水下光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近十年來(lái)，隨著水下光學(xué)或聲學(xué)成像探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自主式水下機(jī)器人(AUV)等技術(shù)的日益普及，為獲取連續(xù)、系統(tǒng)、高時(shí)空分辨率、大時(shí)空尺度的海洋要素觀測(cè)資料提供了一種全新的水下探測(cè)方法。但是，這些觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)傳輸速率的無(wú)線通信技術(shù)的支持，以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸及控制指令的交換。譬如，高清晰度的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸需要13Mbps的傳輸容量。在軍事方面，特別是在海上戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)程中，水下潛艇、水面艦艇、監(jiān)測(cè)傳感器之

2、間的聲音、圖像、綜合數(shù)據(jù)等信息的無(wú)線交換速率更為重要，而傳統(tǒng)的水聲通信技術(shù)雖然具有傳輸距離遠(yuǎn)、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是水聲通信技術(shù)存在著傳輸速率低、帶寬窄、延時(shí)較長(zhǎng)、功耗和體積大等缺陷，即使在近距離范圍內(nèi)，也難以達(dá)到Mbps的傳輸速率。因此，發(fā)展高效的近距離水下信息傳輸技術(shù)已成為海洋監(jiān)測(cè)亟待解決的問(wèn)題。 與水下聲學(xué)通信技術(shù)相比，光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r(shí)延大等不足。首先，由于

3、光波頻率高，其信息承載能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)水下大容量數(shù)據(jù)傳輸，目前可見(jiàn)光譜的水下通信實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到傳輸千兆(Gbps)量級(jí)的碼率；其次，.光學(xué)通信具有抗干擾能力強(qiáng)，不易受海水溫度和鹽度變化影響等特點(diǎn)，具有良好的水下電子對(duì)抗特性；第三，光波具有較好的方向性，如被攔截，會(huì)造成通信鏈路中斷，使用戶會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路出現(xiàn)故障，因此具有高度的安全保密性：第四，光波波長(zhǎng)短，收發(fā)天線尺寸小，可以大幅度減少發(fā)射與接受裝備的尺寸和重量，并且目前光電器件的轉(zhuǎn)換效

4、率不斷提升，功耗不斷降低，這非常適合水下探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。 本文針對(duì)水下高傳輸速率的光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，完成如下工作： (1)探討了海水光信道的特點(diǎn)，通過(guò)海水對(duì)光傳輸所產(chǎn)生的散射和吸收影響，建立了基于生物光學(xué)擬合經(jīng)驗(yàn)公式的水下光學(xué)通信系統(tǒng)性能分析方法，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了海水信道鏈路模式，該分析模式可根據(jù)不同區(qū)域、不同水深的海水狀況對(duì)光信號(hào)在水下傳輸過(guò)程中的衰減作用進(jìn)行評(píng)估

5、，為水下光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)提供了行之有效的分析方法。 (2)設(shè)計(jì)了基于發(fā)光二極管(LED)和光電倍增管的水下光學(xué)通信試驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室水槽中進(jìn)行了水下光通信試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同顆粒濃度對(duì)通信質(zhì)量的影響，為水下光學(xué)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。 (3)對(duì)目前常用的幾種調(diào)制方式在降低誤碼率性能及所需帶寬和發(fā)射的光功率等方面進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明PPM調(diào)制所需要的發(fā)射功率低，設(shè)備簡(jiǎn)單，是水下光通信的較好選擇?？紤]到P

6、PM帶寬性能等不足，提出了一種新的SPPM調(diào)制方法，該方法繼承了PPM調(diào)制功率利用率高，對(duì)發(fā)射功率要求低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在一定程度的降低了傳輸所需要的帶寬，提高了信息的傳輸速率，但是SPPM在誤碼率性能方面不如DPPM，DH－PIM調(diào)制技術(shù)，僅能作為一種嘗試方式，在具體應(yīng)用中需要進(jìn)一步改進(jìn)。 (4)將差錯(cuò)控制編碼引入水下光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)中，分析了各種線性分組碼的特點(diǎn)，并基于目前常用的兩種線性分組碼BCH碼和RS碼，結(jié)合DPSK和OO