1 中国空间技术研究院 通信与导航卫星总体部，北京 100094
2 中国海洋大学 海洋技术系，山东 青岛 266100
采用蒙特卡洛仿真方法，分析了三种典型天气条件（晴天、层云和卷云）下激光在大气-海气界面-水体中的下行传输特性。结果表明：不同天气条件下经过大气传输到达海面的激光角分布明显不同，晴天时角分布发散很小，层云条件下发散严重，卷云条件下发散明显；晴天与层云条件下到达海面的光斑尺寸接近，而卷云条件下光斑大15%左右。不同天气条件下，激光经过大气、海气界面后角分布表现出不同的特征，晴天时海面使激光角分布发散变大，且随风速的增加发散呈变大的趋势；层云条件下海面使角分布发散变小，且随风速的增加发散呈变小的趋势；卷云条件下激光角分布变化复杂。不同天气条件下，激光经过大气、海气界面、水体后，既有相同特征又有不同之处。当水较浅时，三种天气条件下角分布表现出不同特征，水较深时角分布趋于一致；晴天和层云条件下的光斑尺寸基本不随水深变化，卷云条件下随深度增加明显减小。不同天气条件下光斑中心能量随深度的变化存在一定差异，晴天时平均变化率约为-0.410 dB/m，层云和卷云条件下分别为-0.426 dB/m和-0.413 dB/m。研究结果可为蓝绿激光跨介质通信链路预算、系统设计及参数优化提供参考。
水下通信 信道传输特性 蒙特卡洛 天气影响 激光 Underwater communication Channel transmission characteristics Monte Carlo Weather effects Laser 光子学报
2021, 50(12): 1201003
针对吸收和散射衰减导致光子在水下运动时具有复杂性的问题，基于追踪的水下单光子运动状态，建立了光子时空随机信道模型。针对不同的水质类型、链路距离、接收孔径、发射角和视场角，统计了接收端到达光子的相关信息，研究了基于水下单光子通信系统的光接收强度和信道脉冲响应的影响因素。同时，综合考虑光子发射情况、水下光子运动过程、探测器特性和同步信号提取方法等，采用了一种基于时隙内光子计数的数据解调方案，并对系统性能进行分析。仿真实验结果表明：发射角和接收孔径是影响时延展宽的主要因素；接收孔径越大，系统误码率（BER）越小；而链路距离和发射角越大，系统BER越大；噪声系数越大，系统BER越大，且建模的理论通信距离约为185 m。实验结果很好地描述了水下光子散射特性和脉冲时延展宽特性。
光通信 水下通信 光子时空随机信道模型 蒙特卡罗方法 信道特性 系统误码率 激光与光电子学进展
2021, 58(17): 1706006
1 信息工程大学, 河南省可见光通信重点实验室, 郑州 450000
2 电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室, 成都 611731
针对水下可见光通信(VLC)存在传输距离短的问题, 首先分析了水下VLC技术的发展现状, 然后依据“收发单元阵列化、探测设备光子化、通信节点网络化和业务类型多元化”的基本思路, 提出了未来需要进一步突破的理论瓶颈和关键技术。
水下通信 可见光通信 单光子探测器 水下网络体系架构 underwater communication visible light communication single photon detector underwater network architecture
1 中南大学 信息科学与工程学院, 长沙 410083
2 张家界航空工业职业技术学院, 湖南 张家界 427000
由于水下信道的多径效应、时变效应, 水下无线电通信速率及信噪比均十分低, 在实际的水下通信应用场景, 如水下传感器网络, 需要同时获取多个信号源的码流信号, 提出一种基于CMOS摄像头的水下可见光多输入多输出(MIMO)通信系统。系统采样曼切斯特编码以用于不同距离的信号源的时钟信号恢复, 同时提出了多个信号源识别及光强拟合的方法并研究了在水下环境中波特率对信号波形畸变的影响。实验结果表明: 在尺寸为4 m×3 m×3 m的试验池中, 对LED阵列进行优化布局后, 本系统可实现21 kb/s的水下通信, 可适用于诸如水下传感器网络的短距离、少信息量的数据交换场合。
可见光通信 水下通信 CMOS传感器 MIMO通信 传感器网络 visible light communication underwater communication CMOS sensor multiple input multiple output communication sensor network
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
蓝绿LED通信被认为是解决水下近距离高速无线数据传输的有效手段。然而由于LED发散角较大,造成通信链路的几何损耗增加,制约了水下LED通信距离的提升。针对这一问题,提出了一种基于全内反射(TIR)透镜压缩水下LED通信阵列光源出射角的方法,将LED通信光源的出射角从130°压缩到7°;利用该光源研制发射样机,在大型水池中搭建测试系统,并对发射机的性能进行测试。结果表明,所设计的通信样机在水下传输距离为16.6 m时,最大可支持23 Mbit/s的传输速率;与未采用TIR透镜时相比,在同等速率条件下,传输距离增加9.3 m。这表明基于TIR透镜二次配光的方法,可有效减小发射机出射角,降低链路损耗,增强通信系统的传输能力。这为提升水下LED通信的传输性能提供了新的技术思路。
光通信 无线光通信 水下光通信 蓝绿光通信 全内反射透镜
海军驻武汉地区通信军事代表室, 湖北 武汉 430079
简要阐述水下无线光通信国内外研究现状,指出蓝绿激光通信具有隐蔽性高、速率快、体积小等优势。分析了水下信道无线光的传输特性,对海水中激光衰减的来源进行了描述。根据系统框架,提出水下无线光通信的关键技术研究以及解决方案,分别对高效自适应蓝绿光光源、通信链路方式以及超窄带原子滤波技术进行了研究。对日后水下无线光通信的研究提供了思路。
水下通信 光通信 蓝绿激光 信道传输特性 原子滤光 通信链路 underwater communication optical communication blue-green laser optical characteristics of seawater anomalous dispersion optical filter communication link
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
水下激光通信由于受水体吸收和散射的影响，信号传输过程中能量衰减严重。基于光子计数的激光通信具有极高的探测灵敏度，是抑制信号衰减、提高通信距离的有效方法。传统的光子计数通信是通过检测单光子探测器有无电脉冲输出来实现通信数据还原的，通信误码率容易受到背景光噪声的影响。针对这一问题，提出并研究了一种改进方法，首先在通信接收端利用单光子探测器将光子转换为电脉冲，然后通过统计单位比特时间内的电脉冲数目来还原通信数据。实验结果表明：提出的方法能够在通信波长为532 nm、通信速率为50 kb/s、信噪比为5.14的情况下，实现84.24 bit-1的探测灵敏度。所提出方法能够为高灵敏度水下激光通信提供一种新的技术思路。
光通信 水下通信 无线光通信 光子计数
1 海军工程大学电子工程学院，武汉430033
2 海军装备研究院系统所，北京100161
以美国军用UUV为例，详细介绍了国外UUV的研究现状和发展趋势，指出了国内UUV的研究现状；并重点梳理了UUV的外形和总体布局，在此基础上引出了UUV发展的主要瓶颈--能源和水下通信等问题。
总体布局 水下通信 研究现状 Unmanned Undersea Vehicle (UUV) UUV overall layout underwater communication research status
1 海军工程大学电子工程学院, 武汉 430033
2 海军工程大学兵器工程系, 武汉 430033
空中与水下目标间的通信是世界各国正在研究的一个重要但又未完全解决的问题，探讨了一种将激光通信信道、水声信道相结合的空中至水下平台的激光声通信模式，并研究了激光声通信特点及激光声信号的激发机理，建立了激光声通信实验测量系统，实验研究了激光声信号的强度、波形、频谱等特性。结论：激光一声通信模式可将空中光信道、水中声信道结合起来，具有强大的技术优势；调节激光参数可对通信的激光声信号进行控制。研究结果有助于激光声在海洋中的通信应用。
水下通信 激光声 光击穿 声信号 underwater communication laser-generated sound optical breakdown acoustic signal
