20 m水下無線藍光LED通信系統樣機設計

董 冰，佟首峰，張 鵬，王大帥，馬晨源

（長春理工大學 空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林 長春 130022）

1 引言

海洋覆蓋了地球71%的表面積，蘊含著豐富的科學寶藏。但即使在21世紀的今天，人類仍然對海斗深淵（6000～11000 m）的自然信息知之甚少，近年來深淵科考成為各國競相研究的熱點?？臻g激光通信也稱為無線光通信，是指利用光束作為載波在空間直接進行語音、數據、圖像等信息傳輸的一種技術[1-2]。深海作業的關鍵技術之一就是水下無線光通信技術，以往水下通信多利用聲納來進行，然而即使是利用高速相干接收技術的水聲通信系統，通信速率也僅能達5～15 kbit/s，難以滿足大量信息高速率傳輸的需求。深海間的信息交換主要是利用水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)在水下與水面智能浮標間進行信息傳輸，水下自主航行器以電池為動力源工作于深海[3]。水下無線光通信利用藍綠光作為信號載體進行通信，具有海水穿透能力強、信息容量大、傳輸速率高、隱蔽性好、不易被干擾、接收天線輕小等特點[4-6]，。

目前，多數的水下無線光通信系統采用激光二極管（Laser Diode，LD）作為發射光源，2015年8月，Hassan Makine Oubei課題組建立了5.4 m的水下無線光通信鏈路[7]，采用450 nm的藍光LD作為信號光源，調制方式采用16-正交幅度調制 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM)和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)技術，采用雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode, APD）作為通信接收單元，傳輸速率為4.8 Gbit/s，BER為2.6×10?3。2016年10月，阿卜杜拉國王科技大學的Chao Shen等人利用450 nm藍光LD作為信號光源，基于OOK-NRZ的調制方式，采用APD作為通信接收單元，此通信鏈路的數據傳輸速率能達到2 Gbit/s，通信距離為12 m，BER為2.8×10?5；當通信距離提高到20 m時，數據傳輸速率也能達到1.5 Gbit/s，BER為3.0×10?3[8]。

從20世紀60年代開始，我國的科研機構緊跟國際發展，已經開始進行水下無線光通信技術的相關研究，國內在水下無線光通信領域也取得了比較豐富的研究成果，無論是傳輸距離還是通信速率，都與國外的研究水平相當，甚至部分研究成果在技術參數上還略有超出。然而這些研究成果大部分都僅限于實驗室內，其實驗條件較為理想，往往與實際情況相差很大，還需要進行大量的外場實驗和實際應用，積累各種水下工作環境無線光通信技術的工程經驗。

水下激光通信具有束散角小、功率高的特點，要求其對準精度高，并且激光對人眼傷害大，操作難度較高，而基于LED的水下無線光通信系統具有大束散角、體型輕便、對人眼傷害較小等優點。因此，本文設計了一種基于藍光LED陣列的水下無線光通信系統，并完成了樣機的工程化設計及實驗測試，誤碼率低至10-6，能準確不間斷地傳輸文本、圖像等信息。測試結果表明該系統在水下可進行可靠的無線光通信，操作簡單，性能穩定。

2 外界約束條件分析

2.1 海水對光的吸收效應

海水對光的吸收表現為入射到海水中的部分光子能量轉化為其他形式的能量，如熱動能、化學勢能等，是海水的固有光學特性，主要包括純海水吸收、黃色物質吸收、浮游生物的吸收以及懸浮顆粒的吸收等。在深海中，由于太陽光的減弱使得深海中的浮游生物等有機物含量明顯下降，此時主要影響海水吸收效應的因素是純水的吸收以及溶解在水中的無機鹽[9]（如NaCl、KCl、CaCl2等）對光的吸收，由于對藍光的吸收系數是最小的，使得藍光在深海中的傳輸有比較明顯的優勢。忽略其他成分對光波的吸收作用，海水對傳輸光信號總吸收系數表示為：

式中αw表示純水的吸收，αy表示黃色物質的吸收，αp表 示浮游生物的吸收， αNAP表示的懸浮顆粒的吸收。

2.2 海水對光的散射效應

海水的散射效應最主要考慮純海水散射和懸浮顆粒散射的影響。純海水的散射主要是有水分子以及各種離子散射造成的，其散射系數的經驗公式為：

其中，bw(λ0)為參考點處波長的散射系數，bw(λ)為某波長光在海水中的散射系數。此外，海水中存在大量懸浮顆粒，光束在水中遇到質點之后將會發生散射，如圖1所示[10]。

圖1 光束遇質點后的散射示意圖Fig.1 Schematic diagram of the scattering of a light beam upon contact with a particle

采用光譜體積散射函數模擬光在水中的散射情況，將體積散射函數在所有方向進行積分，得出散射常數b(λ)為：

綜合考慮海水吸收和散射因素，海水對光功率傳輸的總衰減系數可表示為：

2.3 深海環境背景光分析

在復雜多變的水下環境中，大多數的水下光通信系統的表現不能令人非常滿意，一是因為光在海水中的衰減造成光功率的流失；二是因為接收視場角內的環境光會由于水下通信信道中的懸浮粒子和水分子的散射進入探測系統，對探測單元的性能產生影響[11-12]，這部分散射光通常被稱為背景光，也是造成水下光通信系統探測單元性能退化的一個主要因素。背景光的影響因素主要包括自然光、水下生物熒光以及后向散射光。

2.3.1 自然光的影響

自然光照是由水面上方大氣中的光線穿透海水表面并射入水體中的。

從圖2(彩圖見期刊電子版)可以看出，在表皮海水中（深度<50 m），太陽光中各個波段的光幾乎都能滲透到海水中，其產生的影響較大，必須予以抑制；當在深水中時（深度≥200 m），太陽光中能入射到海水的光只剩下藍綠光波段。再將兩圖進行橫向對比，可以發現，當在沿海水域中時，太陽光能入射到海水中的深度在50 m左右，而在清澈的海水中，太陽光可入射到水面下200 m左右，如果水下光通信系統的水下操作深度在0～200 m內時，存在太陽光產生的背景光噪聲，有必要采用濾波技術加以抑制。

圖2 不同海水深度的太陽光滲透能力分布圖Fig.2 Distribution map of sunlight penetration capacity at different sea depths

設P0為太陽光到達水面的光功率，按世界氣象組織1981年公布的太陽常數值[13-14]，P0=1368W/m2分 別取沿海水域的衰減系數α=0.305m?1和 清澈海水衰減系數 α=0.15m?1，傳輸了L路程后的光功率P可表示為：

可以看出光功率在水中成指數衰減，450 nm波長的光的衰減曲線如圖3所示。

圖3 太陽光功率在不同水域中隨水面下傳播距離衰減曲線Fig.3 The attenuation curve of solar power vs.propagation distance under water in different water areas

從圖3中可以看出，在沿海水域中，當太陽光傳輸至水面下20 m左右時，其光功率幾乎衰減殆盡，水深大于20 m時，太陽光產生的背景光噪聲就可忽略不計了；而在清澈的海域中，太陽光能傳輸至水下40 m左右，水深大于40 m時，太陽光產生的背景光噪聲幾乎消失。

2.3.2 生物熒光的影響

對于海洋生物而言，生物熒光主要出現在少數魚類、刺絲胞動物、節肢動物等生物體內[15]。海洋是一個相對穩定的環境，遍布著藍色光線，隨著海水深度的增加，除了高能量的藍光，可見光譜中的大部分光都被吸收了。海洋中的熒光生物雖然存在，但并不多見，對水下無線光通信和水下成像產生影響的概率也微乎其微。

3 系統總體方案設計

系統總體設計遵循3個主要原則：大束散角、大功率LED拼接陣列、大口徑接收光學天線。光學接收天線應具有高接收功率、高信噪比、寬視場角、小型化、低成本等特點[16-17]。如果使用傳統透鏡作為接收天線，在實現大口徑的同時，其焦距也會變得很長，不利于系統總體輕小型化的設計。本系統突破性地選用菲涅耳透鏡作為光學接收天線。菲涅耳透鏡應用衍射光學的設計，其光學增益遠超于同口徑的傳統聚焦透鏡，同時，還可以實現大數值口徑，即使通光口徑很大，但透鏡的焦距也不會很大，這就滿足了系統輕小型化的需求[18-20]。

系統總體設計框圖如圖4所示，發射單元主要包括LED光源、LED驅動電路、FPGA和信號處理模塊。FPGA主要將數據轉化為LVTTL的電平格式加載至驅動電路；由驅動電路完成OOK調制，并同時驅動4路LED；通過調節電壓的大小進而調節LED光功率的強弱，其控制電壓范圍為0～3 V。電壓轉換模塊將12 V直流接入電壓分別轉換為4.5 V、5 V，分別為LED驅動電路和FPGA信號處理模塊供電。接收單元主要包括光學天線、探測器、A/D轉換器以及信號處理器。探測器選用3 mm的APD探測器，在APD前放置一75 mm口徑的菲涅耳透鏡作為光學接收天線，以收集盡可能多的信號光，A/D轉換器將接收到模塊電信號轉換為數字電信號，隨后傳輸到信號處理單元，輸出信號。

圖4 系統總體設計框圖Fig.4 Block diagram of overall system design

4 系統主要結構設計

系統主要結構包括發射光端機和接收光端機。

4.1 發射光端機

由于單個LED難以滿足系統對發射功率的需求，因此系統采用多個LED拼接，組成LED陣列，其排布示意圖如圖5(a)所示。相應的信號處理模塊如圖5(b)所示。在10 Mbit/s的工作條件下，單個LED發光功率約為300 mW，則整個LED陣列的出射功率在1 W以上，能夠滿足系統的要求。

發射光端機的主要結構器件如圖5所示，發射光源選用的是Lumileds公司的LED，中心波長為470 nm，單個燈珠的發光功率約為300 mW，發散角為120°，4個LED組成一個光源陣列，加裝燈罩進行光束整形后，輸出近似平行光，可保證信號光光功率足夠大。電壓轉換模塊(見圖5(c))將輸入的12 V直流電壓分別轉換為5 V，為負責信號處理的FPGA供電，以及轉換為4.5 V，為LED驅動電路供電。系統調制方式選擇OOK（開關鍵控）調制模式，信號處理單元將5 MHz偽隨機碼加載到已調制信號光中發出。加裝機械外殼后的發射光端機實物圖如圖6所示。

圖5 發射光端機主要結構器件Fig.5 Main structural components of the optical transmitter

圖6 發射光端機實物圖Fig.6 Physical image of the transmitter

4.2 接收光端機

為了最大限度提高接收系統的靈敏度，水下無線光單工通信實驗樣機的光學接收單元應同時滿足大視場和大通光口徑要求，本系統中視域形成是由菲涅耳透鏡成像實現的[21]。

圖7所示的是菲涅耳透鏡尺寸及焦距與光線入射角度之間的關系，APD探測器靶面尺寸為10 mm×10 mm，菲涅耳透鏡的口徑與焦距比D/f選為3∶1，當經菲涅耳透鏡的光線完全布滿探測器靶面時，利用三角函數計算公式可得：

圖7 菲涅耳透鏡直徑、焦距與光線入射角的關系示意圖Fig.7 Relationship between the Fresnel lens diameter, focus distance and incident angle

當入射角α =30°時，f≈8.66 mm，D=25.98 mm；當入射角α =20°時，f≈13.7 mm，D=41.1 mm；當入射角α=17.5°時，f≈15.8 mm，D=47.4 mm；當入射角α =15°時，f≈18.6 mm，D=55.8 mm。

綜合考慮視場角、天線增益以及窄帶濾光片安裝等因素，系統采用焦距為25 mm、口徑為75 mm的菲涅耳透鏡作為光學天線，相應的α =11.31°，即光線以小于11.31°角入射至菲涅耳透鏡表面時，可以被完全耦合到APD探測器上。

接收光端機主要結構器件如圖8所示。接收單元以菲涅耳透鏡作為光學天線，直徑為75 mm，有效口徑為3，可保證大視場接收效果。探測器選用的是濱松公司型號為S8664-1010的APD探測器，有效探測區域面積為10 mm×10 mm。將探測器安置在菲涅耳透鏡的焦點處，信號光經菲涅耳透鏡會聚后聚焦在探測器靶面上，以保證探測器盡可能多地收集有效信號光。A/D轉換器選用的是ALINX的AN108 A/D模塊，A/D轉換模塊及FPGA將加載在通信光中的信號進行數模轉換并進行解調處理，最后輸出所需的信號。圖9為接收光端機實物圖。

圖8 接收光端機主要結構器件Fig.8 Main structural components of the optical receiver

圖9 接收光端機實物圖Fig.9 Physical map of the receiver

發射與接收單元的光端機球罩選用的是防水耐壓亞克力材質的半球形球罩，可承受水深約為100 m，光端機外殼加防水鍍層，連接處均采用密封膠圈壓實，線纜選用的是防水線纜，其與端機后蓋連接處均用防水密封膠進行密閉處理，以保證端機的防水性。

5 系統測試

5.1 測試環境

測試地點選在某泳池，如圖10所示，水質清澈，水池深1.3 m，滿足水下通信需求。發射光端機與接收光端機分別裝在三腳架上，將三腳架沉入池中，距離20 m。

圖10 水下實驗環境Fig.10 Underwater experimental environment

5.2 測試過程

首先將光端機固定在三腳架上，隨后測量好距離，將三腳架沉入池中，以水平面為基準，調整垂直高度，使兩臺光端機處于同一高度，隨后以水池壁為基準，使兩臺光端機左右方向近似處于同一平面。接入電源后，測定誤碼率，記錄輸出信號波形。測試結果如圖11～12所示。

圖11 水下距離20 m處系統通信誤碼率Fig.11 BER of the system at 20 m underwater

圖12 水下距離20 m處系統輸出波形及通信速率Fig.12 Output waveform and communication rate of the system at 20 m underwater

由實驗結果可見，在水下20 m距離時，該系統通信速率可達5 Mbit/s，誤碼率為7.9×10?6，誤碼率性能良好，輸出波形穩定，可滿足數據傳輸要求，成功實現水下20 m通信。

6 結論

本文設計了一種基于可見光（藍光）LED的水下無線光通信系統，介紹了系統的硬件及軟件設計，并成功完成了樣機的組裝與測試。測試結果表明，當該系統在水下進行通信時，通信距離為20 m，系統誤碼率為7.9×10?6，通信速率為5 Mbit/s，驗證了該系統樣機在水下環境可進行穩定的圖片、文字等信息傳輸，為之后水下無線可見光動態通信系統的研制奠定了理論及工程基礎，相信在不久以后，即可實現更遠距離、更高速率的穩定動態水下無線可見光通信。