水下激光通信

1、水下激光通信水下激光通信光通信起源最早可追溯到19世紀(jì)70年代,當(dāng)時(shí)Alexander Graham Bell提出采用可見(jiàn)光為媒介進(jìn)行通信,但是當(dāng)時(shí)既不能產(chǎn)生一個(gè)有用的光載波,也不能將光從一個(gè)地方傳到另外一個(gè)地方。因此直到1960年激光器的發(fā)明,光通信才有了突破性的發(fā)展，但研究領(lǐng)域基本上集中在光纖通信和不可見(jiàn)光無(wú)線通信領(lǐng)域 雖然電磁波在水中的衰減較大，但受水文條件影響甚微使得水下電磁波通信相當(dāng)穩(wěn)定。水下甚低頻和超低頻單向通信適用于軍用岸對(duì)潛(艇)通信；水下高頻通信適用于短距離的水下無(wú)線通信。水下電磁波通信的發(fā)展趨勢(shì)為：既要提高發(fā)射天線輻射效率，又要增加發(fā)射天線的等效帶寬，使之在增加輻射場(chǎng)強(qiáng)的同

2、時(shí)提高傳輸速率；應(yīng)用微弱信號(hào)放大和檢測(cè)技術(shù)、抑制和處理內(nèi)部和外部的噪聲干擾，優(yōu)選調(diào)制解調(diào)技術(shù)(尤其重視已調(diào)波在頻域上能量高度集中的調(diào)制方法)和編譯碼技術(shù)來(lái)提高接收機(jī)的靈敏度和可靠性。此外，已有些學(xué)者在研究超窄帶理論與技術(shù)，力爭(zhēng)獲得更高的頻帶利用率也有學(xué)者正尋求能否突破香農(nóng)極限的科學(xué)依據(jù)。信道的香農(nóng)極限香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量香農(nóng)容量）指的是在會(huì)隨機(jī)發(fā)生誤碼的信道上進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲髠鬏斔俾省Ｋ拇嬖谑窍戕r(nóng)定理在帶寬有限的信道上的一個(gè)結(jié)論。 由于聲波在水中的衰減最小，水聲通信適用于中長(zhǎng)距離的水下無(wú)線通信。在目前及將來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，水聲通信是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中主要的水下無(wú)線通信方式。但是水聲通信技

3、術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率較低，因此通過(guò)克服多徑效應(yīng)等不利因素的手段，達(dá)到提高帶寬利用效率的目的將是未來(lái)水聲通信技術(shù)的發(fā)展方向。 水下光通信具有數(shù)據(jù)傳輸率高的優(yōu)點(diǎn)，但是水下光通信受環(huán)境的影響較大?？朔h(huán)境的影響是將來(lái)水下光通信技術(shù)的發(fā)展方向。 由于海水對(duì)光的強(qiáng)吸收特性，水下光通信技術(shù)一直沒(méi)有得到重視。直到1963年,Dimtley等人在研究光波在海洋中的傳播特性時(shí),發(fā)現(xiàn)海水在450-550納米波段內(nèi)藍(lán)綠光的衰減比其它光波段的衰減要小很多,證實(shí)在海洋中亦存在一個(gè)類似于大氣中存在的透光窗口透光窗口。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為解決長(zhǎng)期水下目標(biāo)探測(cè)、通信等難題提供了基礎(chǔ)。海水的顏色主要是由海水的光學(xué)性質(zhì)，即海水對(duì)太陽(yáng)光

4、線的吸收、反射和散射造成的。我們知道：太陽(yáng)光是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光復(fù)合而成，七色光波長(zhǎng)長(zhǎng)短不一，從紅光到紫光，波長(zhǎng)由長(zhǎng)漸短，其中波長(zhǎng)長(zhǎng)的紅光、橙光、黃光穿透能力強(qiáng)，最易被水分子所吸收。波長(zhǎng)較短的藍(lán)光、紫光穿透能力弱，遇到純凈海水時(shí)，最易被散射和反射。又由于人們眼睛對(duì)紫光很不敏感，往往視而不見(jiàn)，而對(duì)藍(lán)光比較敏感。于是，我們所見(jiàn)到的海洋就呈現(xiàn)出一片蔚藍(lán)色或深藍(lán)色了。如果打一桶海水放在碗中，則海水和普通水一樣，是無(wú)色透明的。其實(shí)海水看上去也不全是藍(lán)色的，而是有紅、黃、白、黑等等，五彩繽紛。因?yàn)楹Ｋ伾耸芤陨弦蛩赜绊懲猓€會(huì)受到海水中的懸浮物質(zhì)、海水的深度、云層等其他因素的影響。如我

5、國(guó)的黃海，看上去一片黃綠，這是因?yàn)楣糯S河夾帶的大量泥沙將海水“染黃”了。雖然現(xiàn)在黃河改道流入渤海，但黃海北部有寬闊的渤海海峽與之相通，加之它還有淮河等河水注入，故海面仍呈淺黃色。 海水的光學(xué)特性 海水的光學(xué)特性是指海洋水體在光輻射作用下所表現(xiàn)的物理性質(zhì)。海水的光學(xué)特性可分為兩大類：1. 表觀光學(xué)特性表觀光學(xué)特性，它決定于海水固有光學(xué)特性和海中輻射場(chǎng)的分布。2.固有光學(xué)特性固有光學(xué)特性，它僅由海水本身的物理特性所決定，主要指海水對(duì)光的散射和吸收； 表觀光學(xué)特性： 太陽(yáng)和天空輻射通過(guò)海面進(jìn)入海中所形成的海洋輻射場(chǎng)分布，主要表現(xiàn)為輻亮度分布、輻照度衰減、輻照比和偏振特性等所有與輻射場(chǎng)有關(guān)的光學(xué)性質(zhì)

6、。海水的表觀光學(xué)特性與環(huán)境光有關(guān)，如果在深海中可以忽略它對(duì)光傳播的影響。海水的吸收特性海水對(duì)光的吸收表現(xiàn)為在海水海水對(duì)光的吸收表現(xiàn)為在海水中的部分光子能量轉(zhuǎn)化為其他中的部分光子能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量形式的能量海水的吸收特性與海水中所含物質(zhì)的成分密切相關(guān)。海水中不僅含有水分子和無(wú)機(jī)溶解質(zhì),還含有包含大量的懸浮體和“黃色物質(zhì)”在內(nèi)的各種有機(jī)物（海水中的可溶性有色有機(jī)物）。因此海水的吸收特性表現(xiàn)出較大的易變性，同一水域不同深度,同一水域不同時(shí)間,不同水域的海水吸收特性都隨時(shí)間和空間的不同而變化。海水的散射特性海水的散射比大氣的散射要復(fù)雜得多，海水的散射包括水本身的瑞利散射瑞利散射和海水中懸浮粒子引

7、起的米氏散射米氏散射及透明物質(zhì)折射所引起的散射。純水的散射被當(dāng)做是一種分子的散射純水的散射被當(dāng)做是一種分子的散射，水分子的直徑比可見(jiàn)光波長(zhǎng)小幾百倍。而分子半徑遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)的分子散射，可以用瑞利散射定律來(lái)描述。瑞利散射（瑞利散射（Rayleigh scatteringRayleigh scattering）是由比光波波長(zhǎng)還要小的氣體分子質(zhì)點(diǎn)引起的。散射能力與光波波長(zhǎng)的四次方成反散射能力與光波波長(zhǎng)的四次方成反比比，波長(zhǎng)愈短的電磁波，散射愈強(qiáng)烈；如雨過(guò)天晴或秋高氣爽時(shí)，就因空中較粗微粒比較少，青藍(lán)色光散射顯得更為突出，天空一片蔚藍(lán)。瑞利散射的結(jié)果，減弱了太陽(yáng)投射到地表的能量，使地面的紫外線極弱而

8、不能作為遙感可用波段；使到達(dá)地表可見(jiàn)光的輻射波長(zhǎng)峰值向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的一側(cè)移動(dòng)，當(dāng)電磁波波長(zhǎng)大于1微米時(shí)，瑞利散射可以忽略不計(jì)。 海水中懸浮粒子引起的散射屬于米氏散射問(wèn)題海水中懸浮粒子引起的散射屬于米氏散射問(wèn)題，懸浮粒子的大小的分布和海水中粒子的濃度決定了米氏散射的大小。 當(dāng)大氣中粒子的直徑與入射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。散射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比，散射在光線向前的方向比向后的方向更強(qiáng)，方向性比較明顯。 海水散射的一個(gè)重要效應(yīng)是對(duì)光能量的衰減，然而作為光的水下通信還存在著另一個(gè)重要的效應(yīng)是海水微粒對(duì)光的的多次散射引起的多通道效應(yīng)。根據(jù)前人對(duì)海水光特性的研究，光波在水下傳輸所受到的影響可以歸納為以下

9、三個(gè)方面：光在真空中傳播速度c，在折射率為n的介質(zhì)中，速度是 c/n光損耗光損耗：光在海水中的衰減主要來(lái)自吸收和散射影響，通常以海水分子吸收系數(shù)、海水浮游植物吸收系數(shù)、海水懸浮粒子的吸收系數(shù)、海水分子散射系數(shù)和懸浮微粒散射系數(shù)等方式體現(xiàn)。光束擴(kuò)散光束擴(kuò)散：經(jīng)光源發(fā)出的光束在傳輸過(guò)程中會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生橫向擴(kuò)其擴(kuò)散直徑與水質(zhì)、波長(zhǎng)、傳輸距離和水下發(fā)散角等因素有關(guān)。多徑散射多徑散射：光在海水中傳播時(shí)，會(huì)遇到許多粒子發(fā)生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光將變得越來(lái)越少。海水中傳輸?shù)墓獗簧⑸淞Ｗ由⑸涠x光軸，經(jīng)過(guò)二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新進(jìn)入光軸，形成多次散射。多次散射效應(yīng)是隨著粒

10、子的濃度和輻照體積的大小而變化的，由于多次散射的復(fù)雜性，很難通過(guò)分析方法得到擴(kuò)散與水質(zhì)參數(shù)及水下深度間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并且受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，不可能對(duì)每一種水質(zhì)、每一個(gè)水下深度都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且有些特性還很難甚至無(wú)法用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量。同時(shí)由于經(jīng)過(guò)多次散射的光子因其與未散射光子的相關(guān)性較小，我們可以近似的把多經(jīng)散射的影響作為噪聲來(lái)處理。 光在水下的衰減是指光強(qiáng)度的損失，引起水下衰減的因素主要包括水、水中溶解的雜質(zhì)和有機(jī)物等對(duì)光的吸收，水、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物顆粒等對(duì)光的散射等。水下衰減的程度在不同的水體中也不相同。影響水下光衰減影響水下光衰減的物質(zhì)大致可分為四類：（1）水分子水分子，對(duì)光具有

11、吸收和散射的特性；（2）浮游植物浮游植物，主要是浮游藻類，它們的細(xì)胞中含有色素，同時(shí)具有吸收和散射的雙重光學(xué)特性，而且還表現(xiàn)為選擇性吸收的光譜特點(diǎn)；（3）由浮游植物死亡而產(chǎn)生的有機(jī)碎屑有機(jī)碎屑以及陸源或海洋底泥懸浮而產(chǎn)生的無(wú)機(jī)懸浮顆粒無(wú)機(jī)懸浮顆粒，這類物質(zhì)總稱為非色素懸浮質(zhì)總稱為非色素懸浮質(zhì)，它們對(duì)光也具有吸收和散射的雙重作用；（4）由棕黃酸、腐殖酸組成的溶解性有機(jī)質(zhì)溶解性有機(jī)質(zhì)，通常稱為黃質(zhì)黃質(zhì)。黃質(zhì)對(duì)光具有單一的吸收作用，它們主要吸收波長(zhǎng)在420-450nm范圍，而對(duì)紅光和綠光的吸收作用很小，使得含黃質(zhì)豐富的水域呈現(xiàn)黃色。在大洋水中，黃質(zhì)的濃度較低，而沿岸的水體中濃度較高，所以在深海黃質(zhì)的

12、影響可以忽略。近十年來(lái)，隨著水下光學(xué)或聲學(xué)成像探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自主式水下機(jī)器人(AUV)等技術(shù)的日益普及，為獲取連續(xù)、系統(tǒng)、高時(shí)空分辨率、大時(shí)空尺度的海洋要素觀測(cè)資料提供了一種全新的水下探測(cè)方法。但是，這些觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需這些觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線通信技術(shù)的支持，以實(shí)現(xiàn)觀要高數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線通信技術(shù)的支持，以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸及控制指令的交換。測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸及控制指令的交換。水下激光通信的發(fā)展方向水下激光通信的發(fā)展方向 在軍事方面，特別是在海上戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)程中，水下潛艇、水面艦艇、監(jiān)測(cè)傳感器之間的聲音、圖像、綜合數(shù)據(jù)等信息的無(wú)線交換速率更為重要，而傳統(tǒng)的水

13、聲通信技術(shù)雖然具有傳輸距離遠(yuǎn)、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是水聲通信技術(shù)存在著傳輸速率低、帶寬窄、延時(shí)水聲通信技術(shù)存在著傳輸速率低、帶寬窄、延時(shí)較長(zhǎng)、功耗和體積大等缺陷，即使在近距離范圍內(nèi)，也難以達(dá)到較長(zhǎng)、功耗和體積大等缺陷，即使在近距離范圍內(nèi)，也難以達(dá)到Mbps的傳輸速率。的傳輸速率。因此，發(fā)展高效的近距離水下信息傳輸技術(shù)已成為海洋監(jiān)測(cè)亟待解決的問(wèn)題。與水下聲學(xué)通信技術(shù)相比，光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r(shí)延大等不足。首先首先，由于光波頻率高，其信息承載能力強(qiáng)信息承載能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)水下大容量數(shù)據(jù)傳輸，目前可見(jiàn)光譜的水下通信實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到傳輸千兆(Gb

14、ps)量級(jí)的碼率；其次其次，光學(xué)通信具有抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)，不易受海水溫度和鹽度變化影響等特點(diǎn)，具有良好的水下電子對(duì)抗特性；第三第三，光波具有較好的方向性，如被攔截，會(huì)造成通信鏈路中斷，使用戶會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路出現(xiàn)故障，因此具有高度的安具有高度的安全保密性全保密性；第四第四，光波波長(zhǎng)短，收發(fā)天線尺寸小，可以大幅度減少發(fā)射與接受裝備的尺寸和重量，并且目前光電器件的轉(zhuǎn)換效率不斷提升，功耗不斷降低，這非常適合水下探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)有效載荷適合水下探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求小型化、輕量化、低功耗的要求。激光對(duì)潛通信原理激光對(duì)潛通信原理 激光對(duì)潛通信就是利用激光光波作為載波,

15、并利用脈沖數(shù)字編碼的方法來(lái)調(diào)制這一載波的水下通信方式?；驹硎菍⒄Z(yǔ)音信號(hào)基本原理是將語(yǔ)音信號(hào)及圖像信號(hào)調(diào)制到激光光波上及圖像信號(hào)調(diào)制到激光光波上, 經(jīng)介質(zhì)經(jīng)介質(zhì)( 水水) 傳輸?shù)綕撏鬏數(shù)綕撏? 再經(jīng)潛艇接收端解調(diào)再經(jīng)潛艇接收端解調(diào), 還原成還原成語(yǔ)音或圖像信號(hào)語(yǔ)音或圖像信號(hào), 來(lái)完成通信來(lái)完成通信。其基本組成包括發(fā)射控制系統(tǒng)和接收控制系統(tǒng)兩大部分, 原理與無(wú)線通信相似。水下光學(xué)通信技術(shù)研究前期主要集中在軍事領(lǐng)域，水下光學(xué)通信技術(shù)研究前期主要集中在軍事領(lǐng)域，長(zhǎng)期以來(lái)一直是水下潛艇通信中的關(guān)鍵技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)一直是水下潛艇通信中的關(guān)鍵技術(shù)。目前,藍(lán)綠激光對(duì)潛通信主要有三種方案一種方式是岸基方式一

16、種方式是岸基方式由陸上基地臺(tái)發(fā)射出強(qiáng)由陸上基地臺(tái)發(fā)射出強(qiáng)激光束激光束, 經(jīng)低軌道經(jīng)低軌道“反射反射鏡鏡”中繼衛(wèi)星到深海潛中繼衛(wèi)星到深海潛艇的激光傳輸艇的激光傳輸, 實(shí)現(xiàn)與水實(shí)現(xiàn)與水下潛艇的通信。這種方下潛艇的通信。這種方式可通過(guò)星載反射鏡擴(kuò)式可通過(guò)星載反射鏡擴(kuò)束成寬光束束成寬光束, 實(shí)現(xiàn)一個(gè)相實(shí)現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)大范圍內(nèi)的通信當(dāng)大范圍內(nèi)的通信; 也可也可以控制成窄光束以控制成窄光束, 以掃描以掃描方式通信。這種方案靈方式通信。這種方案靈活活, 通信距離遠(yuǎn)通信距離遠(yuǎn), 可用于可用于全球范圍內(nèi)光束所照射全球范圍內(nèi)光束所照射到的海域到的海域, 通信速率也高通信速率也高, 不容易被敵人截安全、不容易被敵人截安

17、全、隱蔽性好隱蔽性好, 但實(shí)現(xiàn)難度大。但實(shí)現(xiàn)難度大。第二種方式是天基方式第二種方式是天基方式把大功率激光器置于衛(wèi)星上完成上述通信功能, 地面通過(guò)電通信系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星上設(shè)備實(shí)施控制和聯(lián)絡(luò)。還可以借助一顆衛(wèi)星與另一顆衛(wèi)星的星際之間的通信, 讓位置最佳的一顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)與指定海域的潛艇通信。這種方法不論是隱蔽性還是有效性都不容置疑, 應(yīng)該說(shuō)它是激光對(duì)潛艇通信的最佳體制, 當(dāng)然實(shí)現(xiàn)的難度也很大。美國(guó)海軍從1977年提出衛(wèi)星與潛艇間通信的可行性后,就與美國(guó)國(guó)防研究遠(yuǎn)景規(guī)劃局開(kāi)始執(zhí)行聯(lián)合戰(zhàn)略激光通信計(jì)劃。從1980年起,以幾乎每?jī)赡暌淮蔚念l率,進(jìn)行了迄今為止共6次海上大型藍(lán)綠激光對(duì)潛通信試驗(yàn),這些試驗(yàn)包括成功進(jìn)行

18、的12千米高空對(duì)水下300米深海的潛艇的單工激光通信試驗(yàn),以及在更高的天空、長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的模擬無(wú)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(yàn),證實(shí)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。第三種方式是空基方式第三種方式是空基方式將大功率激光器置于飛機(jī)上，飛機(jī)飛越預(yù)定海域時(shí)激光束以一定形狀的波束(如15km長(zhǎng)1km寬的矩形)掃過(guò)目標(biāo)海域完成對(duì)水下潛艇的廣播式通訊 如果飛機(jī)高度為10km以300ms速度飛過(guò)潛艇上空時(shí)激光束將在海面上掃過(guò)一條15km寬的照射帶 在飛機(jī)一次飛過(guò)潛艇上空的約3秒的時(shí)間內(nèi)可完成4O 8O個(gè)漢字符號(hào)的信息量的通訊。這種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易在條件成熟時(shí)，這種辦法很容易升級(jí)至天基系統(tǒng)之中。 激光對(duì)潛通信能否成功在技術(shù)上主要受