水下LED光通信系統機理淺析

顏世恒

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

1 引言

水下無線光通信受海洋監測及軍事應用需求的影響，從上世紀六十年代開始興起，直到八十年代一度逐漸沉寂，主要由于在此期間光源和檢測器件的性能沒有提高。但進入九十年代，尤其是進入21 世紀后，受無線光通信技術和器件性能提高的推動，水下無線光通信重新受到巨大重視，國外很多研究機構先后進行了水下無線光通信的各種實驗。2010年美國伍茲霍爾研究所水下實驗室在海洋科學會議上公布了其團隊開發的基于LED的水下無線光通信系統，可以在100m范圍內達到10-20Mb/s的傳輸速率[1]。2011年，美國耶魯大學技術人員設計的水下無線光通信系統AquaOptical II，傳輸速率為2.28Mb/s，通信距離為50m[2]。2017年，美國LightSpeed U10水下光通信系統，可以實現在100m的距離上大于1Mbps的全雙工通信，重量約1.7kg，如圖1所示[3]。

圖1 LightSpeed U10 水下光通信產品圖

表1 國外技術發展現況

我國參與研究水下無線光通信技術的大學和研究所非常多，但是研究進展相對緩慢，更多的研究還只是處于仿真模擬和實驗室的水箱（水槽）實驗驗證階段。2011年，浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室對基于LED的水下光通信系統進行研究，實現了傳輸距離為9m，速率約為115Kb/s的數據傳輸[4]。2013年，中國海洋大學也實現了在13米的范圍內3Mb/s的數據傳輸[5]。2014年，南京郵電大學李麗在實驗室水箱中模擬海水環境，通過實驗分析了可見光視頻通信系統的傳輸效果，并通過仿真分析了接收端信噪比與傳輸距離的關系，得出了基于1.1W藍光LED的系統傳輸距離的理論最大值，分析了提高系統性能的幾種方法[6]。2016年，浙江大學課題組通過使用16QAM編碼以及OFDM調制方式，使用經濟的藍色LED實現了在2m水下高達百Mb/s的數據傳輸速率[7]。

2 系統組成及工作原理

水下LED光通信系統組成如圖2所示，其主要包括通信主板、光學天線和電源模塊。在發送端，信源通過編解碼模塊完成信道編解碼工作，而后通過調制解調模塊，傳送至LED調制驅動電路，將信源信號加載到高頻響的LED燈上，信號以光束形式經發射光學鏡頭發送出去。在接收端，光束經接收天線匯聚后，照射到光電探測器上，由此光信號轉換為電信號，信號經功率放大、低通濾波后發送至調制解調模塊，完成解調；而后通過編解碼模塊完成解碼，并通過后均衡等處理后，輸出到終端。此外，收發自干擾抑制模塊主要功能是解決由于接收機與發射機的距離很近，大功率LED在水中散射的光可能會導致高靈敏度接收機前端的APD飽和，甚至很容易燒毀APD的問題。

圖2 系統組成框圖

3 鏈路模型構建

水下傳輸鏈路的光學系統是確保實現長距離通信的關鍵，光學系統包含LED光源、發射端和接收端。可見光水下傳輸的窗口為400nm-730nm，藍綠光在水下傳輸性能最好，因此采用藍光LED光源作為水下可見光通信系統的光源。

圖3 水下無線光通信傳輸鏈路模型

對于水下無線光通信系統，發射端是由LED加光學準直系統組成，接收端是由接收光學器件加光電接收器件組成。采用LED的優點是能源轉化效率較高，缺點是LED發出的光發散角比較大。因此光學系統設計重點是考慮接收端的靈敏度以及發送端的LED功率，兩者之間存在一定的約束關系。此外還需要考慮光在水中的散射和水對光的吸收問題。此外，光學鏡頭設計重點應考慮接收端的靈敏度以及發送端的LED功率，兩者之間存在一定的約束關系。結合外場工程實際要求，發散角一般不宜太小，假定LED的發散角為θ0，發送端的LED總功率為Pt，發送端LED的出光效率為ηs，發射端光學系統效率ηt，光譜中心波長λ，接收光學系統效率ηr，接收端與發射端光軸中心偏軸角為θ，接收端光軸與發射端偏軸為Δθ，鏈路距離為d，如圖3所示。結合已構建信道數學模型[6]，接收光功率數學Pr改進模型如下：

以1顆3W美國CREE XPE 3W型LED為例，其藍光發光光功率在800mW左右，因此假設需要N顆LED。擬設定LED光學鏡頭發散角θ0為±10°，采用變焦技術完成不同發射角的動態調整。發射光源布局采用如圖4所示的等邊共圓布局，單個LED功率擬定3W，后期可通過內外場試驗對LED布局和擬定功率進行迭代和修正。

圖4 LED光源布局方式

4 數值計算及仿真分析

根據現有海洋工程實際需要，整個系統應有尺寸限制，假定放置在直徑5英寸（12.7厘米）的筒內，按照20%有效面積分配給接收PD來計算，接收面積為SCapture=π×（0.127/2）2=0.004m2，由于LED的發散角為±10°，因此LED發出去的光在接收端形成的光斑半徑為50×sin（10°）=8.7米，則接收端光斑面積為236.8m2。假定為純海水，c（λ）0.0198，d=50m，發送端LED的出光效率為ηs=0.8，發射端光學系統效率ηt=0.8，結合（1）式可以計算出有效接收光功率：

考慮到散熱以及設備空間有限，結合實際工程經驗，考慮實際信道冗余，擬定7顆3W的LED，則接收端的光功率為PR=140μW。

目前大功率LED發光系統的光學設計方案有垂直式和陣列式兩種布局；垂直式布局采用在光學系統中軸上部署多個LED，在中軸兩側部署拋物面反射鏡，將垂直式LED發射的光依次反射到光學系統前端，這種方法光學系統的結構更加緊湊，但光路存在遮擋，散熱較難解決；陣列式布局采用蜂巢結構，由多個具備準直出射光路的LED單元組成一個大的發光光學系統，然后由出射透鏡進行光的匯聚，散熱等問題較易解決；采用ZEMAX進行光學仿真，如圖5 所示。仿真結果顯示，采用等邊環狀發射，光強分部較為均勻，實際工程散熱等問題解決也較容易。

圖5 LED光源模型構建及仿真

5 結束語

本文對水下LED光通信的工作原理及系統組成進行了分析，并構建了基于水下信號傳輸的通信鏈路，進行了必要的計算和仿真分析。為進一步提高水下可見光LED光通信效率和傳輸距離，下一步工作擬采用功率更大且穩定的藍光LED作為光源，使用高性能單光子探測器提高接收靈敏度，并在試驗中充分研究水下動態信道模型提高通信效率。