海洋论坛▏蓝绿激光水下通信技术综述

水下通信，主要依赖手段是低频声波，受水声信道的随机变换性制约，水声通信延迟较大，在浅水区域存在复杂的时变和空变特征，带宽很难超过50kHz，利用多载波调制技术，能达到1～20kbit/s，然而多数情况下通信速率在1kbit/s附近。难以满足包括潜水员、AUV(Autonomous Underwater V ehicle)等水下活动单位间的信息交换，以及水下监测节点、传感网络与水面及陆上中转平台的数据交换需求。1963年，美国S.A.Sullivan和S.Q.Duntley等人发现海水在0.45～0.55pm的蓝绿波段存在低损耗窗口。随着激光技术的发展，利用蓝绿激光能够穿透水下约300m的深度，通信速率可达100Mbit/s量级，证明了该技术在水下通信、传感、探测、导航与控制等领域发展的广阔空间，各国均在跟进研究，促进了蓝绿激光水下通信技术的发展。由于美国海军和美国空军的技术需求和战略技术储备需要，截至20世纪90年代中期，美国几乎完成了蓝绿激光水下通信技术的所有关键性实验。其中，包括在各种气象和海洋条件下，空-地、星-地，以及极地的长距离、复杂信道通信链路对潜通信的可行性和系统性试验验证；俄罗斯（苏联）、欧洲和日本，也先后独立或同美国联合研制机载及星载激光通信系统。我国参与研究此项技术的大学和研究所非常多，但是受硬件和技术方面的制约，研究进展相对缓慢。资料显示，目前只是完成了150m深的水下通信可行性研究，更多的研究还只是处于仿真模拟和实验室的水箱（水槽）实验验证阶段。由于基于蓝绿激光技术的新一代水下通信技术的学科技术涵盖面较广，其必然采用多领域、多学科交叉协作联合研究。

一、国内外发展状况

蓝绿激光水下通信技术，涉及髙稳频激光器及其调制、光电探测器及解调、编/解码芯片及算法、低功耗电源及电路设计、耐压容器制造等多方面的技术集合体。目前，美国、欧洲、日本和俄罗斯等国家和地区的研究处于领先地位。20世纪70年代至80年代中期，美国完成了水下蓝绿激光通信的技术方案和主要技术要求的设计，并随后完成了原理验证性实验，证实了蓝绿激光在浑浊海水等恶劣条件下，能够正常进行通信。主要研究机构包括美国国防高级研究计划局DARPA(Defense Advanced Research Projects A gency，前身美国国防部远景研究规划局，Advanced Research Project Agency,ARPA)、美国海军、美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)、诺思罗普（Northrop)研究和技术中心、俄亥俄大学（OHIO UNIVERSITY)、伊利诺伊大学（University of Illinois)、麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Latoratory)等机构。20世纪80年代中期至90年代，研究的重点集中在“海水信道”的物理模型、信号的调制/解调、光学滤波和编/解码技术等方面。期间，进行了3次试验，分别完成了空-地、星-地，以及极地的长距离、复杂信道通信链路的试验验证。第一次，1981年，圣地亚哥海域，潜深300m潜艇同12000m高空飞机间的通信实验，验证了空-地长距离通信链路可行；第二次，1985年，加利福尼亚圣地亚哥海域附近，潜深250m，航速30nmile/h节潜艇同卫星间的通信实验，验证了星-地长距离通信链路可行；第三次，1986年的飞机同冰层下潜艇的通信实验，将蓝绿激光通信领域扩展到极地。1983年，苏联黑海舰队基地塞瓦斯托波尔附近，利用空间轨道反射镜，成功实现基地同水下导弹潜艇的通信试验；此外，英国、德国、加拿大、瑞典、澳大利亚、法国、荷兰等国也在跟进研究。20世纪60年代开始，我国的科研机构跟踪国际发展，已经开始进行激光通信技术研究，中科院所属的成都光电研究所、西安光机所、上海光机所、安徽光机所、中国电子科技集团所属研究所、武汉船舶通信研究所，桂林电子科技大学、成都电子科技大学、华中科技大学（华中理工大学）、北京大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、南京理工大学、国防科技大学等单位对激光传输及通信进行了大量研究。1988年，开始蓝绿激光对潜通信的技术论证，以及蓝绿激光海水信道等方面的研究工作；1990年，开始机载SLC系统单独立项研究；1999年，华中科技大学（华中理工大学）在南海某海域进行的机载蓝绿激光对潜通信实验，证实水下150m深度进行通信的可行性；2000年，桂林电子科技大学在海南三亚的目标海域成功实现水下50m深的通信实验；2011年8月，我国第一颗海洋动力环境监测卫星“海洋二号”成功发射，并首次进行激光通信链路星地试验。

二、关键技术

⒈ 水下激光通信系统构成水下激光通信系统由信号发射、水下信道和信号接收三大子系统构成。其中，信号发射子系统包括：光学发射镜头、激光器、编码和调制、信源、电源和水密结构外壳构成；同理，信号接收子系统包括：光学接收镜头、光电探测器、解调和纠错、信号输出、电源和水密结构外壳构成；水下信道是光信息传输的通道。整个通信链路如图1所示。

图1 水下激光通信系统构成示意图由图1可知，实现一个完整的水下通信链路，必须要基于激光通信的“硬件”和“调制/解调”技术，以及水下信道特性等三大方面的技术要素构成。其中，硬件技术包括：髙稳频激光器、光电探测器、低功耗电源、调制/解调电路、编/解码电路、光学镜头、耐压水密舱技术等；调制/解调技术包括：调制/解调、编/解码；水下信道的光信息传输物理模型等。⒉ 硬件技术蓝绿光高稳频激光器及其调制技术，是保证水下激光通信实现的基础。在光通信设备中，最常用的光电检测器件是PIN光电二极管或雪崩光电二极管（APD)，为有效提升增强光接收端的信噪比，采用多个探测单元的空间分集接收，对阵列信号加权迭加，能够提高输出信号的信噪比；在接收端，通过适当增大光学镜头的有效口径，保证足够的光通信信号的输人强度；在光链路上进行抗干扰带通处理，在接收系统前端加遮光罩遮蔽非定域散射的干扰，对耐压玻壳进行耐压与光学窄带通化复合处理,进一步抑制噪声和背景杂散光，提高信噪比。此外，水下耐压结构设计和研究是关键技术之一，是保证通信收发系统顺利工作的必要条件。针对微型及小型水下耐压容器设计，国内研究较少，主要技术均被欧美日等发达国家掌握，水下激光通信系统的耐压结构小型化，有利于多平台移植。⒊ 调制/解调技术数字通信的基本调制/解调方式包括：幅移键控（Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency-Shift Keying,FSK)和相移键控（Phase-Shift Keying,PSK)。无线光通信的信号调制技术,主要以脉冲位置和脉冲编码调制技术为主，包括OOK、PPM、MPPM、DPPM、DPIM等几种方式；MPSK、APSK和QAM均为高效频谱调制技术，QPSK及其延伸技术的频谱效率也很高。使用数字频率合成器DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)，将载波生成和调制电路合二为一，能够对频率、相位、振幅分别进行精确的数字信号控制，实现OOK、FSK和PSK三种基本调制方式，其特点是系统结构简单、稳定，易于实现；时频调制技术（Time-Frequency Shift Keying，TFSK)也是广泛被采用的抗衰落和抗多径技术之一。利用正交码的强抗干扰能力，以及准正交码中选取有效克服频率选择性衰落，能够兼顾信号传输速率和通信质量，相比传统通信方式，时频调制技术误码率能低一两个数量级，适用于成分复杂、衰落比较严重的海水环境；海况特别恶劣的环境下，运用分集接收技术；迈克尔逊干涉调制也能有效提高信噪比。光通信常用的几种主要调制/解调技术，如表1所示。表1 光通信常用的几种主要调制/解调技术

综合考虑，目前PPM调制是相对比较适合的水下光通信系统调制方式。⒋ 几种编/解码技术采用PPM调制方法，纠错码常采用分组码、卷积码、级联分组码与级联卷积码。1962年，Gallager在其博士论文中首次提出LDPC(Low-Density Parity-Check Codes)码，这是一种正则低密度校验码（regular low density parity code),是一类特殊的线性分组码，其编码技术十分复杂，编译码运算量大；Gallager同时给出了称为比特翻转算法的一种LDPC码译码算法，译码过程只需要进行逻辑运算，通过阈值的自适应设置，减少运算量，降低译码复杂度；后来，Mackay等人进一步证明LDPC码具有逼近香农限的能力。LDPC码的主要问题是编码复杂度较高和编码延时较长。常规LDPC码算法原理上与一般线性分组码编码算法相似，需要先求生成矩阵，而生成矩阵一般不是稀疏矩阵，复杂度与码长平方成正比，编码时需要非常大的存储资源。针对这一问题，T.J.Richardson和R.L.Urbanke提出了Efficient方法，将编码复杂度控制在码长的线性关系内，初步解决了LDPC码面临的主要问题。规则LDPC码的结构简单，硬件实现容易；经证实，结构设计合理的非规则LDPC码，译码性能超过规则LDPC码，优化后性能能够Turbo码，缺点是利用超大规模集成电路较难实现；解决方法是建立有循环特性的校验矩阵，易于超大规模集成电路的髙效编解码实现。LDPC码的译码分为硬判决和软判决译码方式。硬判决译码运算过程简单，较为实用；软判决译码，能够使LDPC码性能逼近香农限。激光通信信号在水下信道通过，悬浮粒子和水分子对激光产生的散射和吸收作用，以及长程衍射效应，使激光信号传输时会发生畸变以及信号脉冲的展宽，造成系统误码率升高及信噪比降低。LDPC码与传统的RS码、Turbo码相比是距香农限最近的纠错码；译码算法复杂度低，硬件实现简单，具有高速编译码能力。⒌ 水下信道的光衍射特性激光通信信号在水下信道的传输特征非常复杂。海水的瑞利散射、悬浮颗粒的米氏散射，温度、盐度起伏以及水的扰动产生的湍流引起折射率随机起伏，造成激光束波前相位和强度的随机起伏变化。实际系统中还要再考虑叠加上长程衍射效应，比大气中的光传播，水中光束发生展宽、抖动、漂移、闪烁等非稳定现象要严重和复杂很多；水下信道的多途效应，窄脉冲信号由于各信道的时延和衰减系数不同，以及频率的选择性衰落，使整个信号合成后产生波形失真，会严重加剧码间串扰。粗略地估计，在海水中传输1m受到的累积影响，相当于光在空气中传输1000m的等效距离。总之，激光脉冲在海水信道中的传输环境十分复杂恶劣，涉及的各种环境参数，在时间及空间上均具有很大的随机性，很难利用实验方法建立一整套完整的，针对所有传输媒介特征的修正模型。根据光的粒子特性，参考蒙特卡洛法把研究光的传输问题转化为研究光子的传输问题，可以近似模拟多散射介质中的光传输过程，蒙特卡洛法同已有的实验数据吻合较好。在近距离传输范围内，其分析准确度髙于小角度近似法；而随着光传输距离继续增加，准确度高于唯像方程法。

三、存在的问题以及技术拓展的趋势

水下蓝绿激光通信技术涵盖了光学工程、通信工程、海洋工程等众多技术领域，需要多学科、多专业技术的有效融合。其中，制约水下蓝绿光激光通信技术发展的主要问题包括：①水下光信道的准确物理模型和数学模型，从根本上，制约了调制/解调和编/解码技术的发展。目前，对于水下光信道的研究比较依赖于蒙特卡洛方法，也取得了一定的成果；但是，建立较为理想的水下光信道模型还有差距。在“波传输介质”的研究领域，横向可以借鉴水声学领域的信道模型研究成果。毕竟都是波传输介质的问题研究，与此相关的理论和实验研究，值得学习和借鉴；②在调制/解调技术和编/解码技术方面，则要更多地借鉴星地激光通信研究中的一些技术手段和方法，随时把最新技术引入水下光通信领域，加以结合改进、消化吸收；在此，借鉴水声学领域的调制/解调技术和编/解码技术，仍然具有必要性；同时，继续以简化参量的“黑箱模型”替代尚不完善的“水下光信道的具体物理模型”，结合实验进一步研究和完善调制/解调技术和编/解码技术；③在信号分析方面，可以尝试将二维图像处理领域的相关理论，进一步向一维方向推进，学习并借鉴如“压缩感知”、“极点对称模态分解方法”（Extreme-Point Symmetric Mode Decomposition,ESMD)等比较新的数据处理方法和思路；④发展微型及小型耐压水密舱技术，有利于蓝绿激光水下通信组件的多平台移植；蓝绿激光水下通信技术实现是硬件、软件和接口等多个分系统的技术集成，任何部分的薄弱，都将制约整个系统的整体性能。综上所述，目前，面临的问题和研究方向，可以集中概括为继续深人开展水下光传输的偏振特性研究，参考空间及水下量子光通信技术研究成果，建立水下光信道的准确物理模型和数学模型，有利于调制/解调及编/解码技术发展；发展光学合成孔径天线技术、光纤结构的迈克尔逊干涉，或者马赫泽德干涉结构的相位调制技术，进一步提高信噪比；借鉴同样是以波传输理论为基础的水声学领域信道模型、调制/解调技术、编/解码技术、信号分析技术和耐压水密舱技术的研究成果；借鉴“蛟龙号”水密舱技术研究成果，发展微型及小型耐压水密舱技术及工艺完善，达到蓝绿激光水下通信组件的多平台移植目的，拓展应用空间。同时，期待以“波传输理论为基础”的光学、声学及电磁学等领域的新理论、新方法和新试验的突破。

■文/李宏升 岳军 金久才 陈冰泉 邓剑平 高洪秀 刘尊年 孙志坚，本文来自《遥测遥控》第36卷第5期，参考文献略，用于学习与交流，版权归作者所有。李宏升，1974年生，青岛理工大学，理学博士，主要研究方向为光学信息处理、海洋光学、超光谱成像、水声工程等，青岛市政府采购评审专家。

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