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摘要：本文在深海勘探的背景基础上，简要阐述了水下激光通信技术的优缺点，在此基础上概述了近几年水下激光通信技术的国内外科研方向、发展情况。阐明了水下激光通信技术在深海勘探中发挥的重要作用。
关键词：水下激光通信；水下移动运载平台；载人潜水器
海洋面积占地球表面积的71%，海洋中蕴含着远未为人类所知的油气、矿产和生物基因等资源，而近年来，随着陆地资源的日益枯竭和人类未来发展空间需求的增长，各国更加重视海洋科学方面的研究工作，海洋探测、海底资源开发已成为海洋科学研究的热点。未来谁能够拥有和控制更为广阔的海洋，谁就掌握了未来发展中更多的资源和生存空间，因此，进入深海、勘探深海和开发深海是实现中国伟大复兴梦的必由之路。载人潜水器（HOV）、遥控潜水器（ROV）等水下移动式运载平台的普遍使用，将科学家及探测设备运抵至深海海底现场进行原位的探测取样研究，大大提高了水下探测的效率。介于水下移动式运载平台为搭载设备及作业工具预留的电气接口有限，海底探测设备的探测数据不能实时反馈到运载平台当中，这就导致只能在海底探测设备回收至支撑船舶后才能进行数据处理。水下激光通信设备为科学家提供了一种可以实时获取海底地质、水文、热液喷口硫化物等探测数据的作业模式，实现数据的原位分析判断，提供有针对性的采样依据，提高潜次作业效率。
1水下激光通信技术的特点
传统的水下声学通信受传播能量损失大、环境噪声影响大、受水体折射与发射的多径效应等方面的严重影响，使得声学通信质量差、通信效率低下。而水下激光通信技术在近距离水下信息传输方面，表现克服了水声通信的诸多局限性，性能表现优越，使得水下激光通信技术的应用领域越来越广泛。在海水中，采用波长范围在470～525nm之间的蓝绿激光，可以最为有效的降低海水对光波的吸收，有效提高激光的传播效率。激光投射到自容式水下传感器外置的光敏传感器，光敏传感器感受不同频率的激光，从而实现通断，进而实现水下短距离非接触式控制指令、数据信息的传递。激光在水下传播过程中表现的这些物理特性，为水下激光通信设备的应用提供了可能。水下激光通信技术应用于水下移动式运载平台中主要体现出以下3方面的优点。（1）通信速度快。与传统的声学通信仅为bt/s的速率相比，水下激光通信采用高频率信息传输，传输速率可以轻松达到Kbit/s、Mbit/s，甚至是Gbit/s。（2）水下无线连接信息传输。介于水下移动式运载平台为搭载设备及作业工具预留的电气接口有限，因此，实现水下探测设备与水下移动式运载平台无线连接信息传输，有利于提高深海勘探作业的效率。（3）实时性强。水下激光通信技术的高传输速率，可以保证探测装备的测量数据能够通过无线连接的方式，传输至周边的移动运载平台上，解决了尤其是搭载人潜水器下潜勘探的科学家实时获取探测装备测量数据的技术难题。水下激光通信技术的应用同样存在以下缺点。（1）易受水体环境干扰。水下激光通信的信道是水体。因此，水质、水流等环境因素对激光通信的性能起到决定性的作用。尤其是深海海底作业过程中，近底扬尘对通信效果的影响显著。（2）发射器与接收器的点对点传输。水下激光信息需要进行点对点传输，接收端与发射端的精确对接才能建立有效的通信。这就要求水下探测设备与移动式运载平台之间要保持一段时间的相对位置不变。在复杂的水下环境中，保持两者之间的相对位置不变具有一定的操作难度。
2国外水下激光通信技术的发展情况简介
国际上，美国、澳大利亚、日本等国很早便开展了水下激光通信技术研究，已经在水下激光通信领域取得了比较突出的成绩。尤其是近年来，国外对于水下激光通信技术的发展势头迅猛，日本、美国等相继突破水下激光高速率信息传输技术，为水下激光通信技术在水下装备中的应用奠定了基础。2015年，日本山梨大学利用405nm波长的LD光源，在4.8m的清水中成功实现了1.45Gbit/s的信息传输，误码率为9.1×10-4。2016年，美国克莱姆森大学利用445nm波长的LD（laserdiode，激光二极管）光源，在模拟海水的环境下使用OOK-OAM调制技术完成了2.96m距离的高速率水下数据无线传输，数据传输达到了3Gbit/s，误码率仅为2.073×10-4，在使用OAM-WDM-PDM技术后，实现了10Gbit/s的高速数据传输。同年，波兰TopGaN公司，在模拟海水的环境中，利用直接调制氮化镓激光二极管的方式，完成了1m距离内2.5Gbit/s速率的数据传输。同样在2016年，南加利福尼亚大学使用OOK-OAM信号调制技术，使用1064nm激光器生成532倍频激光，在1.2m距离的清水中实现了速率高达40Gbit/s的数据传输。沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST，KingAbdullahUniversityofScienceandTechnology)的AbdullahAl-Halaf在2015～2016年，通过多次对比试验，取得了不同波长的光波、不同距离以及不同海水水质等条件下的多组对比数据，验证了同等波长的光波在不同传播距离下的传输速率及误码率变化规律。
3水下激光通信技术在我国的发展概况
我国在水下激光应用领域起步较晚，国内主要有清华大学、中科院自动化研究所、哈尔滨工业大学、上海光机所、浙江大学以及桂林电子科技大学等单位从事水下激光的研究。2013年清华大学的董宇涵，建立了一种新型的水下理论链路模型，并用数学模型建立起系统的链接范围、发射功率、误码率、海水特性和风速等各种因素之间的关系。2016年，浙江大学采用了波长为685nm的红色激光进行了水下激光通信实验，在使用128-QAMOFDM调制模式下，仅有7.32bit/s的传输速率，而更换成32-QAMOFDM调制模式后速率提升至4.883Gbit/s，误码率为3.2×10-3。2016年，西北工业大学的黄爱萍博士采用532nm波长的蓝绿激光，分析了典型海水中的信道脉冲影响，通过蒙特卡洛仿真实验进行了验证，发现清澈水域中的无码间干扰信道，并验证了信道传输效率随接收视角和发散角的增大而减小。2017年，杭州电子科技大学的蔡文郁老师带领张军等学生，研制了一款水下激光高速通信系统。采用DPIM（DigitalPulseIntervalModulation）信号调制技术，对研制的该系统进行了实验验证，成功实现了水下50m距离，点对点的高速率、低误码率信息传输，传输速度到达1Mbit/s。2015～2017年，台湾大学使用GaNLD激光器，利用16QAM-OFDM调制技术生成450nm波长的蓝光，通过对比试验，验证了在海水中使用这种调制技术进行水下激光传输速率达到7.2GBit/s时，信号传输距离不会低于6.8m。
4结语
在水下可移动式运载平台上应用水下激光通信技术，可以提高运载平台的作业效率和作业安全，进而提高我国在深海热液活动区等典型海底矿区的探测技术水平，为深海热液硫化物/富钴结壳/多金属结核成矿作用矿区分布规律的研究以及资源勘探提供科学技术支持，同时也对于增加我国战略资源储备，拓展战略发展空间，实现可持续发展具有更重要的技术支撑和保障作用。
作者:沈鹏 杨磊 陈云赛 单位:国家深海基地管理中心
