藍綠激光水下通信技術綜述

水下通信，主要依賴手段是低頻聲波，受水聲信道的隨機變換性制約，水聲通信延遲較大，在淺水區域存在複雜的時變和空變特徵，帶寬很難超過50kHz，利用多載波調製技術，能達到1～20kbit/s，然而多數情況下通信速率在1kbit/s附近。難以滿足包括潛水員、AUV(Autonomous Underwater V ehicle)等水下活動單位間的信息交換，以及水下監測節點、感測網路與水面及陸上中轉平台的數據交換需求。

1963年，美國S.A.Sullivan和S.Q.Duntley等人發現海水在0.45～0.55pm的藍綠波段存在低損耗窗口。隨著激光技術的發展，利用藍綠激光能夠穿透水下約300m的深度，通信速率可達100Mbit/s量級，證明了該技術在水下通信、感測、探測、導航與控制等領域發展的廣闊空間，各國均在跟進研究，促進了藍綠激光水下通信技術的發展。

由於美國海軍和美國空軍的技術需求和戰略技術儲備需要，截至20世紀90年代中期，美國幾乎完成了藍綠激光水下通信技術的所有關鍵性實驗。其中，包括在各種氣象和海洋條件下，空-地、星-地，以及極地的長距離、複雜信道通信鏈路對潛通信的可行性和系統性試驗驗證；俄羅斯（蘇聯）、歐洲和日本，也先後獨立或同美國聯合研製機載及星載激光通信系統。

我國參與研究此項技術的大學和研究所非常多，但是受硬體和技術方面的制約，研究進展相對緩慢。資料顯示，目前只是完成了150m深的水下通信可行性研究，更多的研究還只是處於模擬模擬和實驗室的水箱（水槽）實驗驗證階段。由於基於藍綠激光技術的新一代水下通信技術的學科技術涵蓋面較廣，其必然採用多領域、多學科交叉協作聯合研究。

一、國內外發展狀況

藍綠激光水下通信技術，涉及髙穩頻激光器及其調製、光電探測器及解調、編/解碼晶元及演算法、低功耗電源及電路設計、耐壓容器製造等多方面的技術集合體。目前，美國、歐洲、日本和俄羅斯等國家和地區的研究處於領先地位。

20世紀70年代至80年代中期，美國完成了水下藍綠激光通信的技術方案和主要技術要求的設計，並隨後完成了原理驗證性實驗，證實了藍綠激光在渾濁海水等惡劣條件下，能夠正常進行通信。主要研究機構包括美國國防高級研究計劃局DARPA(Defense Advanced Research Projects A gency，前身美國國防部遠景研究規劃局，Advanced Research Project Agency,ARPA)、美國海軍、美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)、諾思羅普（Northrop)研究和技術中心、俄亥俄大學（OHIO UNIVERSITY)、伊利諾伊大學（University of Illinois)、麻省理工學院林肯實驗室（MIT Lincoln Latoratory)等機構。20世紀80年代中期至90年代，研究的重點集中在「海水信道」的物理模型、信號的調製/解調、光學濾波和編/解碼技術等方面。

期間，進行了3次試驗，分別完成了空-地、星-地，以及極地的長距離、複雜信道通信鏈路的試驗驗證。第一次，1981年，聖地亞哥海域，潛深300m潛艇同12000m高空飛機間的通信實驗，驗證了空-地長距離通信鏈路可行；第二次，1985年，加利福尼亞聖地亞哥海域附近，潛深250m，航速30nmile/h節潛艇同衛星間的通信實驗，驗證了星-地長距離通信鏈路可行；第三次，1986年的飛機同冰層下潛艇的通信實驗，將藍綠激光通信領域擴展到極地。

1983年，蘇聯黑海艦隊基地塞瓦斯托波爾附近，利用空間軌道反射鏡，成功實現基地同水下導彈潛艇的通信試驗；此外，英國、德國、加拿大、瑞典、澳大利亞、法國、荷蘭等國也在跟進研究。

20世紀60年代開始，我國的科研機構跟蹤國際發展，已經開始進行激光通信技術研究，中科院所屬的成都光電研究所、西安光機所、上海光機所、安徽光機所、中國電子科技集團所屬研究所、武漢船舶通信研究所，桂林電子科技大學、成都電子科技大學、華中科技大學（華中理工大學）、北京大學、哈爾濱工業大學、武漢大學、南京理工大學、國防科技大學等單位對激光傳輸及通信進行了大量研究。

1988年，開始藍綠激光對潛通信的技術論證，以及藍綠激光海水信道等方面的研究工作；1990年，開始機載SLC系統單獨立項研究；1999年，華中科技大學（華中理工大學）在南海某海域進行的機載藍綠激光對潛通信實驗，證實水下150m深度進行通信的可行性；2000年，桂林電子科技大學在海南三亞的目標海域成功實現水下50m深的通信實驗；2011年8月，我國第一顆海洋動力環境監測衛星「海洋二號」成功發射，並首次進行激光通信鏈路星地試驗。

二、關鍵技術

水下激光通信系統構成

水下激光通信系統由信號發射、水下信道和信號接收三大子系統構成。其中，信號發射子系統包括：光學發射鏡頭、激光器、編碼和調製、信源、電源和水密結構外殼構成；同理，信號接收子系統包括：光學接收鏡頭、光電探測器、解調和糾錯、信號輸出、電源和水密結構外殼構成；水下信道是光信息傳輸的通道。整個通信鏈路如圖1所示。

圖1 水下激光通信系統構成示意圖

由圖1可知，實現一個完整的水下通信鏈路，必須要基於激光通信的「硬體」和「調製/解調」技術，以及水下信道特性等三大方面的技術要素構成。其中，硬體技術包括：髙穩頻激光器、光電探測器、低功耗電源、調製/解調電路、編/解碼電路、光學鏡頭、耐壓水密艙技術等；調製/解調技術包括：調製/解調、編/解碼；水下信道的光信息傳輸物理模型等。

硬體技術

藍綠光高穩頻激光器及其調製技術，是保證水下激光通信實現的基礎。在光通信設備中，最常用的光電檢測器件是PIN光電二極體或雪崩光電二極體（APD)，為有效提升增強光接收端的信噪比，採用多個探測單元的空間分集接收，對陣列信號加權迭加，能夠提高輸出信號的信噪比；在接收端，通過適當增大光學鏡頭的有效口徑，保證足夠的光通信信號的輸人強度；在光鏈路上進行抗干擾帶通處理，在接收系統前端加遮光罩遮蔽非定域散射的干擾，對耐壓玻殼進行耐壓與光學窄帶通化複合處理,進一步抑制雜訊和背景雜散光，提高信噪比。

此外，水下耐壓結構設計和研究是關鍵技術之一，是保證通信收發系統順利工作的必要條件。針對微型及小型水下耐壓容器設計，國內研究較少，主要技術均被歐美日等發達國家掌握，水下激光通信系統的耐壓結構小型化，有利於多平台移植。

調製/解調技術

數字通信的基本調製/解調方式包括：幅移鍵控（Amplitude Shift Keying,ASK)、頻移鍵控(Frequency-Shift Keying,FSK)和相移鍵控（Phase-Shift Keying,PSK)。無線光通信的信號調製技術,主要以脈衝位置和脈衝編碼調製技術為主，包括OOK、PPM、MPPM、DPPM、DPIM等幾種方式；MPSK、APSK和QAM均為高效頻譜調製技術，QPSK及其延伸技術的頻譜效率也很高。

使用數字頻率合成器DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)，將載波生成和調製電路合二為一，能夠對頻率、相位、振幅分別進行精確的數字信號控制，實現OOK、FSK和PSK三種基本調製方式，其特點是系統結構簡單、穩定，易於實現；時頻調製技術（Time-Frequency Shift Keying，TFSK)也是廣泛被採用的抗衰落和抗多徑技術之一。利用正交碼的強抗干擾能力，以及准正交碼中選取有效克服頻率選擇性衰落，能夠兼顧信號傳輸速率和通信質量，相比傳統通信方式，時頻調製技術誤碼率能低一兩個數量級，適用於成分複雜、衰落比較嚴重的海水環境；海況特別惡劣的環境下，運用分集接收技術；邁克爾遜干涉調製也能有效提高信噪比。

光通信常用的幾種主要調製/解調技術，如表1所示。

表1 光通信常用的幾種主要調製/解調技術

綜合考慮，目前PPM調製是相對比較適合的水下光通信系統調製方式。

幾種編/解碼技術

採用PPM調製方法，糾錯碼常採用分組碼、卷積碼、級聯分組碼與級聯卷積碼。1962年，Gallager在其博士論文中首次提出LDPC(Low-Density Parity-Check Codes)碼，這是一種正則低密度校驗碼（regular low density parity code),是一類特殊的線性分組碼，其編碼技術十分複雜，編解碼運算量大；Gallager同時給出了稱為比特翻轉演算法的一種LDPC碼解碼演算法，解碼過程只需要進行邏輯運算，通過閾值的自適應設置，減少運算量，降低解碼複雜度；後來，Mackay等人進一步證明LDPC碼具有逼近香農限的能力。

LDPC碼的主要問題是編碼複雜度較高和編碼延時較長。常規LDPC碼演算法原理上與一般線性分組碼編碼演算法相似，需要先求生成矩陣，而生成矩陣一般不是稀疏矩陣，複雜度與碼長平方成正比，編碼時需要非常大的存儲資源。針對這一問題，T.J.Richardson和R.L.Urbanke提出了Efficient方法，將編碼複雜度控制在碼長的線性關係內，初步解決了LDPC碼面臨的主要問題。規則LDPC碼的結構簡單，硬體實現容易；經證實，結構設計合理的非規則LDPC碼，解碼性能超過規則LDPC碼，優化後性能能夠Turbo碼，缺點是利用超大規模集成電路較難實現；解決方法是建立有循環特性的校驗矩陣，易於超大規模集成電路的髙效編解碼實現。

LDPC碼的解碼分為硬判決和軟判決解碼方式。硬判決解碼運算過程簡單，較為實用；軟判決解碼，能夠使LDPC碼性能逼近香農限。

激光通信信號在水下信道通過，懸浮粒子和水分子對激光產生的散射和吸收作用，以及長程衍射效應，使激光信號傳輸時會發生畸變以及信號脈衝的展寬，造成系統誤碼率升高及信噪比降低。LDPC碼與傳統的RS碼、Turbo碼相比是距香農限最近的糾錯碼；解碼演算法複雜度低，硬體實現簡單，具有高速編解碼能力。

水下信道的光衍射特性

激光通信信號在水下信道的傳輸特徵非常複雜。海水的瑞利散射、懸浮顆粒的米氏散射，溫度、鹽度起伏以及水的擾動產生的湍流引起折射率隨機起伏，造成激光束波前相位和強度的隨機起伏變化。實際系統中還要再考慮疊加上長程衍射效應，比大氣中的光傳播，水中光束髮生展寬、抖動、漂移、閃爍等非穩定現象要嚴重和複雜很多；水下信道的多途效應，窄脈衝信號由於各信道的時延和衰減係數不同，以及頻率的選擇性衰落，使整個信號合成後產生波形失真，會嚴重加劇碼間串擾。粗略地估計，在海水中傳輸1m受到的累積影響，相當於光在空氣中傳輸1000m的等效距離。

總之，激光脈衝在海水信道中的傳輸環境十分複雜惡劣，涉及的各種環境參數，在時間及空間上均具有很大的隨機性，很難利用實驗方法建立一整套完整的，針對所有傳輸媒介特徵的修正模型。根據光的粒子特性，參考蒙特卡洛法把研究光的傳輸問題轉化為研究光子的傳輸問題，可以近似模擬多散射介質中的光傳輸過程，蒙特卡洛法同已有的實驗數據吻合較好。在近距離傳輸範圍內，其分析準確度髙於小角度近似法；而隨著光傳輸距離繼續增加，準確度高於唯像方程法。

三、存在的問題以及技術拓展的趨勢

水下藍綠激光通信技術涵蓋了光學工程、通信工程、海洋工程等眾多技術領域，需要多學科、多專業技術的有效融合。其中，制約水下藍綠光激光通信技術發展的主要問題包括：

水下光信道的準確物理模型和數學模型，從根本上，制約了調製/解調和編/解碼技術的發展。目前，對於水下光信道的研究比較依賴於蒙特卡洛方法，也取得了一定的成果；但是，建立較為理想的水下光信道模型還有差距。在「波傳輸介質」的研究領域，橫向可以借鑒水聲學領域的信道模型研究成果。畢竟都是波傳輸介質的問題研究，與此相關的理論和實驗研究，值得學習和借鑒；

在調製/解調技術和編/解碼技術方面，則要更多地借鑒星地激光通信研究中的一些技術手段和方法，隨時把最新技術引入水下光通信領域，加以結合改進、消化吸收；在此，借鑒水聲學領域的調製/解調技術和編/解碼技術，仍然具有必要性；同時，繼續以簡化參量的「黑箱模型」替代尚不完善的「水下光信道的具體物理模型」，結合實驗進一步研究和完善調製/解調技術和編/解碼技術；

在信號分析方面，可以嘗試將二維圖像處理領域的相關理論，進一步向一維方向推進，學習並借鑒如「壓縮感知」、「極點對稱模態分解方法」（Extreme-Point Symmetric Mode Decomposition,ESMD)等比較新的數據處理方法和思路；

發展微型及小型耐壓水密艙技術，有利於藍綠激光水下通信組件的多平台移植；藍綠激光水下通信技術實現是硬體、軟體和介面等多個分系統的技術集成，任何部分的薄弱，都將制約整個系統的整體性能。

綜上所述，目前，面臨的問題和研究方向，可以集中概括為繼續深人開展水下光傳輸的偏振特性研究，參考空間及水下量子光通信技術研究成果，建立水下光信道的準確物理模型和數學模型，有利於調製/解調及編/解碼技術發展；發展光學合成孔徑天線技術、光纖結構的邁克爾遜干涉，或者馬赫澤德干涉結構的相位調製技術，進一步提高信噪比；借鑒同樣是以波傳輸理論為基礎的水聲學領域信道模型、調製/解調技術、編/解碼技術、信號分析技術和耐壓水密艙技術的研究成果；借鑒「蛟龍號」水密艙技術研究成果，發展微型及小型耐壓水密艙技術及工藝完善，達到藍綠激光水下通信組件的多平台移植目的，拓展應用空間。同時，期待以「波傳輸理論為基礎」的光學、聲學及電磁學等領域的新理論、新方法和新試驗的突破。

文/李宏升 岳軍 金久才 陳冰泉 鄧劍平 高洪秀 劉尊年 孫志堅，本文來自《遙測遙控》第36卷第5期，參考文獻略，用於學習與交流，版權歸作者所有。李宏升，1974年生，青島理工大學，理學博士，主要研究方向為光學信息處理、海洋光學、超光譜成像、水聲工程等，青島市政府採購評審專家。

源自：溪流的海洋人生

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