水下激光通信各模块参数分析-UVLABofOUC
水管中激光通信系统设计与实现
水管中激光通信系统设计与实现摘要：随着清洁能源的推广，太阳能的使用愈发的广泛。
但是在实际使用中，太阳能热水器需要专门的数据传输线，并且在水中存在易老化漏电的风险，而利用其水管中的水作为数据传输媒介则能够降低风险，故在这种背景下提出了一种在水管中激光通信系统的设计方案。
该通信系统的控制发送和接收的元件为单片机，通过温度传感器测试水的温度，利用蓝光在水中传输数据并以光信号的形式传输到接收端，利用光电二极管作为接收端，将光信号变为电信号，最终通过解调显示数据。
经过测试，结果表明该设计基本上可以实现水下光通信要求，能够将温度信号通过水管信道传输到接收端，接收端能够正确读出传输的信号。
因此此设计方法能够有效的实现中短距离水下光通信传输。
关键词：太阳能热水器；水下光通信；光电二极管；菲涅尔透镜；电压比较器；OOK1引言在当今生活中，各类器件都朝着智能化发展。
对太阳能热水器来讲，其主要用电线传递温度，水位和流速等信息，需要专门的数据传输线，并且存在在水中易老化漏电的风险，而利用其水管中的水作为数据传输媒介则能够降低风险。
水下无线光通信技术是有效实现可靠通信的方案之一。
可见光通信的研究在中国当前还处在初级理论阶段，目前还没有一个相对成熟的系统(商业上可用的可见光系统)。
在中国，可见光通信的研究单位主要是浙江大学和西安理工大学等。
中科院半导体物理研究所也对LED通信进行了研究。
现在,国内外的科学界都肯定了白光LED在可见光通信中的潜在应用价值。
可是,当前技术还不算太成熟,存在着许多的问题,这些问题有待于我们去研究探讨进行解决处理。
2水下可见光通信系统原理光通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。
在通信时，首先将电信号转换成光信号，再利用光纤进行传递，在发送端将要传送的信息变成电信号，并调制到激光器发出的激光束上，通过光纤传送;在接收端，检测器收到光信号把它换成电信号，后经解调恢复信息。
水下无线光通信则是利用蓝绿激光进行的水下无线光通信，其不需要利用光纤，这样扩大了适用领域，并且能够节约部署成本[1]。
光模块技术参数
光模块的技术参数2007-12-06 17:151、光模块传输数率：指每秒传输比特数，单位Mb/s或Gb/s。
2、光模块发射光功率和接收灵敏度：发射光功率指发射端的光强，接收灵敏度指可以探测到的光强度。
两者都以dBm为单位，是影响传输距离的重要参数。
光模块可传输的距离主要受到损耗和色散两方面受限。
损耗限制可以根据公式：损耗受限距离＝（发射光功率-接收灵敏度）/光纤衰减量来估算。
光纤衰减量和实际选用的光纤相关。
一般目前的光纤可以做到1310nm波段km，1550nm 波段km甚至更佳。
50um多模光纤在850nm波段4dB/km 1310nm波段2dB/km。
对于百兆、千兆的光模块色散受限远大于损耗受限，可以不作考虑。
3、10GE光模块遵循的标准，传输的距离和选用光纤类型、光模块光性能相关。
4、饱和光功率值指光模块接收端最大可以探测到的光功率，一般为-3dBm。
当接收光功率大于饱和光功率的时候同样会导致误码产生。
因此对于发射光功率大的光模块不加衰减回环测试会出现误码现象。
5、传输距离光模块的传输距离分为短距、中距和长距三种。
一般认为2km及以下的为短距离，10～20km的为中距离，30km、40km及以上的为长距离。
光模块的传输距离受到限制，主要是因为光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散。
损耗是光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄漏导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。
色散的产生主要是因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。
因此，用户需要根据自己的实际组网情况选择合适的光模块，以满足不同的传输距离要求。
6、中心波长中心波长指光信号传输所使用的光波段。
目前常用的光模块的中心波长主要有三种：850nm波段、1310nm波段以及1550nm波段850nm波段：多用于短距离传输1310nm和1550nm波段：多用于中长距离传输光纤光模块应用特性和检测参数值的参考1引言今天，以太网技术已成为局域网中不可或缺、暂时还无可取代的技术。
水下光通信系统的设计与优化
水下光通信系统的设计与优化水下通信系统在深海开发、海洋监测等领域发挥着至关重要的作用。
而水下光通信系统作为一种高速传输信号的技术，在水下通信中发挥着不可替代的作用。
本文将讨论水下光通信系统的设计与优化。
一、水下光通信系统的特点设计水下光通信系统时需要考虑水下环境的特点，包括水中的吸收、散射和反射等因素。
在水下环境中，光的传输距离相对较短，光强度随着距离的增加而迅速衰减，因此需要采用高功率的激光发射器和高灵敏度的光接收器。
同时，水下通信中还需要考虑水下噪声的干扰。
在深海环境中，自然噪声、人工噪声以及信号失真等问题会使光通信信号的质量受到影响，因此需要采用一系列优化措施来保证通信质量。
二、水下光通信系统的设计原则在设计水下光通信系统时，需要遵循以下原则：1.选择适当的发射器和接收器在水下光通信系统中，需要选择适当的发射器和接收器。
发射器需要具备高功率、高稳定性和高效率等特点，同时还需要能够根据不同的水下环境进行调节。
接收器则需要具备高灵敏度、高抗噪声能力等特点，以确保在水下复杂环境中接收到高质量的光信号。
2.优化系统设计在水下光通信系统设计中，需要优化系统设计，包括选择合适的波长、光功率、接收灵敏度等参数。
同时，还需要对接收器的信号处理功能进行优化，以克服噪声和失真等问题，提高信号质量。
3.选择合适的传输介质在水下光通信中，传输介质的选择对通信质量产生较大的影响。
泥沙、悬浮物等物质会影响光的传输效果，因此需要选择适合的传输介质，如净水、纯水等。
4.避免光的漂移在水下光通信中，光的漂移会导致光信号丢失或者失真，因此需要采用合适的传输方式避免光的漂移。
常用的传输方式包括单模光纤、多模光纤、自由空间传输等。
5.考虑可靠性和稳定性在水下通信中，可靠性和稳定性是至关重要的因素。
高可靠性的系统能够保证通信质量和系统稳定性，在极限环境下仍然可以正常工作。
因此，在设计水下光通信系统时，需要考虑这些因素。
三、水下光通信系统的优化方法在设计水下光通信系统时，需要采用一系列优化措施以提高通信质量。
水下激光通信
海水的散射特性
海水的散射比大气的散射要复杂得多，海水的散射包括 水本身的瑞利散射和海水中悬浮粒子引起的米氏散射 及透明物质折射所引起的散射。 纯水的散射被当做是一种分子的散射，水分子的直径 比可见光波长小几百倍。而分子半径远小于入射光波长 的分子散射，可以用瑞利散射定律来描述。
瑞利散射（Rayleigh scattering）是由比光波波长还要小 的气体分子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反 比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气 爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突 出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地 表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段； 使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动， 当电磁波波长大于1微米时，瑞利散射可以忽略不计。
信道的香农极限（或称香农容量）指的是在会随机发生误码的信道上进 行无差错传输的最大传输速率。它的存在是香农定理在带宽有限的信道 上的一个结论。
由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离 的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是 水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通 信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因 素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信 技术的发展方向。 水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信 受环境的影响较大。克服环境的影响是将来水下光通信技术 的发展方向。
与水下声学通信技术相比，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 延大等不足。 首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大 容量数据传输，目前可见光谱的水下通信实验可以达到传输千 兆(Gbps)量级的码率； 其次，光学通信具有抗干扰能力强，不易受海水温度和盐度变 化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性； 第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中 断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安 全保密性； 第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与 接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提 升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷 小型化、轻量化、低功耗的要求。
激光水下通信
1.激光对潜通信的作用及前景一．潜艇通信概述潜艇主要工作于水下30~400m，带有核弹头的导弹核潜艇可在海水300~400m深度活动几个月因此，发展核潜艇具有极重要的战略意义。
而潜艇航行深度及航速的快速发展．给通信带来巨大困难。
随着通信技术的发展，干扰机在定位、识别等领域取得了重大突破。
对潜艇来说，隐蔽性就是生命。
如采用传统的超短波无线电对潜通信，潜艇应浮至近水面伸出天线对外收发电文、极易暴露目标。
图1示出了无线电渡、红外、可见光和紫外、x射线在海水中的衰减曲线。
从图看出，频率低于1×103Hz的无线电超长波在海水中的衰减值小于ldB／m；频率约6×1014Hz的0．48mμ蓝绿激光波长在海水中的衰减值小于1×10-2。
dB／m。
困此，岸对潜通信具有两个“窗口”，即超长波无线电通信窗El和0．48v．m的蓝绿激光波长窗口两者相比，0．48v．m的蓝绿激光波长为对潜通信的最佳窗El，即激光通信“窗口”。
激光对潜通信不仅具有超长波通信的全部优点，还具有传输速率高、信息容量大、：抗电磁和核辐射干扰，方向性强、体积小、隐蔽性好等超长波无法与之比拟的优点，能实现最复杂的通信系统。
如地面通过卫星对潜实施激光通信，仅发射三颗卫星，先从地面用微波向卫星发送信息，再经卫星上的激光束向潜艇所在海域进行扫描传输信息，而不影响潜艇的战术机动，能对400m 以下深度、航运3O节以上的战略核潜艇实施全球海域的通信联网。
二、激光对潜通信的作用及前景不同波长的光波穿透水的能力不同，经测量表明，无论在海水或纯水中，水下μ的蓝绿可见光，称光波穿透海水的蓝绿光“窗传输的有效光波长范围0．47～0.54mμ。
口”，最佳波长为0．48m经测量，蓝绿光在海水中的穿透深度可达600m，这一特性与极低频120～180m 比较，在海军对潜通信中具有极大的吸引力。
美国海军一开始的基本设想和方案是：(1)先从地面将报文用微波送至卫星，再由卫星上的蓝绿激光发到潜艇所在海域；(2)由地面激光发射机以小于2O。
近海岸水下快速光通信实验研究
2.海水信道的光学特性
Jerlov对海水表面以下10m之内水体的光学特 性分析，将海水分为大洋水(3类)和沿岸水(9类)。
• 2011年，上海光机所在中船702水池（漫衰减系数约为 0.06m-1）中试验，采用高亮度蓝绿激光器为光源，PPM调 制方式，接收端使用高灵敏蓝绿光电倍增管，实现传输速 率为10Kbps，距离为125米，误码率低于10-5的数据通信；
• 2012年，南京理工大学的沈娜，郭倩等，对引起激光水下 衰减的因素进行研究，得出水中悬浮颗粒的散射效应是产 生误码的主要原因；
黄色物质的吸收系数：
ag
ag
eSg 440 0
0 440nm
黄色物质吸收系数曲线
ag 0 指在参考波长时的吸收系数，当 0 440nm 时，取 ag 440 0.243 ，Sg 0.014 / nm
2.海水信道的光学特性
• （3）浮游植物的衰减特性
• 2011年，美国的Jim A. Simpson等，用激光器和LED分别 在3.66m的水槽中实现了传输速率为Mbps的数据传输；
• 2013年，美国的Brandon Cochenour等，提出了一种新的 高灵敏，高动态范围用于测量频率响应范围的方法，并在 在7.62m长的水槽中实现了1GHz信号传输。
其它悬浮 与黄色物质相似，吸收系数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ粒子
较小，短波处稍有增加
与水质和光波波长相关
2.海水信道的光学特性
水下激光通信
海水中悬浮粒子引起的散射属于米氏散射问题，悬浮粒子的 大小的分布和海水中粒子的浓度决定了米氏散射的大小。
• 当大气中粒子的直径与入射的波长相当时发生的散射。散 射的强度与波长的二次方成反比，散射在光线向前的方向
比向后的方向更强，方向性比较明显。
• 海水散射的一个重要效应是对光能量的衰减，然而作为光 的水下通信还存在着另一个重要的效应是海水微粒对光的 的多次散射引起的多通道效应。
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、通信等难题提供了基础。
海水的颜色主要是由海水的光学性质，即海水对太阳光线的 吸收、反射和散射造成的。我们知道：太阳光是由红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫七色光复合而成，七色光波长长短不一 ，从红光到紫光，波长由长渐短，其中波长长的红光、橙光 、黄光穿透能力强，最易被水分子所吸收。波长较短的蓝光 、紫光穿透能力弱，遇到纯净海水时，最易被散射和反射。 又由于人们眼睛对紫光很不敏感，往往视而不见，而对蓝光 比较敏感。于是，我们所见到的海洋就呈现出一片蔚蓝色或 深蓝色了。如果打一桶海水放在碗中，则海水和普通水一样 ，是无色透明的。其实海水看上去也不全是蓝色的，而是有 红、黄、白、黑等等，五彩缤纷。因为海水颜色除了受以上 因素影响外，还会受到海水中的悬浮物质、海水的深度、云 层等其他因素的影响。如我国的黄海，看上去一片黄绿，这 是因为古代黄河夹带的大量泥沙将海水“染黄”了。虽然现 在黄河改道流入渤海，但黄海北部有宽阔的渤海海峡与之相
海水的散射特性
海水的散射比大气的散射要复杂得多，海水的散射包括 水本身的瑞利散射和海水中悬浮粒子引起的米氏散射 及透明物质折射所引起的散射。 纯水的散射被当做是一种分子的散射，水分子的直径 比可见光波长小几百倍。而分子半径远小于入射光波长 的分子散射，可以用瑞利散射定律来描述。
水下无线蓝绿激光通信系统设计
水下无线蓝绿激光通信系统设计摘要：传统的水下通信一般采用声学通信和电磁波通信。
由于激光的特殊性能，采用水下激光通信具有高保密性、高传输速率和高抗干扰等优点。
本文利用蓝绿光在水中的低衰减系数的特性，通过研究蓝绿光激光器LD和光电探测器PIN的特性，分别设计了输出电流可调的恒流源电路、高速内调制电路、光电转换电路以及弱信号检测电路，最终实现水下蓝绿光通信。
关键词：蓝绿光激光；内调制；水下通信0引言水下光通信是以光波作为载波实现数据传输的通信方式[1]。
相比于其它通信方式，水下无线光通信具有以下特点：光波的频率很高,故其承载信息的能力很强,能够传输的信息容量很大,可使用的通信带宽很宽；光波具有很高的传输速度；若使用激光作为光源,水下光通信系统对各种干扰的抵抗能力非常强；激光的发散性小、光束窄、传播的方向性好,从而增加了通信系统的保密性[2]。
其应用在商业领域，可对海洋的能源、地形、气候等进行探测；在军事领域中，可借助它对敌军进行突然袭击，切具有很好的隐蔽性以及和外界通信。
所以水下光通信是具有很好地发展前景。
1通信总系统设计本文基于蓝绿光在水中吸收特性和激光的准直性优点实现水下通信，其主要研究的内容包括：信号调制、恒流源（驱动蓝绿光激光器）、光电检测器件（光电二极管PIN）、互阻放大电路路、主级放大电路以及判决电路的设计。
系统具体框图如图1所示。
图1系统框图从图1可知本系统主要分为光发送模块和光接收模块。
光发送主要完成的任务是将数字的电信号转移到光上。
光接收的作用是将光信号转化成电信号，并将电信号恢复成可处理的数字信号。
2通信系统光发送机2.1光源驱动电路设计激光二极管一般均采用恒流的方式驱动，恒流源的制作方法较多，如线性稳压芯片LDO、开关电源DC-DC、三极管或者MOS管（威尔逊电流源）等。
其中线性稳压芯片工作效率较低，所以选用BUCK型的DC-DC（LT3474）制作恒流源用于驱动LD。
绿光激光器可选用的功率为120mW、波长520nm、驱动电流240mA。
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以上是通过论文，了解到水下激光通信发射模块和接受模块的分析，由于英语水平有限，难免出现纰漏，还望指正。下步进一步了解各模块块参数分析
目前，我们主要研究水下激光通信的发射模块和接受模块。
一、发射模块
首先是光源的选择，通过下图可以看出蓝绿光在水中得到衰减最小，因此常被用于水下光通信。
基于功耗、效率、尺寸及成本的考虑，通过对比氩离子激光发射器、钛宝石激光发射器、光纤激光发射器以及半导体二极管激光发射器，最后选择了半导体二极管发射器，它具有低功耗、高效率以及结构简单等优点。
王文朋
其次，驱动电路的设计。如下图，在此论文中采用了Maxim公司 MAX3701蓝光激光驱动芯片作为激光二极管的驱动，这块芯片的信号上升与下降速度达到0.9nS，提供的二极管驱动电流为最高为200mA，偏置电流最高200mA.在PCB中通过EP2C5的FPGA控制MAX3701。 同时包含了一个模数转换器AD7822，实现驱动芯片中的内部互阻抗放大器的电压数字化。
下图中，电位器通过控制V1端口用来为二极管设置偏置电流,FPGA在通过低通滤波器产生一个脉冲宽度调制信号,以提供一个输出电压通过V2端口控制调制电流。同时，FPGA产生一个开关键控输出信号控制MAX3701,驱动电流的输出。
二、接受模块
基于动态范围、接收灵敏度和信噪比的考虑，论文中选择了光电倍增管（PMT)作为接收装置。光电倍增管装置利用外部光电效应将入射光子转换成一个放大的电子信号。
接收电路设计需要一个稳定的高压电源，分压电路和输出负载或者放大器电路。
论文中采用了R7400U光电倍增管。它具有体积小、灵敏度高、速度快和成本低等优点。
在下图中,通过调整输入电压对PMT的灵敏度有较大的影响。改变电源电压从250V的800V,输出电流的变化几乎达到了5个数量级。如果输出电流保持不变,输入电压调整,PMT能够观察到四个数量级范围的光子。