水下無線LED光通信中圓形陣列光源性能研究

汪 鋒，饒炯輝，向小梅

(1.中國人民解放軍91388部隊，湛江524022;2.海軍工程大學兵器工程系，武漢430033)

引 言

水下無線光通信系統一般可應用于潛艇、無人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)、蛙人等［1］。隨著光電子產業的發展，很多技術門檻得到解決，對水下無線光通信展開研究的機構越來越多，水下可見光通信技術更是近幾年才被開發和研究的一項新技術［2］。以發光二極管(light-emitting diode，LED)作為光源的水下無線光通信設備具有體積小、能耗低、工作時間較長、價格便宜等特點，尤其適用于UUV、蛙人等小型的水下平臺［3］。但是要實現長距離的通信要求，則必須使得發射光束盡量的窄，這給發射機和接收機的對準造成了困難［4］。對準是建立和維持水下無線光通信鏈路的基本條件，所以在滿足水下載體接收機小型化、輕量化、低功耗的前提下，需要研究怎樣的光源能在遠距離實現高精度、快速的對準［5-6］。本文中在一定的理論推導和仿真基礎上，以試驗手段展開水下無線LED通信中圓形陣列光源性能研究。

1 LED光源特性及LED圓形陣列光源的空間照度分布模型

光源是水下無線光通信的核心部件，流明公司的K2綠光LED光源(型號LXK2-PM14-U00)是一種典型的大功率LED，在1000mA的測試電流下，它的最小功率為87.4mW，典型功率為100mW，其主要參量如表1所示。以其為對象展開水下無線LED通信圓形陣列光源性能研究。大功率LED作為一種新型光源，它與傳統的照明光源相比較有自己獨特的特性。由于要分析它的光源特性，所以先對表征LED光學特性的幾個主要參量進行介紹［7］。

Table 1 Parameter of LED

(1)光通量:單位時間內輻射的能量，用Φ表示，單位為流明(lm)。

(2)光照度:單位面積接收的光通量，可其表達式為:

光照度的單位為勒克斯(lx)。1lx=1lm/m2。(3)發光強度:點光源在給定方向上單位立體角內發射出的光通量，其表達式為:

發光光強的單位為坎德拉(cd)。

發光強度與LED的封裝有關，是與光照度密切相關的參量。參考文獻［8］中對LED的發光強度分布特征有詳細的論述。對LED光源的研究可以歸類為非成像光學的范疇，因為它不關注成像的質量，關注的是光能量傳遞或對光能量進行再分布。對于LED光源在空氣中的照度空間分布特性，MORENO和SUN有深入的研究［9］。LUXEON K2型是綠色LED，由參考文獻［9］可知其空間輻射的典型分布如圖1所示，采用MORENO和SUN建立的適用于LXK2-PM14-U00的理論模型，則對于單個 LXK2-PM14-U00型號LED光源，其相對強度公式(采用相對強度，以便將輻射強度和發光強度的變化趨勢歸一化到一個公式)［10］為:

Fig.1 Typical representative spatial radiation for green LED

(3)式對應典型上界(typical upper bound)，(4)式對應典型下界(typical lower bound)。

由于光強分布是基于角度來描述，是在極坐標中表示的，當研究多個LED組合成的陣列時，如仍然討論光強分布，則計算十分復雜;而照度分布是在直角坐標中表示的，通過計算陣列的照度分布來研究LED陣列性質自然簡單些。為此首先將單個LED光輻射模型的光強轉化為照度在空間的分布。設光強為I(θ，φ)，接收面中心離光源中心的距離為r，則相對照度的分布為［7］:

進一步以光源中心為坐標原點建立直角坐標系，設照射面與光源的距離為z，則(5)式中的θ可以化為:

所以相對照度在空間的分布的公式為:

因為單個LED無論照射距離還是光源強度在實際水下無線光通信設備中都不適用，而圓形陣列可以彌補單個LED的不足，本文中重點分析6個LED(如圖2所示，在半徑為R的圓內均勻排布組成的陣列)。為了寫出它的照度表達式，令其中任意一顆LED在x軸上，這樣光接收面上的相對照度分布為:

Fig.2 6 LEDs arranged in a circle

根據(9)式，用MATLAB畫出典型上界與典型下界分別對應在z=1m，z=5m，z=10m和z=20m光線接收面上的相對照度3維分布模型，如圖3和圖4所示，其空間照度分布呈現對稱性。

Fig.3 3-Dmodel of relative illumination distribution of receiving surface about typical upper bound

2 LED圓形陣列光源水下空間照度分布的實驗研究

以德克薩斯儀器公司的TLC5922LED驅動芯片為核心的驅動模塊為該LED圓形陣列光源提供驅動電流，并在數據通信時實現對LED的調制，即先由數據編碼模塊完成加載信號的編碼，以數字電平的形式送至LED光源及其驅動模塊，再由驅動模塊驅動大功率LED陣列發光，采用數字調制形式，驅動電路工作流程如圖5所示。在長寬深分別為22m×5m×2m的室內水池中進行了水下無線光通信6 LED圓形陣列光源水下空間照度分布實驗，以水下照度計為工具，采取點陣測量法研究該光源水下空間照度分布情況，實驗裝置設置如圖6所示。實驗中所用照度計為上海嘉定學聯儀表廠的ZDS-10W型水下照度計，三位半液晶顯示，其使用深度為15m，測量范圍:0lx～1999×102lx，共分4個量程，根據光照大小自動切換，測量精度為±4% ±1個字，零點漂移為4h內不大于±1個字。實驗時共測量5組數據，分別為:不加載信號直接由光源系統發光;加載100kHz方波信號;加載500kHz方波信號;加載1MHz方波信號;不加載信號但相對于前組數據光源順時針旋轉90°。標準方波信號由信號發生器產生，并由發射模塊將其加載到光波上發射出去。光波經水池中的水體衰減后被水下照度計探測模塊接收，直接顯示出照度，每測量點多次測取數據，取平均值，以減少偶然誤差。

以光源出射口中心為坐標原點O，與出射口等高的水平面為x-O-z面，與水池短邊平行的線為x軸，與水池長邊平行的線為z軸，過原點O與面x-O-z垂直的線為y軸，建立空間坐標系如圖7所示，平面x-O-z上各線交點即點陣的測量點，等間距且為0.4m，對測量的數據進行分析。

Fig.4 3-Dmodel of relative illumination distribution of receiving surface about typical lower bound

Fig.5 Flow chart of LED drive circuit

Fig.6 Schematic diagram of experimentaboutunderwater intensity of illumination distribution

Fig.7 Diagram of spatial coordinates

2.1 光源加載不同頻率信號時在水下沿光軸的照度分布

如圖8所示，圖中分別表示不加載信號和加載100kHz，500kHz，1MHz的方波信號時，沿光軸方向即上述笛卡爾坐標系z軸正半軸向的照度的變化情況。圖8中4個小圖首先表明了光在水下傳播時基本呈指數衰減，到距離光源18m時，照度值基本都趨于0.5lx或者更小，衰減了4000多倍，衰減幅度大約80dB左右。另外圖8b、圖8c、圖8d中其初始照度值分別為2700lx，3000lx，3650lx，因此該光源出射端口處光照度值隨著加載信號的頻率增加而增加。

2.2 光源在水下其照度的空間分布

LED圓形陣列光源在實際使用中安裝了會聚透鏡，其發散角修正為12°。為了得到該光源在水下空間光照度分布具體情況，進一步分析實驗數據，研究光源垂直照射面的照度分布。

圖9中分別表示與光照射面上即z分別為0.4m，6.0m，10.0m和18.0m的平面上沿x軸的照度分布。因為水池的深度有限，為了測得沿y軸的照度分布，測完沿x軸的照度分布后，將陣列光源順時針旋轉90°，即可測得圖10中 z分別為0.4m，6.0m，10.0m，18.0m的光照射平面上沿y軸的照度分布。首先對比分析同一個z平面上沿x軸和y軸的照度分布，例如z=0.4m時，對比圖9、圖10，x軸和y軸上與光源中心即原點O等距處的照度值明顯不等，可以得出該光源在水下空間上的輻射能量非對稱分布的結論。單獨看圖9或圖10，因為光源存在一定發散角，所以隨著z值大小即沿照射面與光源中心的距離的增加，光的輻射區域逐漸增大，且光照射面上的光能量分布不均勻，到z=10m時光接收射面上照度開始趨于均勻分布。

綜上得到關于LED圓形陣列光源在水下空間光照度分布的3條結論:(1)LED陣列光源雖然是對稱的，但水下輻射照度分布不對稱，這可能是LED封裝、水下環境等造成的，同時光信號在水下傳播衰減極快，在18m的距離內強度衰減了80dB左右;(2)在水體吸收和散射等影響共同的作用下，當光信號傳播到一定距離后，在光接收平面上，照度值是各向趨于均勻分布，以該光源做實驗得到結論為大約10m;(3)當光源加載不同頻率的信號時，在同樣的坐標體系下，光源輻射空間內每點的照度值大小隨加載信號頻率的增加而增加，這是因為隨著信號頻率增大，其直流分量同時增加，體現為照度值變大。

Fig.8 Change of illumination intensity at z axis

Fig.9 Illuminance distribution in different z plane on the x axis

Fig.10 Illuminance distribution on the y axis in different z plane

3 結論

基于單個LED空氣中照度分布模型，本文中推導出6個LED組成的圓形陣列光源的空間相對照度分布數學模型，由仿真結果可知其在空氣中空間照度分布呈對稱。以水下照度計為工具，用點陣測量法研究該光源在水下的空間照度分布，由實驗結果可知:光源出射端口處光照度值隨著加載信號的頻率增加而增加，雖然LED陣列光源是對稱的，但水下輻射照度分布不對稱;當光信號傳播到一定距離后，在光接收平面上，照度值是各向趨于均勻分布;在同樣的坐標體系下，光源輻射空間內每點的照度值大小隨加載信號頻率的增加而增加。該結論雖然只是由6只K2綠光LED組成的圓形陣列得出，但具有一定的代表性，對研究怎樣的光源適用于水下無線LED光通信具有參考價值。

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