水下光通信的信道分析研究

王 菲

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

0 引言

目前，水下無線通信主要采用的是聲學通信技術。水聲通信技術相較于激光來說，具有通信距離遠、通信可靠性高等優點[1-3]，并且，聲學通信技術在淺海和深海的水下無線通信領域中被大量采用。盡管如此，水下聲學通信技術也還是有著諸多不足之處，如傳遞速率相對較低、可用帶寬不足、安全性相對較差[4]。水下激光通信是相對理想的水下通信技術，它作為一種高速水下數據傳輸的新方法，被廣泛應用于技術和科研方面。

1 海水深度對于水下光通信的影響

海水深度越深，激光在海水中傳輸時，其能量衰減越厲害，信號畸變度也越大[5-6]。尤其是多變的海水信道，深海與淺海處所含物質的量的多少，是影響水下光通信的一個重要因素。根據長期實際觀測結論，在近海區，海水的混濁度隨著深度增加，在10-20m處可達到最大值[7]。圖1為近海區傳輸距離與接收功率的關系。

由于近海海水中的物質比深海處更為復雜，所以其水下傳輸受到的影響也更多。通過分析圖1不難發現，綠光的傳輸特性是最好的，所以，選擇在近海處的水下光通信系統時，應當優先使用綠色光譜，能達到最優性能。但隨著水深的不斷增加，其水質又逐漸變清，在水深3000m以下趨于穩定，呈現出純海水水質。圖2為深海水域中傳輸距離與接收功率的關系，從圖中可以看出，深海區各種顏色的光傳輸特點相差不大，其中藍色光能稍微優于其他色光，這點與純海水下的吸收和散射系數一樣，沒有太大的差距。

圖1 近海水域收功率與傳輸距離的關系曲線

圖2 深海水域收功率與傳輸距離的關系曲線

2 聚光設備的鏈路性能的影響

一般來說，一整套水下光通信系統都會配備聚光設備，分別安裝在發送端和接收端，其目的都是為了更好傳輸與接收光信號。為了解聚光設備是否對其有促進作用，會對有聚光設備的系統和無聚光設備的系統進行分析并作出對比，從而分析水下光通信系統的性能。圖3、圖4為無聚光設備和有聚光設備時，深海水域和近海水域的光通信信道脈沖分別進行仿真對比分析。圖中橫坐標為以發送端發送脈沖信號為起始點的時間軸，縱坐標則是接收端相對于發送信號的能量衰減情況。

圖3 無聚光設備時，不同水質中的光通信信道脈沖響應曲線

圖4 有聚光設備時，不同水質中的光通信光功率曲線

由圖3、圖4曲線比較可得，有聚光設備的比沒有聚光設備的系統衰減更慢。由此可以推出，光在水下進行傳輸時，聚光設備對于光傳輸距離的影響非常重要，說明遠距離的光傳輸必須配備好的聚光設備。

3 結束語

本文通過仿真分析分別對近海、深海的光通信傳輸距離及其影響因素作了分析，對聚光設備實現遠距離通信的作用進行了研究，得到了以下結果：一是不同海域所含物質的量不同，所以深海與近海處的傳輸規律還是有較大區別；二是發送端和接收端的聚光設備對于水下光通信的傳輸具有重要意義，有助于實現遠距離傳輸的目標。