水下光通信-综述
水下通信原理
水下通信原理一、水下通信的概述水下通信是指在水下环境中进行信息传递的技术和方法。
由于水的高密度和复杂的传播环境，水下通信具有一些特殊的挑战和限制。
本文将深入探讨水下通信的原理和相关技术。
二、水下通信的挑战水下通信面临以下挑战： 1. 信号衰减：水下环境中，信号会因为水的吸收、散射和多径效应而衰减，导致通信距离受限。
2. 多径传播：水下环境中，信号会经历多次反射、折射和散射，导致信号多径传播，造成信号失真和干扰。
3. 噪声干扰：水下环境中，存在来自水流、生物声、船舶等的噪声干扰，影响通信质量。
4. 带宽限制：水下通信的带宽受限，无线电频谱资源有限，需要合理利用。
三、水下通信的原理水下通信可以采用以下原理： ### 1. 声波传播声波是水下通信中最常用的传播介质。
声波的频率范围广泛，可以传播较远的距离。
水下声波通信主要分为两种模式：自由空间传播和声线传播。
#### 1.1 自由空间传播自由空间传播是指声波在水下自由传播，没有接收器或发射器的物体。
这种传播方式通常用于声纳和水下定位等应用。
#### 1.2 声线传播声线传播是指利用水下声源和接收器进行通信。
声线通信可以使用单一频率或多频率技术，通过调制解调技术实现信息传递。
2. 光波传播光波传播是指利用光波在水下传播信息。
光波传播具有高速、大带宽和抗干扰能力强的特点，但受到水的吸收和散射的影响较大。
光波通信可以采用激光通信和LED通信等技术。
3. 电磁波传播电磁波传播是指利用电磁波在水下传播信息。
电磁波通信可以采用无线电频段的电磁波，但由于水的吸收和散射，电磁波在水下的传播距离较短。
四、水下通信技术为了克服水下通信的挑战，人们发展了一系列水下通信技术： ### 1. 调制解调技术调制解调技术是将信息信号转换为适合传输的信号，并在接收端将其恢复为原始信号。
常用的调制解调技术包括频移键控（FSK）、相移键控（PSK）和正交频分复用（OFDM）等。
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。
水下通信原理
水下通信原理水下通信是指在水下环境中进行信息传输的技术。
它在海洋、湖泊、河流等水域中有着广泛的应用，如海底油气勘探、海底电缆维护、水下探测等领域。
水下通信的原理主要包括声波传播、电磁波传播和光学传播。
声波传播是水下通信最常用的方式。
声波在水中传播的速度比在空气中慢得多，但是声波在水中的传播距离比在空气中远得多。
声波在水中的传播速度与水的温度、盐度、压力等因素有关。
水下通信中，通常使用的声波频率为几千赫兹到几百千赫兹之间，这个频率范围的声波在水中传播的距离较远，而且不容易被水中的杂音干扰。
电磁波传播是另一种水下通信的方式。
电磁波在水中的传播速度比声波快得多，但是电磁波在水中的传播距离比声波短得多。
电磁波在水中的传播距离受到水的电导率、电磁波频率等因素的影响。
水下通信中，通常使用的电磁波频率为几百千赫兹到几千兆赫之间，这个频率范围的电磁波在水中传播的距离较短，但是传输速度较快。
光学传播是一种新兴的水下通信方式。
光学传播在水中的传播速度比声波和电磁波都快，但是光学传播在水中的传播距离比电磁波短得多。
光学传播在水中的传播距离受到水的透明度、光源强度等因素的影响。
水下通信中，通常使用的光学传播方式是通过激光器将信息编码成光脉冲，然后通过光纤将光脉冲传输到接收端。
水下通信的应用范围广泛，但是在实际应用中还存在一些问题。
例如，水下通信的传输距离受到水的深度、水的浊度、水中的杂音等因素的影响，这些因素会影响水下通信的传输质量。
此外，水下通信的设备成本较高，维护和修理也比较困难。
因此，水下通信技术的发展还需要进一步的研究和改进。
总之，水下通信是一种重要的技术，它在海洋、湖泊、河流等水域中有着广泛的应用。
水下通信的原理主要包括声波传播、电磁波传播和光学传播。
不同的传播方式有着各自的优缺点，应根据实际情况选择合适的传播方式。
水下通信技术的发展还需要进一步的研究和改进，以满足不断增长的需求。
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。
水下光通信技术的研究与展望
水下光通信技术的研究与展望随着通信技术的快速发展，第五代移动通信(5G)的商业模式大规模普及的同时也使为数不多的频谱带宽几乎消耗殆尽，6G技术的发展势必要寻求新的频谱途径。
5G信号因其自身技术的限制和频谱的不足难以满足空天海地一体化的新型全场景覆盖通信网络的需要，6G技术为了弥补这些不足，实现一体化的新型通信网络需要寻找新的无线通信方式来补充传统单一的无线通信模式。
可见光通信相较于现有的通信技术，其最大的优点是频谱无需授权，有着极大的使用自由度。
可见光通信拥有高频段的频谱(400-800THz),适用于高速通信技术，且其安全性和保密性有着独特的优势。
可见光通信没有传统电磁通信所带来的电磁污染和射频辐射，也不会受到电磁干扰。
这些优势使得可见光通信技术成为了近年来各国争相研究的对象。
本文将首先介绍光通信技术的发展，着重介绍水下可见光通信技术的发展以及可见光通信的应用场景与所面对的挑战。
然后基于现阶段的研究提出一种成熟的水下可见光通信系统。
一、传统水下通信方式简析随着人类通信技术的发展，距离空天海地一体化的全方位通信目标的实现也越来越近，但水下通信依旧是现在难以解决的难题。
在现有的通信网络中，应用于海洋、水下场景的智能装备主要使用射频信号、声波等无线技术，或使用有线网络进行通信。
团水下有线通信水下有线通信多用于2个大规模水上平台与平台之间，通过铺设水下光缆的方式进行通信，如连接各国的大规模水下光缆网络。
有线通信可以保证高速的数据传输，每秒可以传IOOGbit以上，但水下光缆本身的安全性很难得到很好的保障且被损坏后很难修补。
水下有线通信笨重，成本高，无法满足未来6G时代水下通信的需求。
团水下射频信号通信海水对射频信号有非常强的屏蔽作用，射频信号穿透海水的能力与频率直接相关，只有低频率的射频信号如甚低频(3~30kHz)才能在海水中进行有限的传播。
潜艇等水下设备通常使用超低频和甚低频进行有限的通信，通信速率只有300b∕s左右。
烧脑的“水下通信”
烧脑的“水下通信”水下通信是指在水中传递信息的技术和系统。
它是海洋科学、水下勘探、水下工程等领域的重要组成部分，也是实现水下数据交换和通信的关键技术。
水下通信的难度在于水的介质导致信号传输衰减、多径干扰等问题。
水的介质导致电磁波的传播速度变慢，信号传输的距离会受到限制。
水的介质会吸收和散射传输的信号，导致信号质量下降。
水中存在多个路径，信号会经过不同路径到达接收器，引起多径干扰，干扰信号的接收。
为了克服水下通信的难题，科学家们提出了许多解决方案。
一种常见的方法是利用声波进行通信，即声纳通信。
声纳通信利用水的传播特性，将信号转化为声波，并通过声纳设备进行发送和接收。
声纳通信可以在水下长距离传输信息，但传输速度较低。
另一种方法是利用光波进行通信，即光纤通信。
光纤通信是利用光纤的高带宽和低损耗传输特性，将信号转化为光波进行传输。
光纤通信有较高的传输速度和较低的损耗，但需要布设光纤线路，施工成本高，适用范围有限。
近年来，研究者们还提出了水声光纤通信技术。
水声光纤通信是一种将声纳通信和光纤通信相结合的新技术，通过在光纤中引入声波的方式进行通信。
水声光纤通信综合了两种通信技术的优点，具有较高的传输速度和较低的信号衰减，可以实现长距离、高质量的水下通信。
水下声学网络是一种将多个水下设备互联，实现水下通信的技术。
水下声学网络通过声波在水中传播信息，将水下设备连接起来，形成一个网络，用于进行数据交换和通信。
水下声学网络应用于水下测绘、水下遥感等领域，可以提高水下工作效率，减少人力和物力的投入。
水下通信是一项具有挑战性的技术，但随着科技的进步和创新的发展，越来越多的研究者投入到水下通信领域的研究中。
未来，人们有望开发出更先进、更高效的水下通信技术，推动海洋科学和水下工程等领域的发展。
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。
用于水下传感器网络的无线光通信研究概况
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可对海底 的环 境参数 （ 如海 洋微 生物 、微 弱地震、地壳变形
等 ）进 行 长 期 观 察 ， 从 而研 究 整 个海 洋 从 海 底 到 海 面 的 环 境 变 化 ， 帮助 人 们更 好 地 保 护 海 洋 。 ２０ ０ ５年 ，澳 大 利 亚 国 防 部 资 助 的 研 究 项 目 采 用 可 见 光 Ｊ Ｌ Ｄ 实现 了 ２ 内 ５ｋ ｐ 的 无 误 码 数 据 通 信 。 Ｗｏ ｄ ｌ Ｅ ｍ ７ｂ ｓ 和 ｏｓ ｅ Ｈｏ
２０ ０ ５年 ， 省 理 工 大 学 的 Ｉｌ ａｉ ｓｕ ｅｇ等 人 【将 水 麻 ｕｉ Ｖ ｓｅｃ ｄｎ ｕ ｌ ］ 下 可 见 光 通 信 应 用 于 水 下传 感 器 网 络 ， 利 用 水 下 光 链 接 实 现 Ａ ＵＶ 对 水 下 传 感 器 的 识 别 、 位 以及 数 据 获取 ，通 信 速 率 达 定 到 ５２ｂｓ １ｋ ｐ 。该 研 究 小 组 在 ２ ０ 研 制 出两 套 小 型 、轻 便 、 ０９年 廉 价 、 易 于 操 作 的 实 验 样 机 （ ７ ，分 别 用 于 短 距 离通 信 图 ） （～ ｍ）和较 长距 离 （ 几 米 ）通 信 ，通 信 速 率 都 能 达 到 约 １５ 十
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这 样 的 小 型 设 备 ， 用 声 纳 进 行 通 信 似 乎 显 得 太 笨 重 ，而 且 加 重 了 能 耗 。其 它 大 部 分传 统 的 空 中无 线 通 信 技 术
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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LuxeonⅢLED 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，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，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
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。