水下激光通信系统中信道特性分析_水下通信技术

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水下激光通信系统中信道特性分析
1.2.3 光纤通信 现代光纤通信是指以激光作为信息载体，以光纤代替电缆来进行通信。而 光纤是目前最有能力支持高带宽远距离通信的传输媒介。与传统的通信方式相 比，光纤通信有如下几个方面的优势[10]： （1）通信容量大，传输带宽大。单根石英光纤在低损耗频段 0.8~1.65μm 的频带宽度可以达到 200THz， 这样巨大的传输宽带和容量是其他传输介质所不 能代替的。 （2）损耗小，中继距离长。目前工业制造的光纤在 1.3μ m 附近，其损耗在 0.3~0.4dB/km 范围以内，在 1.55μm 波段已降到 0.2dB/km 以下。 （3）光纤通信的抗干扰性和保密性极好。光纤是二氧化硅制成的，它不受 各种电磁波的干扰，甚至在核辐射环境下，仍能正常工作。光信号在传输过程 中被束缚在光纤芯内，向外辐射和泄漏的极小，在信息传送时很难被窃听，这 在军事国防和经济上都有重要意义。 （4）光纤中几乎没有背景噪声。光纤对恶劣环境有较强的适应能力。 （5）重量轻、成本低、资源丰富、寿命长。光纤的制造不需要大量的有色 金属，所需要的石英丰富而便宜。光纤是绝缘体，没有电流和电压的干扰，且 不易被海水腐蚀。 尽管光纤有以上众多优点， 但是光纤是有线传输， 依赖于相对昂贵的光缆， 还要考虑到薄的电缆护套易受海洋生物附着和其他机械的损坏。水下光缆应用 的另一个挑战是收发器之间插拔连接，譬如一个海面船只与一个水下传感器之 间，或者一个 AUV 和一个传感器之间。总体而言，使用光纤的费用比较高， 维护困难，所以水下高带宽无线通信比光纤通信有着更明显的优势。 1.2.4 水下激光通信 水下激光通信结合了频率高和无需有线连接直接传播光载波的灵活性的优 点。与水声通信相比，水下激光通信可以克服水声通信的带宽窄、载频低、延 迟大等缺点。而与光纤通信对比，它继承了光纤通信的众多优点，但是激光在 海水中严重地受到周围环境条件的影响，在海洋中我们面对的是比大雾天气甚 至更高的单位距离的信号损耗，水下环境对于激光的性能起到决定性的作用。
（1-1）
其中 f 表示通道的频率带宽，S 表示在接收端的信号功率，N 表示接收端 的噪声功率。 从式 1-1 中可以看出， 高数据率通信要求高带宽和高信噪比 （SNR） ， 换句话说， 具有高损失或者不能支持高载波频率的通道不适合高带宽数据通信。 目前，国内外水下通信研究的主要领域有如下四种： 1.2.1 基于射频的水下电磁波通信 水下射频通信目前主要集中在对甚低频（超长波）无线通信的研究。甚低 频通信是通过陆上电台发射大功率的甚低频电磁波，通过大气和地球表面进入 水下目标接收器， 实现单向或双向通信。 甚低频通信技术不仅在军用岸对潜 （艇） 通信中发挥了重要的作用，而且超长波对岩石、土壤也有很强的穿透能力，在 地球物理探查方面也有很大的潜力。超长波通信具有以下优点[6]： （1）传播衰减小，通信距离远。 （2）受电离层的干扰小，其信号相位的稳定度也比较高，特别是在磁暴、 太阳黑子爆发、核爆炸等情况下尤为突出。 （3）工作频率为甚低频段时，可穿透海水十几米以下。而在超低频段时， 通信深度可以增加好几倍， 可以实现近百米深度的水下目标以 30 节速度移动的 通信；一般认为，甚低频在水下的能量按每米 1.1 F dB（ F 为传输频率）进行 衰减，频率越高，衰减越大。 基于以上优点，在对潜通信领域，超长波通信成为军事上的主要手段。国 外在这方面也做了深入研究，建立起水下传感器的电磁波通信网络，研制了多 款水下宽带射频调制解调器，在 100~200kHz 频率范围内，实现了 1 米距离的 10 Mbit/s 的数据传输率以及 10 米距离范围内的 100kbps 的数据传输[6]。但是， 它也存在相应的不足之处。表现在： （1）通信系统及设备过于庞大，天线长达数千米占地广、建造困难且防原
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象，使能量进一步被分散。 2、环境噪声 海洋是一个复杂的地质环境和运输通道，噪声源十分复杂。地球地壳活动 造成的海底地震和海底火山喷发，地球自转导致的洋流运动以及万有引力所产 生的潮汐等，这些地质活动产生了大量的噪声。同时，水下生物引发的噪声、 海洋开采产生的噪声、船只航行与通信产生的噪声等也是主要来源之一。这些 噪声叠加到了有用声波上或者直接被接收器接受，造成了声音质量下降而不利 于通信。目前，随着对海洋的开发利用，人为制造的噪声也越来越大，对水声 通信的影响会越来越明显。 3、多径效应 由于海水介质不均匀，声音在水中发生多次反射和折射，这样就造成了初 始发出的声波和经过反折射后从其他方向上传过来的声波，都被接收器接收， 但这两个声波不是同时到达，由于时间差的存在，声音仿佛被拉长了，对信号 而言，持续时间变大和频带变宽[9]。由此可以看出，这样现象必定会造成通信 质量的下降。这种效应是不可避免的，可以通过采用指向性好的发射机，并提 高发射功率达到通信系统的质量要求。 4、起伏效应 由于海水温度和盐度等参数在空间分布上不均匀，而且随季节、天气等因 素随时变化，声信号在传输过程中随海水波动而变化，从而引起通信的不稳定
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过去人们指对海水中的单个因素来分析信道特性，具有很大的片面性。为了更 好地设计出适合海水信道的光通信系统。
光通信最早了追溯到我国古代的烽火台，通过点起烽烟，一级一级地将信 息传递到目的地，当然这种光通信并非现代意义的光通信，我们可以称它为目 视光通信。到 18 世纪末，法国人发明了信号灯，利用“灯语”的通信曾风行一 时。随着望远镜的发明，极大地延长了目视光通信的距离。至今，信号灯、旗 语仍在应用。 现在光通信起源于 19 世纪下半叶。当时的贝尔发明了光电话，被视为近代 无线光通信的开端。但是受条件所限和技术的落后，没有可靠的高强度光源和 稳定的低损耗传输介质来保障，光电话未能得到实际应用。红宝石激光器的发 明，使人们的目光再次聚焦到光通信领域，但是受激光器的限制，也未能得到 促进光通信发展。加上当时条件所限和水对光的吸收作用，许多人认为光不适 合水下通信，因此水下光通信逐渐淡出了学者们的视线。1963 年，科学家发现 海水在蓝、绿光的衰减比其它光的衰减要小很多，这一发现为水下光通信提供 了很大的理论基础和强有力的推动作用[11]。1970 年，研制成室温下连续工作的 半导体激光器，为通信光源的应用奠定了坚实的基础和强有力的保障[12]。 二战后，美苏之间的冷战和军备竞争极大地促进了光通信的发展。美国海 军提出了利用海水的蓝绿透光窗口进行激光通信的设想，为舰艇和潜艇之间的 通信提供了一种新的方式。 七十年代,美国的科技院校率先利用激光设计了海水 深度测量系统。通过试验，达到了利用激光测量深度的目的，为今后水下目标 的探测以及三维重建等技术提供了有效手段和理论依据[13]。 早期的水下光通信主要表现在对潜通信方面。 美国借助其强大的技术优势， 开启了激光对潜通信的大门。美国海军在海水深度测量的基础上，设计出了机 载激光脉冲探测系统，开始空基对潜通信的研究。在随后的近二十年里，多次 组织实施了高空对潜通信试验，技术水平上达到了当时对潜通信的性能要求， 但对复杂的的海洋环境以及潜艇构造，还需要做进一步的验证[14]。除美国外， 前苏联也不甘落后，积极研究蓝绿激光对潜通信。1983 年前苏联进行了空间反
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水下数据通信主要有两个关键因素：用来传输数据的载波调制与解调和支
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持载波传播的媒介。要求使用的载波衰减要足够小，背景噪声足够低，便于在 接收端能够成功地解调载波。根据香农定律表明，具有有限信噪比的通道支持 的最大波特率为：
R(max) f log(1 S ) N
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。 由于以上影响因素，造成了水声通信的传输延时大、传输速率低、带宽有
限等局限性，同时水声设备体积过大、功耗高，通信质量易受环境影响，安全 性差等缺点，制约了水声通信的功能，尤其是在军事领域中会带来严重的不利 后果。为了克服这些缺点和提高带宽的利用效率，随着技术的发展，通过采用 单边带调制技术、频移键控(FSK ) 、相移键控(PSK ) 和多载波调制等技术， 水声通信距离可达几公里，信噪比也有了较大提高。相比电磁波水下通信，水 声通信目前已经得到了各国的广泛应用。
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来越多的领域得到了应用。 水下激光观测包括水下目标探测、水下目标三维重建、水下图像处理与颜 色恢复等方面。主要是通过线性结构激光器发出的激光照射被探测的目标，由 于目标对激光的反射作用，激光接收到被反射的激光，利用前后激光的脉冲间 隔以及频率、相位的差异进行目标测距、图像形态等特征的提取 。这些技术 的应用都需要对水下信道特性进行分析，评估信道对信息传输的衰减作用。此 外要求实现比较高的传输速率，来实现观测数据的实时高效传送以及控制指令 与反馈的实时交换。比如实时传输一个高清晰度的图像就大约需要超过十几兆 的传输速率。 水下固定探测是指通过在水下安置固定的探测设备，实时的监测海洋环境 变化。这种设备自动收集数据，然后通过人工或者水下移动工具去收集。随着 技术的发展，现在已不需要人亲自采集，而是采用自主式水下交通工具 。通 过它作为一个移动“硬盘”存储探测采集的信息。为了能够及时获得数据，可 通过无线通信系统与它进行数据交换。由于电磁波在水体信道中的衰减过大， 声学通信延迟大、带宽小、传输速率低以及信道噪声的影响，限制了其作用范 围。新型的光学通信为深潜器与自助式水下机器人之间的信息交换提供了一种 新的方式。 军事领域的需求极大刺激了新技术的研究与发展。据公开资料显示，全球 现役潜艇近千艘，而随着现在高技术的发展，反潜兵器日益增强和反潜能力不 断提高，潜艇受到的威胁也越来越大，水下航行的安全深度也不断加大，从而 增加了对潜通信的难度[5]。美国等一些国家通过研究蓝绿激光在大气信道和海 水信道中的通信性能，研制出了许多种类的对潜激光通信系统。 研究水下信道的光学特性，是设计水下激光通信系统的基础和前提。但是 目前研究的内容多是基于介质沿传输方向均匀分布的前提下，因而建立的信道 模型具有片面性，性能分析误差比较大，也不具有通用性。水下信道对不同的 通信方式的影响效果也不尽相同。