水下光通信
水下光通信技术的研究与应用
水下光通信技术的研究与应用近年来，随着科技的快速发展，人类对海洋领域的研究越来越深入，其中水下光通信技术无疑是一个热点话题。
水下通信是指在水下传递信息和信号的过程，它广泛用于海洋观测、海洋资源开发和资源调查等领域。
而光通信技术则是一种高速、节能且可靠的通信方式，是一种水下通信技术的重要发展方向。
本文将探讨水下光通信技术的研究与应用现状及未来展望。
一、水下光通信技术的研究现状目前，水下光通信技术被广泛运用于科研、商业以及军事领域。
在科研领域，水下光通信技术在海洋观测、环境监测等应用中发挥着重要的作用。
同时，水下光通信技术也被广泛应用于商业领域，比如水下设备的通信控制、海洋油气勘探等领域。
在军事领域，水下光通信技术同样发挥着重要的作用，比如水下潜艇通信、水下情报传递等。
因此，水下光通信技术在现代社会中具有极其广泛的应用前景。
不过，水下光通信技术的研究也存在一些挑战。
首先，水下光信号的弱化受到水下环境因素的影响，如海水杂质、氧化剂、热膨胀等，这些因素都会导致光信号的衰减。
其次，水下光通信受到信道噪声和多路径干扰的影响，难以保证其安全和可靠性。
此外，水下光通信的传输距离也受到限制，因为光在水中传输时其能量也会在水和大气之间发生转移。
二、水下光通信技术的应用现状近年来，随着科技的发展，水下光通信技术得到了广泛应用。
(一) 海底光缆海底光缆是一种应用最广泛的水下光通信技术。
海底光缆内部运用的是光纤通信技术。
海底光缆能够在斜率较大的海底中传输光信号，而且距离也更远。
目前，海底光缆已经成为联接世界各地的主要网络之一，而且运用渐渐扩展到了海洋石油勘探、环境监测、海底地震观测等领域。
(二) 水下无线光通信水下无线光通信是指利用水下光通信技术在水下传递数据和信息。
水下光通信短距离通信情况下，水下无线光通信更加适用。
水下无线光通信技术可以用于水下机器人控制、水下设备的通信控制等领域，这是水下光通信技术应用的另一大亮点。
第六章 水下光通信技术
第六章水下光通信技术海洋区域的划分⏹海底带：海洋底部⏹远洋带(浮游带)：从海床延伸到海面的区域⏹浅海带：浮游带一部分，高潮线离海底200m的范围海洋带：水深超过200米透光层-海洋顶层，接收99%的阳光，海面到接收1%阳光的范围弱光层-约1km深，阳光非常微弱几乎不能进行光合作用无光层-没有太阳光水下无线通信⏹海洋观测系统的关键技术⏹可采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化、海底异常地震火山活动，探查海底目标，及远距离图像传输⏹军事应用⏹水下传感器网络的关键技术水下电磁波通信水声通信水下光通信⏹海水具有导电性质，对电磁波起屏蔽作用⏹海水中含多种元素，绝大多数处于离子状态，Na+，K+，Ca++，Mg++，SO4--，CO3--，Cl-，HCO3- 8 种离子占海水中溶质总量99%以上⏹电导率随海区盐度、深度、温度而不同，为3~5S/m，工程上一般取其平均值：4S/m，高于纯水的电导率5~6 个数量级⏹对平面电磁波海水是有耗媒质，导致平面电磁波在海水中的传播衰减较大⏹频率愈高，衰减愈大，穿透深度愈小100Hz穿透深度约为25m，0.34dB/m10kHz穿透深度仅为2.5m ，3.4dB/m⏹电磁波信号送到较大深度需适当降低工作频率⏹岸对潜单向通信：从甚低频的几十kHz降到超低频的100Hz 以下，实现100m 的收信深度⏹发射设备规模宏大，占地面积以平方千米计，发射机输出功率从几百千瓦到数兆瓦，通信距离可达数千千米甚至超过万米，但收信深度都较浅，甚低频通信的收信深度仅几米至几十米，超低频通信的收信深度也仅百米左右水声通信⏹声波在海面附近的典型传播速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量级。
与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多，是一种有效的水下通信手段。
声能量的传播损失环境噪声多径效应起伏效应⏹real-time response, synchronization, and multiple-access protocols⏹distress marine mammals such as dolphins and whalesoptical wireless communication⏹ 5 GHz —— 64 m in clear ocean water⏹ 1 GHz —— 8 m in turbid harbor waterChannel⏹Light pulses propagating in aquatic medium suffer from attenuation and broadening inthe spatial, angular, temporal, and polarization domains.The attenuation and broadening are wavelength dependent and result from absorption and multiscattering of light by water molecules and by marine hydrosols mineral and organic matter.extinction coefficientCommunication Link Models⏹The line of sight communication⏹The modulating retroreflector communication⏹The reflective communication海水对激光束传播的影响⏹与大气相比：密度高、内容物丰富→更复杂⏹影响机理基本相同：吸收；散射；扰动；热晕；水空界面⏹吸收：水分子无机溶解质悬浮体有机物⏹散射：瑞利散射：纯水分子散射米氏散射：悬浮粒子透明物质折射引起的散射⏹衰减系数与光波波长、海水浊度、生物含量、温度、深度有关⏹大洋海水：0.1dB/m⏹纯海水：400-580nm衰减系数较小⏹含浮游生物：绿光衰减最小，红、紫光最大⏹大洋海水衰减最小：480-500nm⏹近岸海水衰减最小：530-580nm⏹随深度增加而减小⏹易变：时间、空间水空界面反射和散射⏹海水和空气界面存在反射⏹海水平面复杂的随机波动面、泡沫漂浮物等带来散射⏹低频随机噪声海水扰动⏹类似大气湍流⏹温度、盐度~折射率⏹海流、生物体扰动、温度差⏹影响：光强起伏⏹（对潜通信~300m）比海面扰动小热晕效应⏹光束路径上的物质分子、颗粒等吸收激光能量而发热改变折射率，光束发生弯曲和畸变⏹海水吸收大、信号功率大→影响大于空气，产生蒸汽气泡⏹解决：增大光学天线口径海水信道分析⏹损耗：m海水分子a悬浮颗粒与浮游生物浓度、悬浮粒子、盐分、温度深度：10~20m最大分层处理扩散：散射对光源的要求⏹工作波长：400~580nm；功率：背景较强；脉冲宽度：多径；重复频率：蓝绿激光器⏹气体激光器、染料激光器设备庞大、效率低、寿命短、稳定性差半导体激光器半导体激光器泵浦固体激光器腔内倍频激光器对潜蓝绿激光通信系统——陆基、天基、空基⏹陆基陆上基地台发强脉冲激光束，卫星反射⏹天基激光器置于卫星⏹空基激光器置于飞机⏹国内外对潜通信的主要手段是甚低频通信和极低频通信。
水下通信原理
水下通信原理水下通信原理是指在水下环境中进行信息传输的一种技术。
由于水的密度和折射率与空气不同，水下通信相比陆地或空中通信存在许多独特的挑战和限制。
本文将从水下通信的基本原理、技术应用及其未来发展等方面进行阐述。
水下通信的基本原理是利用声、电、光等信号进行传输。
其中，声波是一种最常用的传输媒介。
在水下环境中，声波的传播速度比空气中的声波要快得多，约为1500米/秒。
因此，水下通信系统通常利用声波进行信息传输。
传统的水下声通信系统采用声纳技术，即利用声波的回声来获取目标信息。
这种技术在军事、海洋研究以及海底油气勘探等领域有着广泛的应用。
除了声波通信外，水下通信还可以利用电磁波进行传输。
电磁波在水下的传播速度比空气中的要慢得多，约为3×10^8米/秒。
因此，水下电磁波通信系统需要考虑信号的衰减和散射等问题。
此外，由于水的导电性较强，水下电磁波通信系统还需要解决电磁波在水中的传播损耗和干扰等问题。
近年来，光纤通信技术的发展为水下光通信提供了新的解决方案。
光纤通信系统利用光的全反射原理，在光纤中传输信号。
水下光通信系统利用光纤作为传输媒介，可以实现高速、大容量的数据传输。
然而，由于水的吸收和散射等问题，水下光通信系统的传输距离和速率仍然存在一定的限制。
水下通信技术在海洋资源开发、海底地震监测、海底遗迹勘探等领域都有重要的应用。
例如，在海洋石油勘探中，水下通信系统可以实现海底油井的监测和控制。
在海底地震监测中，水下通信系统可以传输地震传感器采集到的数据。
此外，水下通信技术还被应用于水下机器人、海底网络和海底观光等领域。
尽管水下通信技术取得了一定的进展，但仍存在许多挑战和难题需要解决。
例如，水下通信系统需要克服水的吸收和散射引起的信号衰减和失真问题。
此外，水下通信系统还需要应对海洋环境的复杂性和不确定性，如水流、盐度和温度的变化等。
因此，未来的研究重点将是开发更高效、稳定和可靠的水下通信技术。
水下通信原理是利用声、电、光等信号进行信息传输的一种技术。
水下通信技术现状及趋势
水下通信技术现状及趋势作者：何昫张德张峰吴宇航查文中来源：《中国新通信》 2018年第8期海洋中蕴含着丰富的物质资源，是各国的必争之地，无人潜行器对军民两个应用领域都具有较高的潜在价值。
而水下通信技术是无人航行器工作的必备条件，由于其通信空间受到传输介质的制约，一直是国际上研究的热点问题。
其中包括光通信技术、声光复合通信技术、移动网络通信技术等，新材料的出现也在提升了传输载荷在某些方面的特性，为水下通信开辟了新道路。
一、水下光通信技术水下光通信包括两种方向：有线光通信和无线光通信。
有线光通信是指在海底铺设光缆作为通信载体，海水可防止外界光磁波的干扰，所以，海缆的信噪比较低，由于，光信号的传播速度接近光速，因此，几乎没有延迟，且光缆的寿命较长可达25 年。
无线通信是指海水对蓝绿激光的衰减比对其它波段光的衰减小很多，多采用这种方式，也有提出采用紫外线的通信方式。
光通信的优势包括：光波频率高，承载信息能力强；传输速度快；抗干扰能力强；方向性强等。
二、声光复合通信技术光纤传输是一种以光导纤维为介质进行的数据、信号传输技术，现今已被应用到水下通信领域，复合水声信号的光纤传输系统是利用光电混合缆中光纤、电缆共存的结构，通过光纤向接收设备传输接收的多路声信号，包括压力、磁、温度等辅助传感器数据，再用光纤，把控制水下基阵的指令及控制等指令发送给水下载体。
通过电缆，向水下载体端发射用于水下发射换能器的高压大功率电脉冲信号。
基于Manchester 编码技术，可有效提高对海量数据的双向稳定传输，是一种较可靠的水下声光复合通信方式。
三、移动网络技术水下移动通信网络是由一系列可自由移动的节点组成，摆脱物理环境的制约，可达到任何位置，同时，提高了节点的使用率。
水下传感器网络是通过人工抛撒的方式将其布放于目标海域，每个节点根据预先编制的网络协议，采用自组织的方式形成传感器网络。
按照网络体系结构可划分为：水下二维网络、水下三维立体网络和水下移动网络。
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。
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。
水下光通信的分集接收技术
水下光通信的分集接收技术水下光通信的分集接收技术【摘要】本文主要论述水下光通信的分集接收技术，主要针对水下蓝绿激光的可视距离激光信号进行接收，能够增强水下激光通信能力、有利于完成水下通信任务，对工程应用、军事发展、国防科研等有重要意义。
【关键词】水下光通信分集接收海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。
海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且还包含了有关气候的信息，以及大量急待开发的资源。
水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化。
海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输，水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。
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。
水下光主要通信是利用海水对波长为470nm～570nm的蓝绿激光具有低损耗窗口，依靠大气、空气/海水界面和海水作为光信道，实现飞机（或卫星）对水下约300m深度的潜艇通信。
这种通信方式具有波束隐蔽、接收天线小、通信速率高、抗干扰和保密性强等优点。
一、水下激光信道激光传输特性研究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。
水下光通信数据传输技术研究
水下光通信数据传输技术研究随着人类对深海的探索越来越深入，对水下通信的需求也越来越高。
传统的水下通信系统采用声波进行传输，然而声波在水中的传播距离受到水温、水盐度等环境因素的影响，传输速度较慢，且易受到环境噪声干扰。
因此，水下光通信技术成为了当前水下通信领域的热点研究方向之一。
水下光通信传输系统主要由光源、光纤、探测器和调制解调器等组成。
水下光纤通信系统将光纤作为信号传输媒介，通过电信号调制光强度来实现信息传输，具有高速传输、抗干扰等优点。
但是，水下光通信技术面临的主要挑战是光信号在水中传输损耗较大，需要在水下光通信系统设计中克服这些挑战。
当前，水下光通信技术的研究主要集中在以下几个方面：一、水下光通信信号传输损耗问题水下的水体对光信号有较强的散射和吸收作用，导致光信号传输距离较短，信号衰减较大。
因此，在水下光通信系统中需要采用高功率的光源和低损耗的光纤来解决信号传输损耗问题。
二、水下光通信系统的封装和保护问题水下光通信系统需要耐水深、抗水压、防水等性能，因此在水下光通信系统的设计中需要考虑到系统的封装和保护。
三、水下光通信系统的干扰问题水下光通信系统易受到水下环境噪声的影响，因此在系统中需要采用合理的编码和调制技术来抑制干扰，提高信噪比。
四、水下光通信系统的定位问题在水下通信中，位置信息非常重要，因此水下光通信系统需要加入定位技术，实现对通信对象的精确定位。
总之，水下光通信技术是未来水下通信领域的研究重点之一，近年来取得了一系列重大的技术进展。
随着相关技术的不断突破和发展，水下光通信技术在未来的水下探测、海洋工程、军事防御等方面均具有广阔的应用前景和实际价值。
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机构
美国 WHOI
英国 Aquatec Group
2005
年份
2007-2012
2009
2014
速率
10-20Mb/s（100m） lMb/s（200m）
深水中 100m~200m
19200baud
纯净水域,单向 1.2Mb/s
大于30m
最高 20Mb/s
最高200m 适用于浅水区域
传输距离
lm
4
优缺点
课题二：水下光通信
水下光通信发展史
20 世纪70 年代起步，到2012 年时，已经可以实现实现100m范围 内，水下光通信速率达到10 ～ 20 Mb /s的能力（美国 WHOI
海洋研究所）
水下激光通信的概念
• 水下无线光通信，是指利用蓝绿波长的光进行的水下无线光通信
3
研究现状
美国麻省理工学 院AquaOptica 英国 Sonardyne BlueComm
• 2、蛙人、潜艇及AUV之间的动态通 信 • 价值：为近距离的高速大数据传输 提供了重要手段
THE END
• 参考文献：
• 1、水下电场通信研究综述 • 2、水下无线通信技术发展研究* • 3、水下无线光通信技术及应用分析 曹发阳 1,2，王伟2，谢广明2，罗文广1 王毅凡1，周密2，宋志慧2 刁博宇、王峰， 李超、肖琳
•优点：
•1.信息承载能力强
• 缺点：
• 1.只能进行短距离传输 • 2.对水质的要求高 • 3.技术不够成熟
•2.数据传输速率快
•3.抗干扰能力强。
•4.能够避免敌方的侦测
•5. 设备重量小 •6.对海水的穿透能力强
应用及其价值
• 1、海底观测传感网数据回收
• 价值：可以长期大面积监测采集数 据