窄束激光技術或有助於實現水下航行器之間的通信

上圖所示，在鎖定另一個激光通信終端後，遠程操作車輛和水下終端發出採集穩定激光光束。

將近五年前，NASA和林肯實驗室創造了歷史，當時月球激光通信演示（LLCD）使用脈衝激光束從一個繞月球軌道運行的衛星向地球傳送數據，距離超過239000英里，通信速度為每秒622兆比特。

現在，林肯實驗室的研究人員正致力於通過將月球激光通信演示中使用的激光束技術應用於水下通信，再次開闢新的領域。

「我們的海底努力和月球激光通信演示都利用非常窄的激光束來為合作夥伴終端提供必要的能量，用於高速通信，」控制和自主系統工程組的工作人員Stephen Conrad說。他為月球激光通信開發了指向、獲取和跟蹤(PAT)演算法。「在使用窄波束技術方面，海底作業和月球激光通信有很多相似之處。」

然而，海底激光通信（LASECOM）還具有獨特的一系列挑戰。在海洋中，激光束受到顯著的吸收和散射的阻礙，這限制了光束可以行進的距離和數據信令速率。為了解決這些問題，實驗室正在開發一種窄波束光通信，它使用一個水下航行器的波束精確指向第二個水下航行器的接收終端。

這種技術與更普遍的海底通信方法形成對比，該方法在寬角度發送發射波束，但降低了可實現的範圍和數據速率。「通過證明我們可以成功地獲取和跟蹤兩個移動車輛之間的窄波束，我們已經採取了重要的步驟來證明實驗室實現海底通信的方法的可行性，其效率是其他現代方法的10000倍。」Scott Hamilton說，他是光通信技術小組的領導，該小組負責這項研究和開發海底通信技術。

大多數地上自主系統依賴於GPS用於定位和定時數據；然而，由於GPS信號不穿透水面，潛水車輛必須找到其他方法來獲得這些重要數據。「水下航行器依賴於大型、昂貴的慣性導航系統，這些系統結合了加速度計、陀螺儀和羅盤數據以及其他可用的數據流，以計算位置，」研究團隊的Thomas Howe說。「位置計算對於雜訊是敏感的，當車輛被淹沒相當長的時間時，可以快速積累數百米的誤差。」

工作人員在列剋星敦的波士頓體育俱樂部游泳池對水下光通信系統進行了測試，證明兩艘水下潛水器可以有效地搜索和定位對方。在檢測到遠程終端的信標後，本地終端可以在不到一秒鐘的時間內鎖定並拉入粗軌跡。圖片來源:麻省理工學院。

這種位置不確定性會使海底終端難以定位並與傳入的窄波束建立聯繫。出於這個原因，「我們實現了一個捕獲掃描功能，用於快速地將波束在不確定區域上轉換，以便同伴終端能夠檢測波束並主動鎖定以保持其中心對準LASECOM終端的捕獲和通信檢測器。」研究者Nicolas Hardy解釋說。使用這種方法，兩輛車可以定位，跟蹤，並有效地建立一個鏈接，儘管每個車輛在水下的獨立運動。

一旦兩個LASECOM終端彼此鎖定並進行通信，兩個車輛之間的相對位置可以通過在通信波形中使用寬頻寬信令特徵來非常精確地確定。使用這種方法，車輛之間的相對方位和距離可以精確地知道，誤差在幾厘米以內，Howe解釋說，他的研究領域為海底車輛的控制。

為了測試他們的水下光通信能力，該小組的六名成員最近完成了在馬薩諸塞州萊剋星頓波士頓體育俱樂部游泳池中兩個移動車輛之間的精確波束指向和快速採集的示範。他們的試驗證明，兩個水下航行器可以在一秒鐘內搜索並定位在水池中。一旦鏈接，車輛就有可能使用他們建立的鏈接在一個會話中傳送數百千兆位元組的數據。

今年夏天，該團隊將前往區域性現場，向美國海軍相關人員展示這種新的光通信能力。這一個演示將涉及兩個海洋環境中的兩個車輛之間的水下通信，類似於2016在羅得島新港的海軍海底作戰中心實驗室進行的先前測試。該小組正在計劃第二次演習，以展示從水面以上到水下航行器之間的通信，這一提議以前已經證明是幾乎不可能的。

海底通訊工作可以利用實驗室其他小組進行的創新工作。例如，集成的藍綠色光電技術，包括氮化鎵激光器陣列和硅蓋革模式雪崩光電二極體陣列技術，可以導致更低的尺寸、重量和功率終端實現和增強的通信功能。

此外，在從渾濁水域中數十米到數百米的透明海水中的距離上，以兆位到每秒千兆位傳輸速率的數據將使實驗室正在探索的海底系統應用。

Howe之前和現在在實驗室中都做了大量的水下航行器工作，他說該小組的工作可以改變海底的通訊和運作。高速、可靠的通信可以完全改變水下航行器的運行，並從當前的操作方法中排除許多不確定性和壓力。

來源：https://phys.org/news/2018-08-narrow-beam-laser-technology-enables-underwater.html

直接點擊公眾號「在線諮詢」菜單，客服會為您提供國內外光電儀器、元器件採購資詢服務(工作時間周一至周五8:30-18:00)

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！