【2017年整理】水下光通信-综述

【2017年整理】水下光通信-综述 水下光通信 综述 一、水下光通信的国内外研究现状 光通信起源最早可追溯到 19 世纪 70 年代,当时 Alexander Graham Bell 提出采用可见光为媒介进行通信,但是当时既不能产生一个有用的光载波,也不能将光从一个地方传到另外一个地方。因此直到 1960 年激光器的发明,光通信才有了突破性的发展，但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域。由于海水对光的强吸收特性，水下光通信技术一直没有得到重视。直到 1963 年,Dimtley 等人在研究光波在海洋中的传播特性时, 发现海水在 450- 550 纳米波段内蓝绿光的衰减比其它光波段的衰减要小很多, 证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。这一物理现象的发现为解决长期水下目标探测、通 信等难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 提供了基础。 水下光学通信技术研究前期主要集中在军事领域，长期以来一直是水下潜艇通信中的关键技术。美国海军从 1977 年提出卫星与潜艇间通信的可行性后, 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, 进行了迄今为止共 6 次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 12 千米高空对水下 300 米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。1983 年底, 前苏联在黑海舰队的主要基地塞瓦斯托波尔附近也进行了把蓝色激光束发送到空间轨道反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。 澳大利亚国立大学信息科学与工程研究学院的研究小组开发了一种低成本、小体积、结构简单的光学通信系统，选用 Luxeon? LED 的蓝(460nm)、青(490nm)、绿(520nm)光，接收器电路采用对蓝青绿三种光灵敏度很高的 SLD—70BG2A 光电二极管，这套系统在兼顾速度与稳定性的同时，通讯速率可达57.6kbps，由于采用红外无线通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，其水下传输速率和传输距离受到极大限制。 美国伍兹霍尔海洋研究所研究小组研制了一套基于发光二极管(LED)低功耗深海水下光学通信样机，采用键控调制技术(OOK)实现了 10Mbps 的通信速率。由于是针对深海领域，没有考虑了水下光学信道中的散射影响，其结果存在一定的片面性。 日本 Keio 大学研究小组开展了基于可见光 LED 的水下光学无线通信研究，采用米氏散射理论进行悬浮颗粒对信道影响的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，其仿真结果表明，水下光学信道的传输特性与波长和海水浊度有关。 美国海军航空系统司令部的研究小组探讨了海水散射影响对 PSK 调制的水下光学无线通信在 10-100Mbps 通信速率的影响，结合实验室内模拟试验进行分析，试验结果表明海水的混浊度对信道调制带宽和相位具有重要影响。但是对实际环境下海水散射对编码调制技术的影响机制缺乏全面的认识。 近年来，Hanson 和 Radic 采用 Monte Carlo 方法进行水下光波传输仿真，验证了传输速率为 1Gbps 的水下光学通信的可行性。 由于各种原因，国内所开展的水下光学通信技术研究有限，在水下光学信道的光学特性 研究方面基础较为薄弱。谈新权和陈锐(2002)采用经验估算公式进行了激光对潜通信的带宽展宽影响，对光学信道采用了 Storts(1978)提出的经验估算公式进行了云层平均多径展宽对 PPM 的影响的探讨，正如作者指出的其无法给出精确的预测，要获得对脉冲影响的精确程度，需要通过现场试验的进一步验证。何宁等(2001)将水质划分为 3 类水质，依据经验数据对水下光学信道的接收能量进行了评估，证明在 I 类海区实现 100 米以上深度通信是可能的。王敏和刘维华(2005)利用经验公式结合模拟试验对海水信道的光脉冲信号的时间扩展进行了研究，其结果表明海水信道极为复杂，不能从一种环境的结果来预测另一种环境的光传输特性。 二、研究水下光通信的重要性 海洋占地球表面积的70%以上，海洋中不但蕴藏着丰富的资源，而且对全球气候变化、人类经济以及社会发展都有着重大影响。譬如，全球温室效应、地球上的生命起源、新资源、新能源、新生物基因、人类生存环境和社会的可持续发展等。尽管人类从远古时期就开始了对海洋的探索活动，但是迄今为止，人类对大部分海域的了解都非常有限，许多海域仍然处于未知状态。因此，发展先进的海洋探测高技术对人类了解、利用和开发海洋具有重要的意义。 近十年来，新兴的水下无线传感器网络技术为获取连续、系统、高时空分辨率、大时空尺度的海洋要素观测资料提供一种全新的技术手段。水下无线传感器网络由多个低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器节点组成，这些传感器节点构成无线网络，具有数据采集、无线通信和信息处理的能力，将多个此类传感器节点布置在一个特定的区域内，可形成无线传感器网络,它们通过特定的协议，高效、稳定、准确的进行自组织，并通过各传感器节点协作进行实时测量、感知和采集各种海洋要素的信息，利用无线通信技术将观测信息实时传输。因此，通过在感兴趣的海域布设大量廉价无线传感器节点可以获取海洋环境时空变化观测资料，实现大范围的观测区域高覆盖面的监测，为实现多点化、立体化、长时序、网络化、实时化、大空间尺度的海洋环境监测提供技术支撑。 在海洋军事活动中，为保障信息传输过程中不受干扰和不被截听，利用AUV(Autonomous Underwater Vehicle)进行指挥舰与潜艇，潜艇与潜艇之间的通信联络;在港口安全保障过程中，在AUV上搭载声学或光学监测传感器进行港口及水下设备的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和目标的跟踪，并及时通过无线通信技术将信息传输到信息中心。 总之，对于水下的通信技术的要求已经是越来越高，我们需要找到一种高效的水下通信技术能够实现多个固定端点的信息传输和多个移动端点的信息传输。 三、水下光通信的发展背景 发展背景:在水中传播的各种波中，以纵波(声波)的衰减最小，因而声纳技术和水声信息传输技术被广泛采用和关注。对电磁波这种横波而言，由于海水是良导体，趋肤效应将严重影响电磁波在海水中的传输，以致在陆地上广为应用的无线电波在水下几乎无法应用。电磁波在有电阻的导体中的穿透深度与其波长直接相关，短波穿透深度小，而长波的穿透深度要大一些，因此，长期以来，超大功率的长波通信成为了对潜通信的主要形式。不过，即使是超长波通信系统，穿透海水的深度也极其有限(最深仅达80m)，而且超低频系统耗资大，数据率极低，易遭受敌方直接攻击或核爆炸电磁脉冲的破坏，难以得到好的效果 目前，水下无线通信广泛使用的是声学通信技术，水声通信技术具有通信距离远、通信可靠性高等优点，声学通信技术在浅海和深海的水下无线通信领域中得到了广泛的应用。 四、水下光通信的优势 光学通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时延大等缺陷。因为， (1)是由于光波频率高，其信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路。(2)是光波在水介质的传输速率可达千兆，使得水下大信息容量数据的快速传输成为可能; (3)是光学通信具有抗电磁干扰能力强，不受海水温度和盐度影响等特点; (4)是波束具有较好的方向性，如想拦截，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，造成通信链路中断，用户会及时发现通信链路中断事故。 (5)是随着半导体光源关键技术不断突破，体积小，价格低、效率高的可见光谱光电器件充足。并且由于光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少重量。 五、水下光通信存在的问题 海水是一个复杂的物理、化学、生物组合系统，它含有溶解物质、悬浮体和很多各种各样的活性有机体。由于海水中的物质和悬浮体的不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸收和散射作用而产生衰减。光波的水下传输特性是制约水下光学无线通信质量的重要因素之一，它对整个水下光学无线通信系统 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 的确定产生着重要影响。由于不同的海域、不同的水深、不同季节的海水衰减特性各有不同，但是一套高效可行的海水信道分析方法是实现水下光学通信链路的关键技术尚有待建立。 海水的光学特性与它的组分有关，可简要地分为三个方面，水介质，溶解物质和悬浮物。溶解物质和悬浮体的成分种类繁多，主要包括无机盐，溶解的有机化合物，活性海洋浮游动植物，细菌，碎屑和矿物质颗粒等，光束在海水中的传输远比在大气中的传输所受影响复杂得多，很难用单一的数学模型对各种海域的水质影响进行模拟。 根据前人对海水光特性的研究，光波在水下传输所受到的影响可以归纳为以下三个方面 (1)光损耗:忽略海水扰动和热晕效应，光在海水中的衰减主要来自吸收和散射影响，通常以海水分子吸收系数、海水浮游植物吸收系数、海水悬浮粒子的吸收系数、海水分子散射系数和悬浮微粒散射系数等方式体现。 (2)光束扩散:经光源发出的光束在传输过程中会在垂直方向上产生横向扩展，其扩散直径与水质、波长、传输距离和水下发散角等因素有关。 (3)多径散射:光在海水中传播时，会遇到许多粒子发生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光将变得越来越少。海水中传输的光被散射粒子散射而偏离光轴，经过二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新进入光轴，形成多次散射。多次散射效应是随着粒子的浓度和辐照体积的大小而变化的，由于多次散射的复杂性，很难通过分析方法得到扩散与水质参数及水下深度间精确的数学关系式，并且受到实验条件和实验经费的限制，不可能对每一种水质、每一个水下深度都进行实验，而且有些特性还很难甚至无法用实验的方法测量。 以上问题最直接后果就是激光通信误码率较高误码率达到一定程度时会导致通信失败。 为了保证通信成功，通常采用两个方法来解决这个问题，一是增加信噪比，即增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的调制制度和解调方法、加强天线的方向性等措施; 另一个采用信道编码，即增加差错控制功能来解决这些问题。而第一种方法提高信息传输可靠性的代价较大，费用高，只能将传输差错减小到一定程度。而随着编码理论和高速数字处理硬件技术的发展，编码处理硬件成本越来越低，使得纠错技术在实际的数字通信中逐渐得到广泛的应用。 参考文献: [1]林伟.远程水声通信技术研究:西北工业大学硕士论文.西安:西北工业大学，2005 [2]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理.国防工业出版社2001 [3]许克平，许天增，许茹等. 基于水声的水下无线通信研究. 厦门大学学报，2001