水下光通信

水下光通信 目录 水下光通信.......................................................... 1 前言:.............................................................. 1关键词:............................................................ 1 Abstract............................................................ 1 Key Words :........................................................ 1 1.研究水下光通信的重要性............................................ 2 2(水下光通信的分类................................................. 2 2.1水下光纤通信................................................. 3 2.1.1水下光纤——海缆 ....................................... 3 2.1.2海底光缆的构造: ....................................... 3 2.2水下激光通信................................................. 5 2.2.1水下激光通信的发展背景 ................................. 5 2.2.2水下激光通信的组成. .................................... 6 2.2.3水下激光通信的优势 ..................................... 7 2.2.4水下激光通信存在的问题 ................................. 8 参考文献:......................................................... 10 华中师范大学物理科学与技术学院 水下光通信 前言:本文研究了水下光通信的两种方式，即水下光纤通信和水下激光通信。 相对于其它方式的通信技术而言，水下光纤通信具有很多优势，本文对其进行了 简要的介绍。而水下激光通信则更是近些年来各国科学家热衷的方向，因为水下 激光通信具有激光通信的容量大，保密性好，传输速度快等优点，但是又由于其 在水下传输时受到了水下诸多条件的影响，水下激光通信现在还只是在试验阶 段，并未走出实验室而进行实际应用，因此本文对水下激光通信进行了较为详细 的讨论。 关键词:光通信 激光 光纤 :AbstractI discussed two methods of underwater optical communications, namely, underwater fiber-optic communications and underwater laser communications. Relative to other means of communication methods, the underwater fiber-optic communication has many advantages, so I discussed it briefly. In recent years, scientists from various countries is even more enthusiastic about the underwater laser communication, because the underwater laser communications have the capacity of laser communication, confidentiality, transmission speed, etc., but because it is under water, it is affected by many factors, so underwater laser communication is still only in the experimental stage, not out of the laboratory and in practical applications, this article on the underwater laser communications a more detailed discussion. Key Words :optical communication laser optical fiber optical beam 1 华中师范大学物理科学与技术学院 1.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，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。 2(水下光通信的分类 在本文中我们将 依据传输的介质不同或者说是否是固定端点间的信息传送而将水下光通信分为水下光纤通信和水下激光通信，并分别展开对其进行讨论。 2 华中师范大学物理科学与技术学院 2.1水下光纤通信 2.1.1水下光纤——海缆 海底光缆:Submarine Optical Fiber Cable。敷设在海底的通信光缆，称海底光缆。又称海底通讯电缆，是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底，用以设立国家之间的电信传输。最初海底通讯电缆提供电报通讯。后来的电缆则最次引入电话通讯，以及电脑网络通讯。现代的电缆还用上光纤技术去传递数位讯息，并且设立更先进的电话通讯 互联网 与私人数据通讯。 海底光缆是用绝缘外皮包裹的导线束铺设在海底，分海底通信光缆和海底光力光缆。前者主要用于通讯业务，后者主要用于水下传输大功率光能。与人造卫星相比，海底光缆有很多优势:海水可防止外界光磁波的干扰，所以海缆的信噪比较低;海底光缆通信中感受不到时间延迟;海底光缆的设计寿命为持续工作25年，而人造卫星一般在10到15年内就会燃料用尽[1]。 因此相对于卫星通信，海缆通信具有价格低，通信速度快等优点。 但是由于海缆是埋在海底，所以海缆 往往容易遭到捕鱼的拖网渔船，船锚破坏，甚至鲨鱼咬断。而且有时也被敌军部队在战时破坏。再加上海水具有腐蚀性，且海缆一般埋在深海处，受到的压强较大所以海底光缆也有其铺设维修困难等不利因素。 2.1.2海底光缆的构造: 3 华中师范大学物理科学与技术学院 海缆的实物图: 海缆的模型图: 铺设在海底的海缆: 4 华中师范大学物理科学与技术学院 海底光缆的结构解析见下图。 深海光缆的结构比较复杂:光纤设在U形槽塑料骨架中，槽内填满油膏或弹性塑料体形成纤芯。纤芯周围用高强度的钢丝绕包，在绕包过程中要把所有缝隙都用防水材料填满，再在钢丝周围绕包一层铜带并焊接搭缝，使钢丝和铜管形成一个抗压和抗拉的联合体。在钢 [2]丝和铜管的外面还要再加一层聚乙烯护套。这样严密多层的结构是为了保护光纤、防止断裂以及防止海水的侵入。在有鲨鱼出没的地区，在海缆外面还要再加一层聚乙烯护套。 典型海底光缆的结 构解析 1 聚乙烯层 2 聚酯树酯或沥青层 3 钢绞线层 4 铝制防水层 5 聚碳酸酯层 6 铜管或铝管 7 石蜡，烷烃层 8 光纤束 2.2水下激光通信 2.2.1水下激光通信的发展背景 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 5 华中师范大学物理科学与技术学院 目前，水下无线通信广泛使用的是声学通信技术，水声通信技术具有通信距离远、通信可靠性高等优点，声学通信技术在浅海和深海的水下无线通信领域中得到了广泛的应用。但是，水下声学通信也有诸多的局限性。 [3]水生通信的局限性: (1)水声信道传输延时长、传输速率低。水中声波的传播速度约为1500m/s, 比 光速低了太多，其数据传输速率随着距离增大而降低。 (2)可用带宽有限。水下声学通信中的传输带宽是时变的，一般水下链路 的容量比陆地上的无线链路的容量低很多，如果再考虑多址接入、信道衰落、噪 声和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要 低许多。 (3)功耗高、体积大。由于其波长相对较长，所以其耗能大，对于水下来说其能源补给很是困难。 (4)通信质量易受环境影响。水下声信号的传输质量与水温、盐度、压力 等环境因素的变化密切相关，在恶劣海洋环境下极易导致通信的失败。 (5)安全性差等。水下声信号容易被监听，在军事战争和一些重要机密信息传输中会带来严重的后果。 2.2.2水下激光通信的组成. 水下激光通信主要由三大部分组成:发射系统、水下信道和接收系统。水下无线光学通信的机理是将待传送的信息经过编码器编码后，加载到调制器上转变成随着信号变化的电流来驱动光源，即将电信号转变成光信号，然后 [4]通过透镜将光束以平行光束的形式在信道中传输;接收端由透镜将传输过来的平行光束以点光源的形式聚集到光检测器上，由光检测器件将光信号转变成电信号，然后进行信号调理，最后由解码器解调出原来的信息。 6 华中师范大学物理科学与技术学院 水下激光通信系统的组成: 其中系统的水下通信信道部分可以用图3-2表示，其中部分光线受水体中的颗粒影响发生散射和吸收，导致光传输功率的损失。大的接收孔径尺寸可以有效地增加所接收的光功率，但是接收孔径尺寸也不能无限的加大。 2.2.3水下激光通信的优势 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、传输的时延大等缺陷。因为， (1)是由于光波频率高，其信息承载能力强，可以组建大容量无线通信链路。(2)是光波在水介质的传输速率可达千兆，使得水下大信息容量数据的快速传输成为可能; (3)是光学通信具有抗电磁干扰能力强，不受海水温度和盐度影响等特点; (4)是波束具有较好的方向性，如想拦截，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，造成通信链路中断，用户会及时发现通信链路中断事故。 (5)是随着半导体光源关键技术不断突破，体积小，价格低、效率高的可见 7 华中师范大学物理科学与技术学院 光谱光电器件充足。并且由于光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少重量。 2.2.4水下激光通信存在的问题 海水是一个复杂的物理、化学、生物组合系统，它含有溶解物质、悬浮体和很多各种各样的活性有机体。由于海水中的物质和悬浮体的不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸收和散射作用而产生衰减。光波的水下传输特性是制约水下光学无线通信质量的重要因素之一，它对整个水下光学无线通信系统设计的确定产生着重要影响。由于不同的海域、不同的水深、不同季节的海水衰减特性各有不同，但是一套高效可行的海水信道分析是实现水下光学通信链路的关键技术尚有待建立。 海水的光学特性与它的组分有关，可简要地分为三个方面，水介质，溶解物质和悬浮物。溶解物质和悬浮体的成分种类繁多，主要包括无机盐，溶解的有机化合物，活性海洋浮游动植物，细菌，碎屑和矿物质颗粒等，光束在海水中的传输远比在大气中的传输所受影响复杂得多，很难用单一的数学模型对各种海域的水质影响进行模拟。 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。多次散射效应是随着粒子的浓度和辐照体积的大小而变化的，由于多次散射的复杂性，很难通过分析方法得到扩散与水质及水下深度间精确的数学关系式，并且受到实验条件和实验经费的限制，不可能 8 华中师范大学物理科学与技术学院 对每一种水质、每一个水下深度都进行实验，而且有些特性还很难甚至无法用实验的方法测量。 以上问题最直接后果就是激光通信误码率较高误码率达到一定程度时会导致通信失败。 为了保证通信成功，通常采用两个方法来解决这个问题，一是增加信噪比，即增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的调制和解调方法、加强天线的方向性等措施;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。 9 华中师范大学物理科学与技术学院 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]隋美红.水下光学无线通信系统的关键技术研究:中国海洋大学硕士论文. 青岛:中国海洋大学，2009 [4]钟晓春，韩佳佳，大气激光通信中几种调制方式的性能比较，西安交通大 学学报，2007年10月，第42卷，第5期 10