姚文明，王慶裕，馮瑜，金曉宇，宋春霞（.海軍蚌埠士官學(xué)校兵器系，安徽蚌埠330;.北海訓(xùn)練基地光電探測(cè)教研室，山東青島66000）

多節(jié)點(diǎn)水下光通信的分析與研究

姚文明1，王慶裕2，馮瑜1，金曉宇1，宋春霞1
（1.海軍蚌埠士官學(xué)校兵器系，安徽蚌埠233012;2.北海訓(xùn)練基地光電探測(cè)教研室，山東青島266000）

摘要：在研究多節(jié)點(diǎn)通信光學(xué)原理的基礎(chǔ)上，理論分析了多節(jié)點(diǎn)水下光通信的實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)比較多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信方案的原理，得出多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信更具可行性。在多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信接收模塊中設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益功能，擴(kuò)大了接收模塊接收光信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

關(guān)鍵詞：光通信；多節(jié)點(diǎn)；水下；自動(dòng)增益控制

0　引言

水下光通信是以光波為信息載體，通過(guò)水下信道傳輸信息的通信方式。因?yàn)樗w的吸收和散射作用，光波在水下傳輸?shù)乃p很大，所以通常采用穿透海水能力強(qiáng)的藍(lán)綠激光器作為光源[1]。但是，激光的高準(zhǔn)直性在給其帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也加大了激光發(fā)射和接收系統(tǒng)的性能要求，從某種程度上來(lái)說(shuō)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信限制了激光通信在水下環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。因此，多點(diǎn)間的水下光通信越來(lái)越引起研究者的關(guān)注。近年來(lái)，各國(guó)已相繼開(kāi)展多點(diǎn)水下光通信方面的研究[2]，并取得了一定的成果。但是，我國(guó)對(duì)多節(jié)點(diǎn)光通信的研究還處于起步階段，主要研究集中在總體設(shè)想和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面,針對(duì)水下多節(jié)點(diǎn)光通信的研究未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

激光通信時(shí)，只有發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的帶有信號(hào)的激光被接收光學(xué)系統(tǒng)接收才能完成通信。由于激光器發(fā)出的激光是高斯光束，發(fā)散角較小，這要求接收光學(xué)系統(tǒng)必須對(duì)準(zhǔn)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，導(dǎo)致接收光學(xué)系統(tǒng)的接收視場(chǎng)角很小，為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信，需要研究光學(xué)原理，探索大角度或全向發(fā)射和接收系統(tǒng)。同時(shí)，為增大水下光通信的傳輸距離和通信速率，通常采用自動(dòng)增益控制技術(shù)以克服水體對(duì)光強(qiáng)的較大衰減，但這會(huì)造成光信號(hào)減弱。本文在分析研究上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討相應(yīng)的解決方案，為拓寬水下光通信的應(yīng)用范圍提供途徑。

1　多節(jié)點(diǎn)通信光學(xué)原理

根據(jù)上述證明可知，入射光線通過(guò)焦點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)拋物面具有反射光線與旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸平行的光學(xué)性質(zhì)。因此，本文把旋轉(zhuǎn)拋物面(改造后)作為激光通信的一個(gè)終端光學(xué)天線，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的相互通信。

2　多節(jié)點(diǎn)水下光通信方案設(shè)計(jì)

2.1多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方案

實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信需要節(jié)點(diǎn)的接收光學(xué)系統(tǒng)可以接收來(lái)自多個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同方向上的信號(hào)。由多節(jié)點(diǎn)通信光學(xué)原理可知，在接收光學(xué)系統(tǒng)端安裝拋物面反射鏡，可大大增加接收光學(xué)系統(tǒng)的接收范圍，實(shí)現(xiàn)大角度光學(xué)通信，減弱甚至消除激光高準(zhǔn)直性對(duì)激光廣泛應(yīng)用的限制。多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的原理框圖如圖2所示，在多個(gè)方向發(fā)射過(guò)來(lái)的光信號(hào)中總會(huì)有一束光的方向經(jīng)過(guò)拋物面的焦點(diǎn)，由拋物面反射鏡反射后，反射光線可以平行于對(duì)稱軸進(jìn)入接收屏，實(shí)現(xiàn)大角度2θ區(qū)域多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)傳輸。在拋物面反射鏡后的光信號(hào)由于遮擋無(wú)法進(jìn)行通信，從而產(chǎn)生盲區(qū)。理論上，盲區(qū)面積的大小與接收屏和拋物面反射鏡之間的距離有關(guān)，距離越大，盲區(qū)面積越小。由于水下的復(fù)雜環(huán)境和光學(xué)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多方面影響，接收屏與拋物面反射鏡之間的距離只能控制在一定范圍內(nèi)，不能無(wú)限增大。

2.2點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信方案

點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信實(shí)質(zhì)是增大發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)散角，使發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收系統(tǒng)通信，其原理框圖如圖3所示。平行光源經(jīng)拋物面反射鏡發(fā)射后，實(shí)現(xiàn)了大角度的水下區(qū)域光通信。同樣，拋物面反射鏡后的區(qū)域由于光信號(hào)被遮擋無(wú)法進(jìn)行通信而產(chǎn)生盲區(qū)，盲區(qū)面積可以通過(guò)加大光源與拋物面反射鏡之間的距離來(lái)減小，但也只能控制在一定范圍。

2.3兩種通信方案的分析比較

拋物面反射鏡對(duì)于經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)的入射和反射光線具有特殊的光學(xué)性質(zhì)。其中多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的原理是利用不同方向的入射光線經(jīng)拋物面反射鏡反射后反射光線平行于對(duì)稱軸的性質(zhì)。而點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信是利用平行光源入射到拋物面反射鏡后反射光線沿焦點(diǎn)方向向周圍傳輸?shù)奶匦浴Ｓ捎邳c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信會(huì)擴(kuò)大光束的發(fā)射角，大大削弱了光束的能量，加上光束穿過(guò)水體時(shí)，水體對(duì)光強(qiáng)的衰減，導(dǎo)致光強(qiáng)可能不足以到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的接收端,因此,多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信更具可行性。

圖1　旋轉(zhuǎn)拋物面反射原理圖

圖2　多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信原理框圖

圖3　點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信原理框圖

3　自動(dòng)增益控制方法設(shè)計(jì)

多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，由于水體對(duì)光強(qiáng)的衰減較大，發(fā)射模塊發(fā)出的光信號(hào)到達(dá)接收模塊時(shí)光強(qiáng)較弱。因此，需要在接收模塊中加入自動(dòng)增益功能以擴(kuò)大接收模塊接收光信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，提高水下無(wú)線光通信系統(tǒng)的適用性。本文提出采用可控增益放大電路和光電倍增管兩種適用于水下無(wú)線光通信的自動(dòng)增益控制方法。

3.1可控增益放大電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制

基于可控增益放大電路的自動(dòng)增益控制方法如圖4所示。發(fā)射模塊的光信號(hào)到達(dá)接收模塊后，先經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換放大并輸出電信號(hào)Uin；Uin通過(guò)可控增益電路進(jìn)入峰值保持電路，獲得信號(hào)峰值并通過(guò)數(shù)字處理電路完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換；比較轉(zhuǎn)換后的信號(hào)與參考信號(hào)E得出控制信號(hào)，將其送入可控增益電路調(diào)節(jié)放大器增益，從而完成自動(dòng)增益控制功能。

可控增益控制電路采用兩個(gè)電壓型可調(diào)增益放大器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，也可使用壓控增益放大器實(shí)現(xiàn)。峰值保持電路由集成采樣/保持器和比較器實(shí)現(xiàn)。數(shù)字處理電路通過(guò)內(nèi)部集成模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

3.2光電倍增管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制

基于光電倍增管的自動(dòng)增益控制方法是利用光電倍增管內(nèi)部增益隨工作電壓可調(diào)的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制[4]，具體工作原理如圖5所示。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多節(jié)點(diǎn)水下光通信的原理進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，多節(jié)點(diǎn)光學(xué)通信原理適用于多節(jié)點(diǎn)水下光通信，多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信較點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信更具可行性。另外，為擴(kuò)大接收模塊接收光信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益控制模塊。本文的研究成果為拓寬光通信的水下應(yīng)用范圍提供了途徑，后期將在使用Tracpro軟件分析的基礎(chǔ)上，制作拋物面反射鏡和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得理想結(jié)果。

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圖4　基于可控增益放大電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制

圖5　基于光電倍增管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制

Analysis and research on multi-node underwater optical communication

YAOWen-ming1, WANGQing-yu2, FENGYu1, JINXiao-yu1, SONGChun-xia1
(1. Dept. of Weaponry, Navy College of Petty Officer,
Bengbu Anhui 233012，China; 2. Dept. of Photoelectric detection,
Navy north sea training base，Qingdao Shandong 266000, China)

Abstract:The paper analyzes the implementation scheme of multi-node underwater optical communication based on the study of multinode communication optical theory. By comparing the principle of multipoint to point communication scheme and point to multipoint communication scheme, it draws a conclusion that the multipoint to point communication is more feasible. The paper designs the function of automatic gain control on the multipoint to point commonication, expands the dynamic range of receiver module.

Key words:optical communication, multi-node, underwater, AGC

中圖分類號(hào)：TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）01-0060-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.019

收稿日期：2015-08-24。

作者簡(jiǎn)介：姚文明（1989-），碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)與應(yīng)用。