水下光通信LED陣列光源方法與實現＊

金曉宇 鄧 榮 馬 軍 謝小秋

（1.海軍蚌埠士官學校兵器系 蚌埠 233012）（2.92815部隊 寧波 315716）

1 引言

所謂水下光通信，就是以光為信息載體，脈沖數字編碼來調制，通過水下信道傳輸信息的通信方式［1～3］。水下光通信具有頻帶寬、通信速率大和保密性好等優點。一般認為，由于水體的吸收和散射作用，光波在水下傳輸的衰減很大，但是，研究表明，某些特定波長的光波在水下的衰減遠小于其他波長的光波，這些特定波長的光波為藍綠光，波長470～540nm［4～7］。用 LED 做光源進行水下光通信，發射機和接收機相對容易對準，還能兼顧照明。它體積小，重量輕，便于攜帶，適合安裝在水下小型航行器和潛水員身上。本文立足于此，展開相關系統設計和理論研究。

目前，水下光通信研究中，以激光對潛通信研究為主，也有部分應用LED做光源進行水下光通信的研究。其中，2004年，澳大利亞國防部資助的研究項目采用可見光LED實現了2m內57kb／s的數據通信。2004年，美國的Woods Hole研究所和麻省理工在海水中采用普通的藍光LED實現了115kb／s的Irda通信，距離達到5m［8～10］。本文在分析LED作光源進行水下光通信的優點基礎上，介紹了水下光通信系統選擇光源的條件，根據這些條件，設計了具體的光源陣列及其光學系統，最后應用設計的系統進行了水下光通信實驗。

2 LED光源用于水下光通信的優點

1）容易對準

相比LD光源而言，LED光源發射的光束發散角大，一定距離的水下傳輸后，發射光斑相對激光光斑要大很多，因此在接收端，只要探測器在光斑能量允許的范圍內都可以接收到信號。所以反射機和接收機在水下不穩定工作平臺上對準時就相對容易，另外，在水下平臺的擾動時，抗干擾能力也相對較強，不容易通信中斷，連續工作能力強［11～12］。

2）體積小、重量輕

激光器由于瞬間輸出高能量而需要為其提供高能量的泵浦源，泵浦源一般體積大，重量重。相比而言，LED驅動電路模塊就小得多，只需要一般的鉛蓄電池加高壓模塊就可以了。因此，它體積小，重量輕。

3）兼顧照明

水下激光通信中，一般采用脈沖激光器做光源，這樣能量相對能做到集中。脈沖激光器由于需要泵浦源的粒子數反轉需要時間，所以一般不能連續發光，即使能連續發光，那樣也會對激光器造成很大的損壞。LED光源的驅動電流相對較小，可以工作在連續發光模式，同時，其發散角大，故能用于水下照明，以便對水下目標進行觀測。

4）安全

由于激光能量相對集中，能量大，容易對人眼或一些不相干的重要儀器造成損害，因此一般不適合在有人員工作的場合使用或直接用于水下潛水員之間的光通信。相反，LED光能量相對發散，不容易對人員或儀器造成傷害。

3 LED性能曲線及陣列方法

光源是水下通信的核心部件，光源的性能對整個通信系統的性能起著至關重要的作用。水下無線光通信需要具有高性能指標參數的光源，水下無線光通信對光源的要求主要體現在以下幾個方面：

1）發光波長應滿足水下傳輸損耗的要求。不同波長的光在海水中傳輸受海水衰減效應的影響不同，因此，波長應選擇在光傳輸透射率較高的波段。海水損耗窗口如圖1所示。

圖1 海水低損耗窗口

2）功率應較大。由于水下光信道層段的損耗較大，從發射到接收一般都經過幾個數量級的功率衰減，探測器上接收到的甚至是nW、pW量級的光功率信號。

3）應適應水下通信的要求，光源應響應特性好、質量小、體積輕、功耗低，適應振動、溫度、濕度等環境變化。

4）能適應高調制頻率。通信速率是通信系統的重要性能指標，要想實現快速光通信，光源必須能很好地適應高調制頻率。

本文選用的光源是流明公司的K2綠光LED，型號LXK2－PM14－U00，如圖2所示，主要參數如表1所示，光譜曲線如圖3所示。在1000mA的測試電流下，它的最小功率為87.4mW，典型功率為100mW。

圖2 單個LED光源

表1 LED參數

圖3 LED光譜曲線

由于光在水下衰減較大，單個LED作用距離有限，為了增加系統的通信距離，又將單個LED光源擴展為多個LED陣列。多個LED發射光可以實現多光束傳輸，而多光束傳輸可以有效降低通信誤碼。圖4所示是用于安裝光源陣列的七合一LED光源基片。

圖4 七合一LED光源基片

4 光學系統設計

由于大功率LED發光二極管的發散角較大，可達140°，光能量發散影響了通信距離，為此，需要使用會聚光學系統改善大功率LED發光二極管的光束質量。因為使用的是七合一LED光源陣列，所以就選用七合一的透鏡進行光束會聚和準直，如圖5所示。安裝后的LED陣列與會聚透鏡如圖6所示，準直后發散角為12°，可滿足系統設計的要求。準直后的光斑圖案（1m距離）如圖7所示，能量密度分布如圖8所示。

圖5 LED光源會聚透鏡

圖6 LED光源與會聚透鏡實物安裝圖

圖7 準直后的光斑圖案（1m距離）

5 實驗

本文在水箱中進行了水下LED光通信模擬測試實驗，檢驗系統的通信距離和通信速率。實驗時，由信號發生器產生標準方波信號提供給發射通信系統作為需要傳輸的數據，發射通信系統將數據加載到光波上發射出去，光波經水箱傳輸后被接收通信系統接收，轉換成電信號后由示波器顯示出來。實驗水箱的長度為1.2米。實驗場景如圖9所示。

圖8 準直后的能量分布圖

圖9 水箱實驗場景照片

實驗中，加載到發射端信號發生器上的方波信號占空比為50%，幅值為2.5V，發射頻率為500kHz，即數據速率1Mb／s，如圖10所示。在接收端示波器獲得的放大數字信號如圖11所示。

圖10 發射信號

圖11 示波器獲得的放大數字信號

6 結語

本文設計的七合一陣列光源用作水下光通信系統發射光源，具有體積小，重量輕，能較好地為通信發射機和接收機對準提供條件，還能兼顧照明。實驗證明這種通信光源系統能用于實際的水下通信，而且通信速率還很高，表明這種設計是具有可行性的。

［1］鄧榮，饒炯輝，張曉輝.水下光通信防惡性碼卷積碼設計［J］.激光技術，2011，35（2）：222－225.

［2］Kedar D，Arnon S.Optical wireless communication through fog in the presence of pointing errors［J］.Appl Opt，2003，42（24）：4946－4954.

［3］汪鋒，饒炯輝.水下無線光通信系統中可變增益放大器的實現［J］.激光技術，2012，36（1）：99－102.

［4］詹恩奇，王宏遠.光在大氣和海水信道中傳輸的能量衰減計算［J］.武漢大學學報（工學版），2009，42（4）：528－531.

［5］夏珉.激光在水中散射特性的模型與計算［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［6］徐啟陽，楊坤濤，王新兵，等.藍綠激光雷達海洋探測［M］.北京：國防工業出版社，2002：56－67.

［7］William Cox，Kory Gray，John Muth.Underwater optical communication using a modulating retro reflector［J］.Sea Technology，2011，52（5）：47.

［8］Abd ElCNaser A.M，Ahmed N Z R，Amina E.M.E.Under Water Optical Wireless Communications Technology for Short and Very Short Ranges［J］.In－ternational Journal of Information Technology and Computer Science，2012，4（5）：46－57.

［9］Marston P L，Kingsbury D L.Scattering by a bubble in water near the critical angle：interference effects［J］.J.O.S.A.，1981，71（2）：192－196.

［10］Fickenscher T，Holborn J，Thiel，D V，et al.Underwater wireless optical communication for swimmer feedback using IrDA transceiver［J］.Electronics Letters，2011，47（24）：1335－1336.

［11］Arnon，Shlomi.Underwater optical wireless communication network［J］.Optical Engineering，2010，49（1）：15001.

［12］王謹.光無線通信自適應接收技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.