水下激光通信系统实现
PPM水下激光通信同步技术的研究
邮局订阅号：82-946360元/年技术创新电子设计《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注PPM 水下激光通信同步技术的研究Study of Synchronization in PPM Underwater Laser Communication ASIC(桂林电子科技大学)邹家轩敖发良ZOU Jia-xuan AO Fa-liang摘要:水下激光通信由于信道的特殊性,对于调制解调的方式比常规的激光通信有独特地要求。
采用脉冲位置调制解调方式实现的水下激光通信系统兼顾了带宽利用率和功率利用率,有着巨大的应用前景。
考虑以往的脉冲位置调解系统都是板级电路,如何将系统单片集成化已成为一种趋势。
传统的脉冲位置解调系统有的是对频率要求较为苛刻,或者是采用了模拟器件,因此并不适合单片集成化。
针对脉冲位置通信的特点,提出了一种新特别的数字锁相环的解决方式,来实现PPM 信号的时隙同步,避免了传统的数字锁相结构由于调整时钟周期,而带来的逻辑延迟不足的风险。
同时针对激光通信的特点,也提出了一种新的帧同步解决方式。
最后的结果在Xilinx 的ML505上验证通过。
关键词:脉冲位置;同步;激光;全数字锁相环中图分类号:TN929.1文献标识码:BAbstract:Underwater laser communication has special demands in the method about modulated and demodulated on account of its specialty channel.Implementation underwater laser communication system utilized PPM is a compatible is an optimum future.It is a trend to make the whole system in an integrated circuit.The tradition PPM system is not suit for integration on a chip.It raised a new method to synchronization slot by using specify digital phase locked loop.It can reduce the risk of logic delay lack for tradi -tional DPLL change clock period .For laser communications,it provided a special way to synchronization frame .And The whole de -sign is verified in Xilinx ML505.Key words:PPM;Synchronization;Laser;DPLL文章编号:1008-0570(2010)01-2-0159-021引言在水下通信中,经常需要在不便或是不能部署线缆的场合下进行通信。
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。
水下通信简介
水下通信简介浩瀚的“龙宫”虽然神奇，但如何在水下保持与外界的“飞鸿传书”，依旧是一道尚未完全攻破的世界性难题。
除了把低频电磁波、声波和光波作为主要水下信息通信载体外，美国麻省理工学院的研究人员日前推出了一套“平移声学-射频通信”系统，通过综合运用声呐和雷达技术，试图实现潜艇等“深海巨兽”与水面舰艇乃至飞机、卫星之间的高速通信。
长期以来，制约水下作战的重要因素，就是无法建立起水下通信的“信息高速路”。
信息化战争战场态势瞬息万变，战机稍纵即逝，只有建立高效稳定的水下通信系统，才能充分挖掘出水下作战的巨大潜能。
尤其是伴随着军事物联网的快速发展，未来水下作战对潜艇、无人潜航器等战场节点的网络通信提出了新的更高要求，推动着人们对于水下通信技术不断进行研究探索。
探秘“龙宫”——电磁波通信成了“旱鸭子”水下通信一般是指水上实体与潜艇、无人潜航器等水下目标的通信或水下目标之间的通信。
由于海洋环境中各种复杂因素的存在，使得水下通信一直滞后于地面、空中和空间通信的发展，也成为制约信息化战场水下作战战力提升的瓶颈。
说起通信，人们广泛使用的电磁波在水下衰减很快，穿透海水传输数据的能力相对薄弱，是个不折不扣的“旱鸭子”。
譬如，我们把手机用防水袋包裹好放入水中，信号就会大幅度衰减，这就是电磁波在水中传输能力的简单验证。
给航行在大洋深处的潜艇发一封电报，要多久？现有的技术水平大概是30分钟。
目前，世界各国广泛使用的通信方式，主要是甚低频和超低频等长波通信手段。
日本是最早实现甚低频技术实用化的国家，早在1929年就建成了佐佐美通信站。
第二次世界大战期间，德国和英国海军也相继建成了甚低频通信站。
从20世纪50年代开始，伴随着弹道导弹潜艇的诞生，利用超低频率电磁波面向全球传播的超低频通信方案应运而生，为潜艇远洋隐蔽通信立下了汗马功劳。
从1985年起，美国先后多次完成超低频通信试验，各军事强国也加大了对超低频通信系统的研究。
即便是目前相对较为成熟的超低频通信系统，也只能穿透100米深的海水，且系统传输速率慢、造价昂贵，限制了长波通信的进一步发展。
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。
蓝绿激光引信水下目标探测技术研究水下蓝绿激光引信通信技术初探
通信技术初探
目录
01 一、蓝绿激光水下目 标探测技术
03 参探
内容摘要
蓝绿激光引信水下目标探测技术及水下蓝绿激光引信通信技术初探 随着科技的不断发展，激光技术在军事和民用领域中的应用越来越广泛。其 中，蓝绿激光水下目标探测技术以其独特的优点，如高精度、高分辨率、抗干扰 能力强等，在海水水文勘测、水下潜艇探测、水雷探测、鱼群探测、海洋环境污 染监测等诸多军事以及民用领域具有广泛的应用前景。
2、蓝绿激光引信通信的关键技术
3.蓝绿激光引信通信技术的应用前景 水下蓝绿激光引信通信技术在军事和民用领域中具有广泛的应用前景。例如， 在军事方面，可以利用该技术实现水下潜艇之间的通信、水下武器平台之间的通 信等；在民用方面，可以利用该技术实现海洋环境监测数据的传输、海洋资源调 查数据的传输等。
参考内容
三、蓝绿激光水下通信技术的未来发展趋势
2、增强抗干扰能力：在复杂的海洋环境中，信号衰减和干扰问题仍然存在。 未来，可以通过研发更先进的信号调制和解调技术，提高蓝绿激光水下通信的抗 干扰能力。
三、蓝绿激光水下通信技术的未来发展趋势
3、扩大传输距离：目前蓝绿激光水下通信技术的传输距离仍然有限。未来， 通过提高激光器的功率和改进光学系统的性能，可以进一步扩大传输距离，满足 更远距离的通信需求。
三、蓝绿激光水下通信技术的未来发展趋势
4、结合其他技术：蓝绿激光水下通信技术可以与其他先进技术结合使用，如 人工智能、大数据、云计算等，实现智能化、高效化的水下通信。
三、蓝绿激光水下通信技术的未来发展趋势
5、推广应用：随着技术的不断成熟和完善，蓝绿激光水下通信技术将逐渐推 广应用到更多领域，如海洋生态监测、海洋救援、海底考古等。