太阳光渗透能力分布图Fig.2 Distribution map of sunlight penetration capacity at different sea depths

设P0为太阳光到达水面的光功率，按世界气象组织1981年公布的太阳常数值[13-14]，P0=1368W/m2分 别取沿海水域的衰减系数α=0.305m−1和 清澈海水衰减系数 α=0.15m−1，传输了L路程后的光功率P可表示为：

可以看出光功率在水中成指数衰减，450 nm波长的光的衰减曲线如图3所示。

图3 太阳光功率在不同水域中随水面下传播距离衰减曲线Fig.3 The attenuation curve of solar power vs.propagation distance under water in different water areas

从图3中可以看出，在沿海水域中，当太阳光传输至水面下20 m左右时，其光功率几乎衰减殆尽，水深大于20 m时，太阳光产生的背景光噪声就可忽略不计了；而在清澈的海域中，太阳光能传输至水下40 m左右，水深大于40 m时，太阳光产生的背景光噪声几乎消失。

2.3.2 生物荧光的影响

对于海洋生物而言，生物荧光主要出现在少数鱼类、刺丝胞动物、节肢动物等生物体内[15]。海洋是一个相对稳定的环境，遍布着蓝色光线，随着海水深度的增加，除了高能量的蓝光，可见光谱中的大部分光都被吸收了。海洋中的荧光生物虽然存在，但并不多见，对水下无线光通信和水下成像产生影响的概率也微乎其微。

3 系统总体方案设计

系统总体设计遵循3个主要原则：大束散角、大功率LED拼接阵列、大口径接收光学天线。光学接收天线应具有高接收功率、高信噪比、宽视场角、小型化、低成本等特点[16-17]。如果使用传统透镜作为接收天线，在实现大口径的同时，其焦距也会变得很长，不利于系统总体轻小型化的设计。本系统突破性地选用菲涅耳透镜作为光学接收天线。菲涅耳透镜应用衍射光学的设计，其光学增益远超于同口径的传统聚焦透镜，同时，还可以实现大数值口径，即使通光口径很大，但透镜的焦距也不会很大，这就满足了系统轻小型化的需求[18-20]。

系统总体设计框图如图4所示，发射单元主要包括LED光源、LED驱动电路、FPGA和信号处理模块。FPGA主要将数据转化为LVTTL的电平格式加载至驱动电路；由驱动电路完成OOK调制，并同时驱动4路LED；通过调节电压的大小进而调节LED光功率的强弱，其控制电压范围为0～3 V。电压转换模块将12 V直流接入电压分别转换为4.5 V、5 V，分别为LED驱动电路和FPGA信号处理模块供电。接收单元主要包括光学天线、探测器、A/D转换器以及信号处理器。探测器选用3 mm的APD探测器，在APD前放置一75 mm口径的菲涅耳透镜作为光学接收天线，以收集尽可能多的信号光，A/D转换器将接收到模块电信号转换为数字电信号，随后传输到信号处理单元，输出信号。

图4 系统总体设计框图Fig.4 Block diagram of overall system design

4 系统主要结构设计

系统主要结构包括发射光端机和接收光端机。

4.1 发射光端机

由于单个LED难以满足系统对发射功率的需求，因此系统采用多个LED拼接，组成LED阵列，其排布示意图如图5(a)所示。相应的信号处理模块如图5(b)所示。在10 Mbit/s的工作条件下，单个LED发光功率约为300 mW，则整个LED阵列的出射功率在1 W以上，能够满足系统的要求。

发射光端机的主要结构器件如图5所示，发射光源选用的是Lumileds公司的LED，中心波长为470 nm，单个灯珠的发光功率约为300 mW，发散角为120°，4个LED组成一个光源阵列，加装灯罩进行光束整形后，输出近似平行光，可保证信号光光功率足够大。电压转换模块(见图5(c))将输入的12 V直流电压分别转换为5 V，为负责信号处理的FPGA供电，以及转换为4.5 V，为LED驱动电路供电。系统调制方式选择OOK（开关键控）调制模式，信号处理单元将5 MHz伪随机码加载到已调制信号光中发出。加装机械外壳后的发射光端机实物图如图6所示。

图5 发射光端机主要结构器件Fig.5 Main structural components of the optical transmitter

图6 发射光端机实物图Fig.6 Physical image of the transmitter

4.2 接收光端机

为了最大限度提高接收系统的灵敏度，水下无线光单工通信实验样机的光学接收单元应同时满足大视场和大通光口径要求，本系统中视域形成是由菲涅耳透镜成像实现的[21]。

图7所示的是菲涅耳透镜尺寸及焦距与光线入射角度之间的关系，APD探测器靶面尺寸为10 mm×10 mm，菲涅耳透镜的口径与焦距比D/f选为3∶1，当经菲涅耳透镜的光线完全布满探测器靶面时，利用三角函数计算公式可得：

图7 菲涅耳透镜直径、焦距与光线入射角的关系示意图Fig.7 Relationship between the Fresnel lens diameter, focus distance and incident angle

当入射角α =30°时，f≈8.66 mm，D=25.98 mm；当入射角α =20°时，f≈13.7 mm，D=41.1 mm；当入射角α=17.5°时，f≈15.8 mm，D=47.4 mm；当入射角α =15°时，f≈18.6 mm，D=55.8 mm。

综合考虑视场角、天线增益以及窄带滤光片安装等因素，系统采用焦距为25 mm、口径为75 mm的菲涅耳透镜作为光学天线，相应的α =11.31°，即光线以小于11.31°角入射至菲涅耳透镜表面时，可以被完全耦合到APD探测器上。

接收光端机主要结构器件如图8所示。接收单元以菲涅耳透镜作为光学天线，直径为75 mm，有效口径为3，可保证大视场接收效果。探测器选用的是滨松公司型号为S8664-1010的APD探测器，有效探测区域面积为10 mm×10 mm。将探测器安置在菲涅耳透镜的焦点处，信号光经菲涅耳透镜会聚后聚焦在探测器靶面上，以保证探测器尽可能多地收集有效信号光。A/D转换器选用的是ALINX的AN108 A/D模块，A/D转换模块及FPGA将加载在通信光中的信号进行数模转换并进行解调处理，最后输出所需的信号。图9为接收光端机实物图。

图8 接收光端机主要结构器件Fig.8 Main structural components of the optical receiver

图9 接收光端机实物图Fig.9 Physical map of the receiver

发射与接收单元的光端机球罩选用的是防水耐压亚克力材质的半球形球罩，可承受水深约为100 m，光端机外壳加防水镀层，连接处均采用密封胶圈压实，线缆选用的是防水线缆，其与端机后盖连接处均用防水密封胶进行密闭处理，以保证端机的防水性。

5 系统测试

5.1 测试环境

测试地点选在某泳池，如图10所示，水质清澈，水池深1.3 m，满足水下通信需求。发射光端机与接收光端机分别装在三脚架上，将三脚架沉入池中，距离20 m。

图10 水下实验环境Fig.10 Underwater experimental environment

5.2 测试过程

首先将光端机固定在三脚架上，随后测量好距离，将三脚架沉入池中，以水平面为基准，调整垂直高度，使两台光端机处于同一高度，随后以水池壁为基准，使两台光端机左右方向近似处于同一平面。接入电源后，测定误码率，记录输出信号波形。测试结果如图11～12所示。

图11 水下距离20 m处系统通信误码率Fig.11 BER of the system at 20 m underwater

图12 水下距离20 m处系统输出波形及通信速率Fig.12 Output waveform and communication rate of the system at 20 m underwater

由实验结果可见，在水下20 m距离时，该系统通信速率可达5 Mbit/s，误码率为7.9×10−6，误码率性能良好，输出波形稳定，可满足数据传输要求，成功实现水下20 m通信。

6 结论

本文设计了一种基于可见光（蓝光）LED的水下无线光通信系统，介绍了系统的硬件及软件设计，并成功完成了样机的组装与测试。测试结果表明，当该系统在水下进行通信时，通信距离为20 m，系统误码率为7.9×10−6，通信速率为5 Mbit/s，验证了该系统样机在水下环境可进行稳定的图片、文字等信息传输，为之后水下无线可见光动态通信系统的研制奠定了理论及工程基础，相信在不久以后，即可实现更远距离、更高速率的稳定动态水下无线可见光通信。