水下激光通信技術的特點及發展現狀

沈鵬，楊磊，陳云賽

（國家深海基地管理中心，山東 即墨 266237）

海洋面積占地球表面積的71%，海洋中蘊含著遠未為人類所知的油氣、礦產和生物基因等資源，而近年來，隨著陸地資源的日益枯竭和人類未來發展空間需求的增長，各國更加重視海洋科學方面的研究工作，海洋探測、海底資源開發已成為海洋科學研究的熱點。未來誰能夠擁有和控制更為廣闊的海洋，誰就掌握了未來發展中更多的資源和生存空間，因此，進入深海、勘探深海和開發深海是實現中國偉大復興夢的必由之路。

載人潛水器（HOV）、遙控潛水器（ROV）等水下移動式運載平臺的普遍使用，將科學家及探測設備運抵至深海海底現場進行原位的探測取樣研究，大大提高了水下探測的效率。介于水下移動式運載平臺為搭載設備及作業工具預留的電氣接口有限，海底探測設備的探測數據不能實時反饋到運載平臺當中，這就導致只能在海底探測設備回收至支撐船舶后才能進行數據處理。水下激光通信設備為科學家提供了一種可以實時獲取海底地質、水文、熱液噴口硫化物等探測數據的作業模式，實現數據的原位分析判斷，提供有針對性的采樣依據，提高潛次作業效率。

1 水下激光通信技術的特點

傳統的水下聲學通信受傳播能量損失大、環境噪聲影響大、受水體折射與發射的多徑效應等方面的嚴重影響，使得聲學通信質量差、通信效率低下。而水下激光通信技術在近距離水下信息傳輸方面，表現克服了水聲通信的諸多局限性，性能表現優越，使得水下激光通信技術的應用領域越來越廣泛。

在海水中，采用波長范圍在470～525nm之間的藍綠激光，可以最為有效的降低海水對光波的吸收，有效提高激光的傳播效率。激光投射到自容式水下傳感器外置的光敏傳感器，光敏傳感器感受不同頻率的激光，從而實現通斷，進而實現水下短距離非接觸式控制指令、數據信息的傳遞。激光在水下傳播過程中表現的這些物理特性，為水下激光通信設備的應用提供了可能。

水下激光通信技術應用于水下移動式運載平臺中主要體現出以下3方面的優點。

（1）通信速度快。與傳統的聲學通信僅為bt/s的速率相比，水下激光通信采用高頻率信息傳輸，傳輸速率可以輕松達到Kbit/s、Mbit/s，甚至是Gbit/s。

（2）水下無線連接信息傳輸。介于水下移動式運載平臺為搭載設備及作業工具預留的電氣接口有限，因此，實現水下探測設備與水下移動式運載平臺無線連接信息傳輸，有利于提高深海勘探作業的效率。

（3）實時性強。水下激光通信技術的高傳輸速率，可以保證探測裝備的測量數據能夠通過無線連接的方式，傳輸至周邊的移動運載平臺上，解決了尤其是搭載人潛水器下潛勘探的科學家實時獲取探測裝備測量數據的技術難題。

水下激光通信技術的應用同樣存在以下缺點。

（1）易受水體環境干擾。水下激光通信的信道是水體。因此，水質、水流等環境因素對激光通信的性能起到決定性的作用。尤其是深海海底作業過程中，近底揚塵對通信效果的影響顯著。

（2）發射器與接收器的點對點傳輸。水下激光信息需要進行點對點傳輸，接收端與發射端的精確對接才能建立有效的通信。這就要求水下探測設備與移動式運載平臺之間要保持一段時間的相對位置不變。在復雜的水下環境中，保持兩者之間的相對位置不變具有一定的操作難度。

2 國外水下激光通信技術的發展情況簡介

國際上，美國、澳大利亞、日本等國很早便開展了水下激光通信技術研究，已經在水下激光通信領域取得了比較突出的成績。尤其是近年來，國外對于水下激光通信技術的發展勢頭迅猛，日本、美國等相繼突破水下激光高速率信息傳輸技術，為水下激光通信技術在水下裝備中的應用奠定了基礎。

2015年，日本山梨大學利用405nm波長的LD光源，在4.8m的清水中成功實現了1.45Gbit/s的信息傳輸，誤碼率為9.1×10-4。

2016年，美國克萊姆森大學利用445nm波長的LD（laser diode，激光二極管）光源，在模擬海水的環境下使用OOK-OAM調制技術完成了2.96m距離的高速率水下數據無線傳輸，數據傳輸達到了3Gbit/s，誤碼率僅為2.073×10-4，在使用OAM-WDM-PDM技術后，實現了10Gbit/s的高速數據傳輸。

同年，波蘭TopGaN公司，在模擬海水的環境中，利用直接調制氮化鎵激光二極管的方式，完成了1m距離內2.5Gbit/s速率的數據傳輸。

同樣在2016年，南加利福尼亞大學使用OOKOAM信號調制技術，使用1064nm激光器生成532倍頻激光，在1.2m距離的清水中實現了速率高達40Gbit/s的數據傳輸。

沙特阿卜杜拉國王科技大學(KAUST，King Abdullah University of Science and Technology)的Abdullah Al-Halaf在2015～2016年，通過多次對比試驗，取得了不同波長的光波、不同距離以及不同海水水質等條件下的多組對比數據，驗證了同等波長的光波在不同傳播距離下的傳輸速率及誤碼率變化規律。

3 水下激光通信技術在我國的發展概況

我國在水下激光應用領域起步較晚，國內主要有清華大學、中科院自動化研究所、哈爾濱工業大學、上海光機所、浙江大學以及桂林電子科技大學等單位從事水下激光的研究。

2013年清華大學的董宇涵，建立了一種新型的水下理論鏈路模型，并用數學模型建立起系統的鏈接范圍、發射功率、誤碼率、海水特性和風速等各種因素之間的關系。

2016年，浙江大學采用了波長為685nm的紅色激光進行了水下激光通信實驗，在使用128-QAM OFDM調制模式下，僅有7.32bit/s的傳輸速率，而更換成32-QAM OFDM調制模式后速率提升至4.883 Gbit/s，誤碼率為 3.2×10-3。

2016年，西北工業大學的黃愛萍博士采用532nm波長的藍綠激光，分析了典型海水中的信道脈沖影響，通過蒙特卡洛仿真實驗進行了驗證，發現清澈水域中的無碼間干擾信道，并驗證了信道傳輸效率隨接收視角和發散角的增大而減小。

2017年，杭州電子科技大學的蔡文郁老師帶領張軍等學生，研制了一款水下激光高速通信系統。采用DPIM（Digital Pulse Interval Modulation）信號調制技術，對研制的該系統進行了實驗驗證，成功實現了水下50m距離，點對點的高速率、低誤碼率信息傳輸，傳輸速度到達 1Mbit/s。

2015～2017年，臺灣大學使用GaN LD激光器，利用16QAM-OFDM調制技術生成450nm波長的藍光，通過對比試驗，驗證了在海水中使用這種調制技術進行水下激光傳輸速率達到7.2GBit/s時，信號傳輸距離不會低于6.8m。

4 結語

在水下可移動式運載平臺上應用水下激光通信技術，可以提高運載平臺的作業效率和作業安全，進而提高我國在深海熱液活動區等典型海底礦區的探測技術水平，為深海熱液硫化物/富鈷結殼/多金屬結核成礦作用礦區分布規律的研究以及資源勘探提供科學技術支持，同時也對于增加我國戰略資源儲備，拓展戰略發展空間，實現可持續發展具有更重要的技術支撐和保障作用。

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