水下光学无线通信系统的关键技术研究
近十年来，随着水下光学或声学成像探测技术的快速发展，以及无线传感器网络系统、自主式水下机器人(AUV)等技术的日益普及，为获取连续、系统、高时空分辨率、大时空尺度的海洋要素观测资料提供了一种全新的水下探测方法。但是，这些观测技术的应用需要高数据传输速率的无线通信技术的支持，以实现观测数据的传输及控制指令的交换。譬如，高清晰度的视频信号实时传输需要13Mbps的传输容量。在军事方面，特别是在海上战争过程中，水下潜艇、水面舰艇、监测传感器之间的声音、图像、综合数据等信息的无线交换速率更为重要，而传统的水声通信技术虽然具有传输距离远、性能可靠等优点，但是水声通信技术存在着传输速率低、带宽窄、延时较长、功耗和体积大等缺陷，即使在近距离范围内，也难以达到Mbps的传输速率。因此，发展高效的近距离水下信息传输技术已成为海洋监测亟待解决的问题。
与水下声学通信技术相比，光学通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时延大等不足。首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大容量数据传输，目前可见光谱的水下通信实验可以达到传输千兆(Gbps)量级的码率；其次，.光学通信具有抗干扰能力强，不易受海水温度和盐度变化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性；第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安全保密性：第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。
本文针对水下高传输速率的光学无线通信系统设计中的关键技术问题，完成如下工作：
(1)探讨了海水光信道的特点，通过海水对光传输所产生的散射和吸收影响，建立了基于生物光学拟合经验公式的水下光学通信系统性能分析方法，在此基础上构建了海水信道链路模式，该分析模式可根据不同区域、不同水深的海水状况对光信号在水下传输过程中的衰减作用进行评估，为水下光学无线通信系统整体设计提供了行之有效的分析方法。
(2)设计了基于发光二极管(LED)和光电倍增管的水下光学通信试验系统，在实验室水槽中进行了水下光通信试验，验证了不同颗粒浓度对通信质量的影响，为水下光学通信系统的设计和应用提供可靠的依据。
(3)对目前常用的几种调制方式在降低误码率性能及所需带宽和发射的光功率等方面进行了分析，分析结果表明PPM调制所需要的发射功率低，设备简单，是水下光通信的较好选择。考虑到PPM带宽性能等不足，提出了一种新的SPPM调制方法，该方法继承了PPM调制功率利用率高，对发射功率要求低的优点，同时在一定程度的降低了传输所需要的带宽，提高了信息的传输速率，但是SPPM在误码率性能方面不如DPPM，DH－PIM调制技术，仅能作为一种尝试方式，在具体应用中需要进一步改进。
(4)将差错控制编码引入水下光学无线通信系统中，分析了各种线性分组码的特点，并基于目前常用的两种线性分组码BCH码和RS码，结合DPSK和OOK调制的通信系统，对水下光学通信系统的误码率性能进行仿真分析，为水下光学无线通信系统性能改善提供了理论依据。
无线通信;光学通信;水下通信
中国海洋大学
硕士
通信与信息系统
于新生
2009
中文
TN929.3
74
2009-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）