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目前水聲技術是應用范圍最為廣泛且時間也是最長的水下無線通信技術。但是隨著發展的需求不斷地提高，水聲通信的短板也逐漸被揭示出來。如傳播延遲長、信號衰減大、多徑效應嚴重、通信帶寬有限等一些特性導致水聲通信在水下通信網絡設計面臨巨大挑戰。在水下激光通信具帶寬受環境影響小、可用載波頻率高、傳輸時延小等特點，其具有水聲通信所沒有的優勢。水下激光通信采用450-570nm的藍綠光束，通過海水時不僅穿透能力強，而且方向性好。水下激光通信傳輸速率高、實時性強，可以通過無線傳輸設備實時且高速傳輸給附近的移動接收設備。水下激光通信擁有比水聲通信更長的頻帶寬度、更大的通信容量，十分適合大數據傳輸，是未來水下通信的趨向。因此水下激光通信是將來水下無線通信主要發展方向。
1國內外發展
自1980年，美國進行了多次海上大型藍綠激光對潛通信試驗，實驗結果證明藍綠激光能在極端天氣及海水污濁等惡劣環境下可以進行常規通信。澳大利亞2005年開始研發體積小成本低結構簡單的藍綠光學通信裝置。選用LuxeonⅢLED460納米的藍光、490納米的青光、520納米的綠光，接收機方面選用了SLD-70BG2A光電二極管，到2010年，在速度和穩定性兼顧的前提下，系統速率達57.6kbit/s。美國伍茲霍爾海洋研究所2009年研發利用鍵控調制技術（OOK）在低功耗的藍綠光發光二極管（LED）的深海光學水下通信試樣機器，最高可實現10Mbit/s的通信傳輸速率。但是該技術主要針對深海領域的水下通信，并沒有考慮水下光學通信中環境對光學信號和信道的散射影響。我國研究起步較晚，但也取得了幾項重要成果。中國海洋大學1998年和2009年采用半導體激光器在3m和1.8m的水箱中進行了不同水質不同頻率的光傳輸實驗，其傳輸數據率為9.6kbit/s。并對水下無線光通信系統的調制技術和差錯控制技術進行了分析研究。中國科學院沈陽自動化研究所研制了全向光通信模塊，采用IrDA協議。最高測試傳輸速率達到57.6kbit/s。零誤差通信距離為2m。廈門大學光電子工程技術研究中心將自行設計的Nd：YAG聲光調Q大功率532nm激光器運用于水下無線光通信系統的研究。理論傳輸速率可達100kbit/s。并于2010年研發了基于AMBE-1000和STC89C52的水下無線光通信發射系統。
2水下激光通信實驗研究方法
海洋生態系統是由一個復雜的物理、化學、生物環境組成的，同時存在太多的可溶性物質、懸浮體和有活性的生物體，會使得光束在水中傳播被吸收作用和散射作用下而引起衰減，進而造成激光通信誤碼率提高。通過實驗仿真研究分析海水信道散射效應是水下激光通信研究的關鍵方法。蒙特卡洛仿真模擬是一種基于物理、化學、工程以及環境動力學通過隨機抽樣和統計試驗計算事件發生頻率和模擬實驗結果的數學概率統計模擬方法。在研究水下激光信道的信道特性中，由于海水中的鹽度、溫度和海水動力等因素與淡水不一樣，因此，在蒙特卡洛仿真分析海水對信道的影響和建立的水下信道模型是主要的研究方法。蒙特卡洛仿真實驗流程如圖1所示，假設光線是由光子包和光子的集合，實驗第一步要先對高斯分布的激光光斑進行采樣生成光子，然后隨機選取一個有自由步長的初始方位角通過HG函數得到一個任意的初始散射角，從而確定光子的傳播方向和矢量以及初始坐標（x,y,z）；第二步則依照初始坐標計算下次的散射坐標（x1,y1,z1）；第三步則開始預判光子能否達到水面上方的情況。第一種情況：如果能，則按照反射定理改變光的傳播方向，消耗光子能量。第二種情況：如若不能，則判斷光子能否到達了探測面。第三種情況：如果光子能到達探測層，就記錄光子到達時的方位角和散射角并計算光子位置。第四種情況：若不能到達探測層，則光子將會進入下一次散射過程。當經過足夠多次散射后，光子包權值μn小于某個門限閥值，則傳輸結束。
3水下激光通信系統及關鍵技術
3.1水下激光通信系統
水下激光通信系統主要包括激光發射器、激光調制解調系統、激光接收器三大部分組成。水下激光通信系統與一般的通信系統的原理模型基本相同，相對空間大氣為傳播介質，區別為在水下以海水為媒介。在水下激光通信中，激光先由信源信息通過調制器調制，然后再通過發射天線匯聚成一束發散角極小的激光光束，光束通過水下信道傳輸最后被激光接收器接收。經過長距離傳輸的激光信號會夾帶著噪聲等非信源信息，因此由探測器和光學接收裝置組成的接收天線運用光學接收裝置可以有選擇性地通過成為波長和傳播方向的函數信號，而探測器會將信號和噪聲一起轉化成對應的電信號，這時電信號必須通過放大和濾波解調轉化得到所需的信源信息，提高信噪比、降低誤碼率。目前的開發系統均利用PPM-TDM調制和RS編碼技術將信源信息高速調制成為短脈沖綠光的全固態激光器，通過使用水下發射機發射出水面，然后在空中平臺上的激光通信接收終端依照提前知道的水下發射器位置，將接收器的接收端指向海面，收到水下發出的激光，通過信息解調碼來獲取全部信源信息。
3.2PPM調制解調技術
PPM調制解調技術是一種由N組二進制數映射成2n個時隙組成的單個脈沖信號，其中對光輻射功率要求低，同時，當保護時隙的個數大于32時功率利用率比OOK調制解調技術高。特別適用于被限制脈沖重復隔間的通信系統或者功率衰減偏大的通信環境。但是時隙信號需要同步以及幀與幀之間的間隔。因此調制解調系統的設計方案是由多個型號一致的脈沖激光器采用斷續的周期性脈沖組成激光陣列。具體實現步驟如下：①把激光信號編碼串行輸出信源信號，隨后把待調制信號分別配制至多個調制通道，②待調制信號將由各自的調制通道同時進行脈沖位置調制，然后在已調信號和前一個脈沖調制信號之間的空白時間加上保護間隔，③經過電光調制器調制后，多路已調制信號經由多個藍綠激光器發出，④已調信號將通過水下激光通信信道被光電探測器接收并進行放大和濾波處理，⑤經過處理的信號會由多路脈沖解調和串/并變換復原出信源信息。其中實驗要用到的參數：采用自來水水質衰減系數（0.086）；水中傳輸距離為50米；四臺激光器設置為532nm波長、30千赫茲的脈沖重復頻率、30千瓦的脈沖峰值功率。每個激光器會對原始序列采用32微秒的時隙進行PPM調制，采用水下光衰減信道為傳輸信道，將不同的激光脈沖寬度和PPM調制階數作為影響系統性能的主要因素而進行仿真比較，實驗后將計算得到采用不同激光脈沖寬度的系統誤碼率（BER）和信噪比（SNR）。從實驗結果中可以知道在相同的信噪比下，脈沖寬度越大，對應誤碼率越高，其系統性能越差，而在不同調制方式時，相比之下OOK調制系統誤碼率最低，但傳輸速率也最慢，采用8PPM調制方式時當信噪比降低，那么傳輸速率的增加會導致誤碼率增加。
3.3分集接收技術
判斷接收端性能的好壞，可以通過接收天線的其中一個重要指標——聚光效率。通過研究發現，增大接收天線的有效接收面積可以聚集更多的光信號到探測器上；擴大接收視場也能降低收發系統之間的對準難度。分集接收技術是指由多個復合光學接收天線拼接而成的分集陣列式光學接收天線，該技術要求高聚光比、接收到的光斑均勻性好、接收視場角大才能提高信噪比和動態接收范圍。相對于其他接收天線技術，此接收天線技術結構對稱，如果入射光束的入射方向發生變化那么接收探測器上得到的光斑會有重置，因此分集陣列式光學接收天線沒有接收盲區。但是經過高斯分布的激光光強在水中長距離傳輸后，雖然激光功率會下降、光斑擴展，但是仍在接收機的靈敏度范圍內。此時則要強調發射機與接收機的對準性，通過提高兩者的對準率也是水下激光通信系統成功的重要部分。
3.4收發系統對準技術
激光通信要求點對點接收提高系統的聚光效率，因此除了可以增大接收器上接收天線的有效接收面積之外，水下激光通信系統還可以通過提高收發系統的對準度來實現通信系統的可靠性和有效性。在發射端安置定位系統，通過位置追蹤接收器到達目標海域調整角度接收光學信號。目前大多數接收裝置均以浮標形式存在，因為：（1）體積小能耗小；（2）隱蔽性強，安全保密性高；（3）實現藍綠光對潛的有效方法；但若是采用這種方法則要考慮受洋流和海浪的影響，浮標會偏離發射端太遠，需要安裝動力設備通過后臺控制接收器的運動軌跡，實用性會降低。另一種方法則是海水光學窗口——利用藍綠激光波段（450-550nm）來建立水下與空中平臺的通信鏈路，提供一種通信能力高的直接通信技術方法，創立一套在水下平臺和空中平臺之間通過藍綠激光通信的演示系統，實現我國典型海域水下80m與空中2000m平臺進行通信，通信速率大于2.5kbps，通信誤碼率小于1×10-5。
4水下激光通信組網技術的研究
4.1水下傳感器組網
每一個激光器的通信終端通過RS-232總線與傳感器網絡上的各種傳感器相連，每一片區域所有的激光通信終端都通過POE連接到次接駁盒交換機上。除此之外，管理多片區域的次接駁盒交換機通過光纖模塊將網絡信號轉換為光纖信號，傳送至岸基站，另外，通過配備光通信系統的AUV通過多種通信方式將數據發送給海面上的浮標中轉，通過衛星通信將數據傳送給岸基站。模型原理框圖可見圖3。
4.2水下中短距離無線通信組網
如圖4控制單元主要用于對外圍模塊的控制以及與外接的PC等設備進行基于以太網的數據交換，發射機主要用于激勵信號加載至激光器產生對應的光信號，接收機主要實現了將接收到的光信號轉換為電信號，并對信號進行相應的處理，同時實現增益的自動控制，降低光信號強弱變化對電路的影響。
5水下激光通信技術適用范圍
5.1水下激光通信技術運用于水下傳輸平臺
將水下激光通信技術應用于水下移動式運載平臺中則主要體現出三方面的優點：①通信速度快，水下激光通信采用高頻率信息傳輸，傳輸速率可以輕松達到Kbit/s、Mbit/s甚至Gbit/s。②實時性強、容量大、抗干擾能力強，由于水下激光通信技術通信速度快，可以保證探測裝備通過無線連接的方式把測量數據準確無誤地傳輸至到附近的移動運載平臺上，解決了主要以載人潛水器下潛勘探實時獲取準確無誤的大容量探測裝備測量數據的技術難題。③水下無線連接信息傳輸，由于水下移動式運載平臺為搭載設備及作業工具預留的電氣接口有限。因此，實現水下探測設備與水下移動式運載平臺無線連接信息傳輸，有利于提高深?？碧阶鳂I的效率。
5.2水下激光技術運用于對潛通信
對潛通信是指水面上目標與水下目標之間的通信，其中包括潛艇、載人深潛設備等。經大量數據測試后，波長段為450-550nm的藍綠激光在海水中光衰減程度最小，而最大穿透距離最深能達到600米，因此潛水器、潛艇等深潛設備就可以不需要浮出水面而能夠長時間地深海作業。相對于潛艇等載人深海作業設備來說，還能通過自身外殼配備的光學天線接收外界報文，完全不會影響它的機動性，而軍用設備也不會因此而暴露位置。把藍綠激光運用到對潛通信上可以提高傳輸容量，還能高速傳輸數據、圖像和語音等。除此之外，藍綠激光的方向性強、光波束窄、抗干擾抗截獲抗毀能力強和不受電磁場電磁波與核輻射干擾，有益于軍事作戰和軍事演練時軍方潛艇的隱秘性和機動性。如果不以犧牲潛艇的機動性和隱蔽性提高了通信的實時性、有效性、保密性和可靠性，這將會增加潛艇的水下作業能力和生存能力為將來的軍事戰爭提供強有力的技術支持。
6總結
通過上述研究，水下激光通信系統首先要解決的問題是建立一個可靠的編碼譯碼系統將激光信號通過信道順利傳輸數據，之后則考慮如何降低誤碼率提高傳輸效率將信源信息成功地從水下通信信道調制解調，經過處理后還原出信源信息。當信源信息到達水面上的接收平臺后通過節點網絡可以往更遠的收發系統傳輸，最后連接空中衛星構成海陸空三位一體的全球通信系統。如整個海陸空通信系統連接起來，將大大提高海事力量和軍事力量。整個通信系統中，最難解決的是發射端激光發射方式、信道的建立和接收端接收天線與調制解調器的設置。海水中存在太多導致光散射和被吸收的因素會造成光傳輸的衰減特性，需要做大量的實驗和試驗找出影響因素和范圍建立一條高效的傳輸信道和高準確度的解調器逐步降低誤碼率提高通信成功率，這也是現在研究遇到的重大阻礙。
作者:辛光紅 單位:三亞學院
