蓝绿光通信—传输介质为海水

      人的影响有限而短暂,书的影响则广泛而深远。                                                                 ——普希金

一、 概述

蓝绿光通信——传输介质为海水(图1)
       蓝绿光通信是光通信的一种,采用光波波长为450~570nm的蓝绿光束进行通信。由于海水对蓝绿波段的可见光吸收损耗小,因此蓝绿光通过海水时,不仅穿透能力强,而且方向性极好,是深海通信的重要方式,另外还应用于探雷、测深等领域。
      1963年,Duntley发现,海水在450~550nm波长(对应于蓝色和绿色光谱)具有相对较低的吸收衰减特性,后由Gilbert等人通过实验证实,如图12.3.1所示,这为水下光通信奠定了基础。
      早期,水下蓝绿光通信主要应用于军事目的,特别是在潜艇通信中。1976年,Karp评估了水下与卫星终端之间进行蓝绿光通信的可行性。1977年,加利福尼亚大学研究人员建立了一种从海岸到潜艇的单向光通信系统,其发射机采用蓝绿光激光源产生光脉冲,将其输出光束聚焦发射到中继卫星上,然后再将光束反射到潜艇,如图12.3.2所示。蓝绿光由激光发生器产生,蓝绿光不仅能有效地穿透海水,也能有效地穿透大气,与其他单色光相比,不易被空气中的水珠或云、雾吸收,它的这种通天入海的奇特本领引起了研究潜艇通信的科学家的重视。试验中,飞机从12km高空向海面发射一束蓝绿光,结果一路畅通无阻,直达位于海面下300m深处的海豚号潜艇。潜艇也以相同的方式向飞机发送了信息,终于实现了水下与空中和地面进行双向通信的愿望。
水对蓝绿光的吸收衰减谱
图12.3.1    水对蓝绿光的吸收衰减谱
      1980年起,美国海军进行了6次海上大型蓝绿光对潜通信试验,证实了蓝绿激光通信能在大暴雨、浑浊海水等恶劣条件下正常进行。
      1983年底,在黑海舰队的主要基地附近,苏联也进行了把蓝绿光束发送到空间轨道反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。
      1986年,美国一架装备了蓝绿激光器的P-3C飞机采用蓝绿激光通信技术,向冰层下的潜艇发送了信号。1988年,美国完成了蓝光通信系统的概念性验证。1989年,美国开始着手研究提升飞机或卫星平台与水下潜艇间的激光通信性能。
      1989年~1992年,美国还实施了潜艇激光通信卫星计划,旨在实现地球同步轨道卫星对潜激光通信。
      几十年来,水下蓝绿光通信仍局限于军事应用。迄今为止,只有少数有限的水下蓝绿光通信产品在20世纪初商业化,例如有的系统可以在200m的距离上实现20Mbit/s的水下数据传输。
       吸收和散射是影响水下光衰减的两个主要因素。吸收是一种能量传递过程,光子失去其能量并将其转换成其他形式的能量,如热能和化学能(光合作用)。散射是由光与传输介质的分子和原子的相互作用引起的。一般来说,吸收和散射对这种系统会产生三种不良影响。首先,吸收使光的总传播能量不断降低,将限制通信距离;第二,散射将扩展光束,导致接收器收集的光子数量减少,系统信噪比(SNR)降低;第三,由于光在水下散射,每个光子可能在不同的时隙到达接收器平面,产生多径效应,发生符号间干扰(ISI)和定时抖动。这些因素将直接使系统误码率(BER)降低,为此,可使用前向纠错技术。另外,光束扩散和多径散射也会影响光在水下的传输。多径散射是,光在海水中传播时,光波被散射粒子散射而偏离光轴,形成多次散射。

二、激光对潜通信种类

       激光对潜通信系统可分为陆基通信、天基通信和空基通信三种系统形式。
(1) 陆基通信系统
       由陆上基地发射台发出强激光脉冲,经卫星上的反射镜将激光束反射到所需照射的海域,实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩束成宽光束,实现大范围内的通信;也可以控制成窄光束,以扫描方式通信。
(2) 天基通信系统
       把大功率激光器置于卫星上,地面通过微波通信或光通信系统对星上设备实施控制和联络,还可以借助卫星之间的通信,让位置最佳的一颗卫星实现与潜艇通信。
(3) 空基通信系统
       将大功率激光器置于飞机上,飞机飞越预定海域时,激光束以一定形状的波束扫过目标海域,完成对水下潜艇的广播式通信。

三、 蓝绿光通信系统

      蓝绿光通信系统由光发射机、水下信道和光接收机组成,如图12.3.2所示,编码电路、调制电路、能够发射蓝绿光的激光器、聚焦蓝绿光的透镜发射天线系统组成光发射机,聚焦蓝绿光的透镜接收天线系统、对蓝绿光敏感的光探测器、低噪声放大器、解调电路和解码电路组成光接收机。
 蓝绿光通信系统
图12.3.2   蓝绿光通信系统
       通信时,发射端将脉冲信息编码,变换成一列不连续的电脉冲信号,然后用此信号直接调制光载波,使光发射器件光强度随信息变化而变化。通过光发射天线把调制后的光信号发射给中继卫星的反射镜,然后反射给海水中的潜艇,潜艇上的光接收机接收到这一光束后,透镜接收天线系统对它进行滤色、聚焦,经光检测器还原成电信号,再经低噪音放大、解调、脉冲整形,解码恢复发射机所发脉冲信号。
       蓝绿光通信系统光发射机采用简单的通断键控(OOK)直接强度调制(IM)(见6.4.1节)。蓝绿光通信系统也可以使用12.1.2节介绍的脉冲位置调制(PPM),与OOK调制相比,PPM具有更高的能量效率,并且不需要动态阈值,但以较低的带宽利用率和更复杂的收发机为代价。PPM调制的主要缺点是严格的定时同步要求,任何定时抖动或异步都会严重影响系统的误码率。
       与IM方案相比,相干调制对光载波的振幅、极化或相位信息进行编码。在接收端,本振光与接收信号光混频,完成解调(见9.5节)。与IM相比,相干调制具有更高的接收机灵敏度、更高的系统频谱效率和更强的背景噪声抑制,但是实现复杂度和成本也更高。相干调制有6.4.2节介绍的正交幅度调制(QAM)、正交相移键控调制(QPSK)。由于海水产生严重的吸收和散射效应,使传输光信号经受相当大的衰减,严重影响系统误码率性能。为了减轻水下光衰减的影响,并在低信噪比(SNR)水下环境中保持少的BER,可以在蓝绿光系统中使用前向纠错信道编码技术(见10.1节)。
       蓝绿光通信可应用于环境监测、近海勘探、灾害预防和军事领域。军事领域如潜水员之间通信,无人驾驶水下车辆、潜艇、船舶和水下传感器之间的通信等。
       研究内容有信道特性、调制和编码技术和具体实现途径。
       水下激光通信目前仍然在发展之中,科学家们目前已经对蓝绿光在云层、海水中的传播以及在多种气象条件和海洋条件下的对潜通信的关键技术进行了公关,为潜艇激光通信技术实用化奠定了基础。随着关键技术的突破和试验成功,潜艇激光通信的研究重心转向了提高系统的通信性能,尤其是提高通信速率,发展基于卫星的通信能力,逐步向实用化方向发展。

下一篇

网络电话降低公司通讯成本

通信系统集成

网络电话降低公司通讯成本

2015下半年以来,将近超过3成以上的中小公司负责人表示时下的经济环境紧迫,市场越来越不容易拓展。这也意味着多数公司的销售压力逐渐增大。当然,在成本负担过重的同时,相应 ...

相关内容

安防视频监控系统光电存储录像设备——超高密度光电存储技术

安防视频监控系统光电存储录像设备——超高密度光电存储技术

随着计算机技术,特别是多媒体技术的发展,需要处理和存储的数据量大幅度增加。例如,......

弱电工程

2022-06-22

安防视频监控系统光电存储录像设备——全息存储技术

安防视频监控系统光电存储录像设备——全息存储技术

自激光全息技术诞生之日起,激光体全息光存储技术(以下简称全息存储)就开始受到人们......

弱电工程

2022-06-22

安防视频监控系统光电存储录像设备——大容量光带存储技术

安防视频监控系统光电存储录像设备——大容量光带存储技术

随着多频道多媒体时代的来到,要求图像素材的有效应用日益提高。因此,需要一种可以......

弱电工程

2022-06-22