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目前水声技术是应用范围最为广泛且时间也是最长的水下无线通信技术。但是随着发展的需求不断地提高，水声通信的短板也逐渐被揭示出来。如传播延迟长、信号衰减大、多径效应严重、通信带宽有限等一些特性导致水声通信在水下通信网络设计面临巨大挑战。在水下激光通信具带宽受环境影响小、可用载波频率高、传输时延小等特点，其具有水声通信所没有的优势。水下激光通信采用450-570nm的蓝绿光束，通过海水时不仅穿透能力强，而且方向性好。水下激光通信传输速率高、实时性强，可以通过无线传输设备实时且高速传输给附近的移动接收设备。水下激光通信拥有比水声通信更长的频带宽度、更大的通信容量，十分适合大数据传输，是未来水下通信的趋向。因此水下激光通信是将来水下无线通信主要发展方向。
1国内外发展
自1980年，美国进行了多次海上大型蓝绿激光对潜通信试验，实验结果证明蓝绿激光能在极端天气及海水污浊等恶劣环境下可以进行常规通信。澳大利亚2005年开始研发体积小成本低结构简单的蓝绿光学通信装置。选用LuxeonⅢLED460纳米的蓝光、490纳米的青光、520纳米的绿光，接收机方面选用了SLD-70BG2A光电二极管，到2010年，在速度和稳定性兼顾的前提下，系统速率达57.6kbit/s。美国伍兹霍尔海洋研究所2009年研发利用键控调制技术（OOK）在低功耗的蓝绿光发光二极管（LED）的深海光学水下通信试样机器，最高可实现10Mbit/s的通信传输速率。但是该技术主要针对深海领域的水下通信，并没有考虑水下光学通信中环境对光学信号和信道的散射影响。我国研究起步较晚，但也取得了几项重要成果。中国海洋大学1998年和2009年采用半导体激光器在3m和1.8m的水箱中进行了不同水质不同频率的光传输实验，其传输数据率为9.6kbit/s。并对水下无线光通信系统的调制技术和差错控制技术进行了分析研究。中国科学院沈阳自动化研究所研制了全向光通信模块，采用IrDA协议。最高测试传输速率达到57.6kbit/s。零误差通信距离为2m。厦门大学光电子工程技术研究中心将自行设计的Nd：YAG声光调Q大功率532nm激光器运用于水下无线光通信系统的研究。理论传输速率可达100kbit/s。并于2010年研发了基于AMBE-1000和STC89C52的水下无线光通信发射系统。
2水下激光通信实验研究方法
海洋生态系统是由一个复杂的物理、化学、生物环境组成的，同时存在太多的可溶性物质、悬浮体和有活性的生物体，会使得光束在水中传播被吸收作用和散射作用下而引起衰减，进而造成激光通信误码率提高。通过实验仿真研究分析海水信道散射效应是水下激光通信研究的关键方法。蒙特卡洛仿真模拟是一种基于物理、化学、工程以及环境动力学通过随机抽样和统计试验计算事件发生频率和模拟实验结果的数学概率统计模拟方法。在研究水下激光信道的信道特性中，由于海水中的盐度、温度和海水动力等因素与淡水不一样，因此，在蒙特卡洛仿真分析海水对信道的影响和建立的水下信道模型是主要的研究方法。蒙特卡洛仿真实验流程如图1所示，假设光线是由光子包和光子的集合，实验第一步要先对高斯分布的激光光斑进行采样生成光子，然后随机选取一个有自由步长的初始方位角通过HG函数得到一个任意的初始散射角，从而确定光子的传播方向和矢量以及初始坐标（x,y,z）；第二步则依照初始坐标计算下次的散射坐标（x1,y1,z1）；第三步则开始预判光子能否达到水面上方的情况。第一种情况：如果能，则按照反射定理改变光的传播方向，消耗光子能量。第二种情况：如若不能，则判断光子能否到达了探测面。第三种情况：如果光子能到达探测层，就记录光子到达时的方位角和散射角并计算光子位置。第四种情况：若不能到达探测层，则光子将会进入下一次散射过程。当经过足够多次散射后，光子包权值μn小于某个门限阀值，则传输结束。
3水下激光通信系统及关键技术
3.1水下激光通信系统
水下激光通信系统主要包括激光发射器、激光调制解调系统、激光接收器三大部分组成。水下激光通信系统与一般的通信系统的原理模型基本相同，相对空间大气为传播介质，区别为在水下以海水为媒介。在水下激光通信中，激光先由信源信息通过调制器调制，然后再通过发射天线汇聚成一束发散角极小的激光光束，光束通过水下信道传输最后被激光接收器接收。经过长距离传输的激光信号会夹带着噪声等非信源信息，因此由探测器和光学接收装置组成的接收天线运用光学接收装置可以有选择性地通过成为波长和传播方向的函数信号，而探测器会将信号和噪声一起转化成对应的电信号，这时电信号必须通过放大和滤波解调转化得到所需的信源信息，提高信噪比、降低误码率。目前的开发系统均利用PPM-TDM调制和RS编码技术将信源信息高速调制成为短脉冲绿光的全固态激光器，通过使用水下发射机发射出水面，然后在空中平台上的激光通信接收终端依照提前知道的水下发射器位置，将接收器的接收端指向海面，收到水下发出的激光，通过信息解调码来获取全部信源信息。
3.2PPM调制解调技术
PPM调制解调技术是一种由N组二进制数映射成2n个时隙组成的单个脉冲信号，其中对光辐射功率要求低，同时，当保护时隙的个数大于32时功率利用率比OOK调制解调技术高。特别适用于被限制脉冲重复隔间的通信系统或者功率衰减偏大的通信环境。但是时隙信号需要同步以及帧与帧之间的间隔。因此调制解调系统的设计方案是由多个型号一致的脉冲激光器采用断续的周期性脉冲组成激光阵列。具体实现步骤如下：①把激光信号编码串行输出信源信号，随后把待调制信号分别配制至多个调制通道，②待调制信号将由各自的调制通道同时进行脉冲位置调制，然后在已调信号和前一个脉冲调制信号之间的空白时间加上保护间隔，③经过电光调制器调制后，多路已调制信号经由多个蓝绿激光器发出，④已调信号将通过水下激光通信信道被光电探测器接收并进行放大和滤波处理，⑤经过处理的信号会由多路脉冲解调和串/并变换复原出信源信息。其中实验要用到的参数：采用自来水水质衰减系数（0.086）；水中传输距离为50米；四台激光器设置为532nm波长、30千赫兹的脉冲重复频率、30千瓦的脉冲峰值功率。每个激光器会对原始序列采用32微秒的时隙进行PPM调制，采用水下光衰减信道为传输信道，将不同的激光脉冲宽度和PPM调制阶数作为影响系统性能的主要因素而进行仿真比较，实验后将计算得到采用不同激光脉冲宽度的系统误码率（BER）和信噪比（SNR）。从实验结果中可以知道在相同的信噪比下，脉冲宽度越大，对应误码率越高，其系统性能越差，而在不同调制方式时，相比之下OOK调制系统误码率最低，但传输速率也最慢，采用8PPM调制方式时当信噪比降低，那么传输速率的增加会导致误码率增加。
3.3分集接收技术
判断接收端性能的好坏，可以通过接收天线的其中一个重要指标——聚光效率。通过研究发现，增大接收天线的有效接收面积可以聚集更多的光信号到探测器上；扩大接收视场也能降低收发系统之间的对准难度。分集接收技术是指由多个复合光学接收天线拼接而成的分集阵列式光学接收天线，该技术要求高聚光比、接收到的光斑均匀性好、接收视场角大才能提高信噪比和动态接收范围。相对于其他接收天线技术，此接收天线技术结构对称，如果入射光束的入射方向发生变化那么接收探测器上得到的光斑会有重置，因此分集阵列式光学接收天线没有接收盲区。但是经过高斯分布的激光光强在水中长距离传输后，虽然激光功率会下降、光斑扩展，但是仍在接收机的灵敏度范围内。此时则要强调发射机与接收机的对准性，通过提高两者的对准率也是水下激光通信系统成功的重要部分。
3.4收发系统对准技术
激光通信要求点对点接收提高系统的聚光效率，因此除了可以增大接收器上接收天线的有效接收面积之外，水下激光通信系统还可以通过提高收发系统的对准度来实现通信系统的可靠性和有效性。在发射端安置定位系统，通过位置追踪接收器到达目标海域调整角度接收光学信号。目前大多数接收装置均以浮标形式存在，因为：（1）体积小能耗小；（2）隐蔽性强，安全保密性高；（3）实现蓝绿光对潜的有效方法；但若是采用这种方法则要考虑受洋流和海浪的影响，浮标会偏离发射端太远，需要安装动力设备通过后台控制接收器的运动轨迹，实用性会降低。另一种方法则是海水光学窗口——利用蓝绿激光波段（450-550nm）来建立水下与空中平台的通信链路，提供一种通信能力高的直接通信技术方法，创立一套在水下平台和空中平台之间通过蓝绿激光通信的演示系统，实现我国典型海域水下80m与空中2000m平台进行通信，通信速率大于2.5kbps，通信误码率小于1×10-5。
4水下激光通信组网技术的研究
4.1水下传感器组网
每一个激光器的通信终端通过RS-232总线与传感器网络上的各种传感器相连，每一片区域所有的激光通信终端都通过POE连接到次接驳盒交换机上。除此之外，管理多片区域的次接驳盒交换机通过光纤模块将网络信号转换为光纤信号，传送至岸基站，另外，通过配备光通信系统的AUV通过多种通信方式将数据发送给海面上的浮标中转，通过卫星通信将数据传送给岸基站。模型原理框图可见图3。
4.2水下中短距离无线通信组网
如图4控制单元主要用于对外围模块的控制以及与外接的PC等设备进行基于以太网的数据交换，发射机主要用于激励信号加载至激光器产生对应的光信号，接收机主要实现了将接收到的光信号转换为电信号，并对信号进行相应的处理，同时实现增益的自动控制，降低光信号强弱变化对电路的影响。
5水下激光通信技术适用范围
5.1水下激光通信技术运用于水下传输平台
将水下激光通信技术应用于水下移动式运载平台中则主要体现出三方面的优点：①通信速度快，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Gbit/s。②实时性强、容量大、抗干扰能力强，由于水下激光通信技术通信速度快，可以保证探测装备通过无线连接的方式把测量数据准确无误地传输至到附近的移动运载平台上，解决了主要以载人潜水器下潜勘探实时获取准确无误的大容量探测装备测量数据的技术难题。③水下无线连接信息传输，由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。
5.2水下激光技术运用于对潜通信
对潜通信是指水面上目标与水下目标之间的通信，其中包括潜艇、载人深潜设备等。经大量数据测试后，波长段为450-550nm的蓝绿激光在海水中光衰减程度最小，而最大穿透距离最深能达到600米，因此潜水器、潜艇等深潜设备就可以不需要浮出水面而能够长时间地深海作业。相对于潜艇等载人深海作业设备来说，还能通过自身外壳配备的光学天线接收外界报文，完全不会影响它的机动性，而军用设备也不会因此而暴露位置。把蓝绿激光运用到对潜通信上可以提高传输容量，还能高速传输数据、图像和语音等。除此之外，蓝绿激光的方向性强、光波束窄、抗干扰抗截获抗毁能力强和不受电磁场电磁波与核辐射干扰，有益于军事作战和军事演练时军方潜艇的隐秘性和机动性。如果不以牺牲潜艇的机动性和隐蔽性提高了通信的实时性、有效性、保密性和可靠性，这将会增加潜艇的水下作业能力和生存能力为将来的军事战争提供强有力的技术支持。
6总结
通过上述研究，水下激光通信系统首先要解决的问题是建立一个可靠的编码译码系统将激光信号通过信道顺利传输数据，之后则考虑如何降低误码率提高传输效率将信源信息成功地从水下通信信道调制解调，经过处理后还原出信源信息。当信源信息到达水面上的接收平台后通过节点网络可以往更远的收发系统传输，最后连接空中卫星构成海陆空三位一体的全球通信系统。如整个海陆空通信系统连接起来，将大大提高海事力量和军事力量。整个通信系统中，最难解决的是发射端激光发射方式、信道的建立和接收端接收天线与调制解调器的设置。海水中存在太多导致光散射和被吸收的因素会造成光传输的衰减特性，需要做大量的实验和试验找出影响因素和范围建立一条高效的传输信道和高准确度的解调器逐步降低误码率提高通信成功率，这也是现在研究遇到的重大阻碍。
作者:辛光红 单位:三亚学院
