第六章-水下光通信技术

第六章水下光通信技术海洋区域的划分海底带：海洋底部远洋带(浮游带)：从海床延伸到海面的区域浅海带：浮游带一部分，高潮线离海底200m的范围海洋带：水深超过200米透光层-海洋顶层，接收99%的阳光，海面到接收1%阳光的范围弱光层-约1km深，阳光非常微弱几乎不能进行光合作用无光层-没有太阳光水下无线通信海洋观测系统的关键技术可采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化、海底异常地震火山活动，探查海底目标，及远距离图像传输军事应用水下传感器网络的关键技术水下电磁波通信水声通信水下光通信海水具有导电性质，对电磁波起屏蔽作用海水中含多种元素，绝大多数处于离子状态，Na+，K+，Ca++，Mg++，SO4--，CO3--，Cl-，HCO3-8种离子占海水中溶质总量99%以上电导率随海区盐度、深度、温度而不同，为3~5S/m，工程上一般取其平均值：4S/m，高于纯水的电导率5~6个数量级对平面电磁波海水是有耗媒质，导致平面电磁波在海水中的传播衰减较大频率愈高，衰减愈大，穿透深度愈小100Hz穿透深度约为25m，0.34dB/m10kHz穿透深度仅为2.5m，3.4dB/m电磁波信号送到较大深度需适当降低工作频率岸对潜单向通信：从甚低频的几十kHz降到超低频的100Hz以下，实现100m的收信深度发射设备规模宏大，占地面积以平方千米计，发射机输出功率从几百千瓦到数兆瓦，通信距离可达数千千米甚至超过万米，但收信深度都较浅，甚低频通信的收信深度仅几米至几十米，超低频通信的收信深度也仅百米左右水声通信声波在海面附近的典型传播速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量级。与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多，是一种有效的水下通信手段。声能量的传播损失环境噪声多径效应起伏效应real-timeresponse,synchronization,andmultiple-accessprotocolsdistressmarinemammalssuchasdolphinsandwhalesopticalwirelesscommunication5GHz——64minclearoceanwater1GHz——8minturbidharborwaterChannelLightpulsespropagatinginaquaticmediumsufferfromattenuationandbroadeninginthespatial,angular,temporal,andpolarizationdomains.Theattenuationandbroadeningarewavelengthdependentandresultfromabsorptionandmultiscatteringoflightbywatermoleculesandbymarinehydrosolsmineralandorganicmatter.extinctioncoefficientCommunicationLinkModelsThelineofsightcommunicationThemodulatingretroreflectorcommunicationThereflectivecommunication海水对激光束传播的影响与大气相比：密度高、内容物丰富更复杂影响机理基本相同：吸收；散射；扰动；热晕；水空界面吸收：水分子无机溶解质悬浮体有机物散射：瑞利散射：纯水分子散射米氏散射：悬浮粒子透明物质折射引起的散射衰减系数与光波波长、海水浊度、生物含量、温度、深度有关大洋海水：0.1dB/m纯海水：400-580nm衰减系数较小含浮游生物：绿光衰减最小，红、紫光最大大洋海水衰减最小：480-500nm近岸海水衰减最小：530-580nm随深度增加而减小易变：时间、空间水空界面反射和散射海水和空气界面存在反射海水平面复杂的随机波动面、泡沫漂浮物等带来散射低频随机噪声海水扰动类似大气湍流温度、盐度~折射率海流、生物体扰动、温度差影响：光强起伏（对潜通信~300m）比海面扰动小热晕效应光束路径上的物质分子、颗粒等吸收激光能量而发热改变折射率，光束发生弯曲和畸变海水吸收大、信号功率大影响大于空气，产生蒸汽气泡解决：增大光学天线口径海水信道分析损耗：m海水分子a悬浮颗粒与浮游生物浓度、悬浮粒子、盐分、温度深度：10~20m最大分层处理扩散：散射对光源的要求工作波长：400~580nm；功率：背景较强；脉冲宽度：多径；重复频率：蓝绿激光器气体激光器、染料激光器设备庞大、效率低、寿命短、稳定性差半导体激光器半导体激光器泵浦固体激光器腔内倍频激光器对潜蓝绿激光通信系统——陆基、天基、空基陆基陆上基地台发强脉冲激光束，卫星反射天基激光器置于卫星空基激光器置于飞机国内外对潜通信的主要手段是甚低频通信和极低频通信。依靠甚低频通信，最大潜水深度一般不能超过45m，通信数据率约为75bit/min。极低频通信对海水具有更大的穿透力，最大潜水深度可达180m，但极低频对潜通信的数据率只有1bit/min。