董 冰，佟首峰，張 鵬，王大帥，馬晨源

（長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)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(yùn)含著豐富的科學(xué)寶藏。但即使在21世紀(jì)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(diǎn)。空間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(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸?shù)囊环N技術(shù)[1-2]。深海作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是水下無線光通信技術(shù)，以往水下通信多利用聲納來進(jìn)行，然而即使是利用高速相干接收技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)，通信速率也僅能達(dá)5～15 kbit/s，難以滿足大量信息高速率傳輸?shù)男枨?。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(biāo)間進(jìn)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(lán)綠光作為信號載體進(jìn)行通信，具有海水穿透能力強(qiáng)、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(diǎn)[4-6]，。

目前，多數(shù)的水下無線光通信系統(tǒng)采用激光二極管（Laser Diode，LD）作為發(fā)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(lán)光LD作為信號光源，調(diào)制方式采用16-正交幅度調(diào)制 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM)和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)技術(shù)，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(xué)的Chao Shen等人利用450 nm藍(lán)光LD作為信號光源，基于OOK-NRZ的調(diào)制方式，采用APD作為通信接收單元，此通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到2 Gbit/s，通信距離為12 m，BER為2.8×10?5；當(dāng)通信距離提高到20 m時，數(shù)據(jù)傳輸速率也能達(dá)到1.5 Gbit/s，BER為3.0×10?3[8]。

從20世紀(jì)60年代開始，我國的科研機(jī)構(gòu)緊跟國際發(fā)展，已經(jīng)開始進(jìn)行水下無線光通信技術(shù)的相關(guān)研究，國內(nèi)在水下無線光通信領(lǐng)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(dāng)，甚至部分研究成果在技術(shù)參數(shù)上還略有超出。然而這些研究成果大部分都僅限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其實(shí)驗(yàn)條件較為理想，往往與實(shí)際情況相差很大，還需要進(jìn)行大量的外場實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，積累各種水下工作環(huán)境無線光通信技術(shù)的工程經(jīng)驗(yàn)。

水下激光通信具有束散角小、功率高的特點(diǎn)，要求其對準(zhǔn)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(tǒng)具有大束散角、體型輕便、對人眼傷害較小等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文設(shè)計了一種基于藍(lán)光LED陣列的水下無線光通信系統(tǒng)，并完成了樣機(jī)的工程化設(shè)計及實(shí)驗(yàn)測試，誤碼率低至10-6，能準(zhǔn)確不間斷地傳輸文本、圖像等信息。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)在水下可進(jìn)行可靠的無線光通信，操作簡單，性能穩(wěn)定。

2 外界約束條件分析

2.1 海水對光的吸收效應(yīng)

海水對光的吸收表現(xiàn)為入射到海水中的部分光子能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱動能、化學(xué)勢能等，是海水的固有光學(xué)特性，主要包括純海水吸收、黃色物質(zhì)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(jī)物含量明顯下降，此時主要影響海水吸收效應(yīng)的因素是純水的吸收以及溶解在水中的無機(jī)鹽[9]（如NaCl、KCl、CaCl2等）對光的吸收，由于對藍(lán)光的吸收系數(shù)是最小的，使得藍(lán)光在深海中的傳輸有比較明顯的優(yōu)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(shù)表示為：

式中αw表示純水的吸收，αy表示黃色物質(zhì)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(yīng)

海水的散射效應(yīng)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(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為：

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

圖1 光束遇質(zhì)點(diǎn)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(shù)模擬光在水中的散射情況，將體積散射函數(shù)在所有方向進(jìn)行積分，得出散射常數(shù)b(λ)為：

綜合考慮海水吸收和散射因素，海水對光功率傳輸?shù)目偹p系數(shù)可表示為：

2.3 深海環(huán)境背景光分析

在復(fù)雜多變的水下環(huán)境中，大多數(shù)的水下光通信系統(tǒng)的表現(xiàn)不能令人非常滿意，一是因?yàn)楣庠诤Ｋ械乃p造成光功率的流失；二是因?yàn)榻邮找晥鼋莾?nèi)的環(huán)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(jìn)入探測系統(tǒng)，對探測單元的性能產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)生的影響較大，必須予以抑制；當(dāng)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(lán)綠光波段。再將兩圖進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(tǒng)的水下操作深度在0～200 m內(nèi)時，存在太陽光產(chǎn)生的背景光噪聲，有必要采用濾波技術(shù)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(shè)P0為太陽光到達(dá)水面的光功率，按世界氣象組織1981年公布的太陽常數(shù)值[13-14]，P0=1368W/m2分 別取沿海水域的衰減系數(shù)α=0.305m?1和 清澈海水衰減系數(shù) 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(shù)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(dāng)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)在少數(shù)魚類、刺絲胞動物、節(jié)肢動物等生物體內(nèi)[15]。海洋是一個相對穩(wěn)定的環(huán)境，遍布著藍(lán)色光線，隨著海水深度的增加，除了高能量的藍(lán)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(chǎn)生影響的概率也微乎其微。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)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(xué)天線。光學(xué)接收天線應(yīng)具有高接收功率、高信噪比、寬視場角、小型化、低成本等特點(diǎn)[16-17]。如果使用傳統(tǒng)透鏡作為接收天線，在實(shí)現(xiàn)大口徑的同時，其焦距也會變得很長，不利于系統(tǒng)總體輕小型化的設(shè)計。本系統(tǒng)突破性地選用菲涅耳透鏡作為光學(xué)接收天線。菲涅耳透鏡應(yīng)用衍射光學(xué)的設(shè)計，其光學(xué)增益遠(yuǎn)超于同口徑的傳統(tǒng)聚焦透鏡，同時，還可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)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(tǒng)輕小型化的需求[18-20]。

系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖4所示，發(fā)射單元主要包括LED光源、LED驅(qū)動電路、FPGA和信號處理模塊。FPGA主要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為LVTTL的電平格式加載至驅(qū)動電路；由驅(qū)動電路完成OOK調(diào)制，并同時驅(qū)動4路LED；通過調(diào)節(jié)電壓的大小進(jìn)而調(diào)節(jié)LED光功率的強(qiáng)弱，其控制電壓范圍為0～3 V。電壓轉(zhuǎn)換模塊將12 V直流接入電壓分別轉(zhuǎn)換為4.5 V、5 V，分別為LED驅(qū)動電路和FPGA信號處理模塊供電。接收單元主要包括光學(xué)天線、探測器、A/D轉(zhuǎn)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(xué)接收天線，以收集盡可能多的信號光，A/D轉(zhuǎn)換器將接收到模塊電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，隨后傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧敵鲂盘枴?/p>

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.4 Block diagram of overall system design

4 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括發(fā)射光端機(jī)和接收光端機(jī)。

4.1 發(fā)射光端機(jī)

由于單個LED難以滿足系統(tǒng)對發(fā)射功率的需求，因此系統(tǒng)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(yīng)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(fā)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(tǒng)的要求。

發(fā)射光端機(jī)的主要結(jié)構(gòu)器件如圖5所示，發(fā)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(fā)光功率約為300 mW，發(fā)散角為120°，4個LED組成一個光源陣列，加裝燈罩進(jìn)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(zhuǎn)換模塊(見圖5(c))將輸入的12 V直流電壓分別轉(zhuǎn)換為5 V，為負(fù)責(zé)信號處理的FPGA供電，以及轉(zhuǎn)換為4.5 V，為LED驅(qū)動電路供電。系統(tǒng)調(diào)制方式選擇OOK（開關(guān)鍵控）調(diào)制模式，信號處理單元將5 MHz偽隨機(jī)碼加載到已調(diào)制信號光中發(fā)出。加裝機(jī)械外殼后的發(fā)射光端機(jī)實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 發(fā)射光端機(jī)主要結(jié)構(gòu)器件Fig.5 Main structural components of the optical transmitter

圖6 發(fā)射光端機(jī)實(shí)物圖Fig.6 Physical image of the transmitter

4.2 接收光端機(jī)

為了最大限度提高接收系統(tǒng)的靈敏度，水下無線光單工通信實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的光學(xué)接收單元應(yīng)同時滿足大視場和大通光口徑要求，本系統(tǒng)中視域形成是由菲涅耳透鏡成像實(shí)現(xiàn)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(guān)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(dāng)經(jīng)菲涅耳透鏡的光線完全布滿探測器靶面時，利用三角函數(shù)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(guān)系示意圖Fig.7 Relationship between the Fresnel lens diameter, focus distance and incident angle

當(dāng)入射角α =30°時，f≈8.66 mm，D=25.98 mm；當(dāng)入射角α =20°時，f≈13.7 mm，D=41.1 mm；當(dāng)入射角α=17.5°時，f≈15.8 mm，D=47.4 mm；當(dāng)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(tǒng)采用焦距為25 mm、口徑為75 mm的菲涅耳透鏡作為光學(xué)天線，相應(yīng)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(jī)主要結(jié)構(gòu)器件如圖8所示。接收單元以菲涅耳透鏡作為光學(xué)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(qū)域面積為10 mm×10 mm。將探測器安置在菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)處，信號光經(jīng)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(zhuǎn)換器選用的是ALINX的AN108 A/D模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊及FPGA將加載在通信光中的信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并進(jìn)行解調(diào)處理，最后輸出所需的信號。圖9為接收光端機(jī)實(shí)物圖。

圖8 接收光端機(jī)主要結(jié)構(gòu)器件Fig.8 Main structural components of the optical receiver

圖9 接收光端機(jī)實(shí)物圖Fig.9 Physical map of the receiver

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

5 系統(tǒng)測試

5.1 測試環(huán)境

測試地點(diǎn)選在某泳池，如圖10所示，水質(zhì)清澈，水池深1.3 m，滿足水下通信需求。發(fā)射光端機(jī)與接收光端機(jī)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(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.10 Underwater experimental environment

5.2 測試過程

首先將光端機(jī)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(zhǔn)，調(diào)整垂直高度，使兩臺光端機(jī)處于同一高度，隨后以水池壁為基準(zhǔn)，使兩臺光端機(jī)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(jié)果如圖11～12所示。

圖11 水下距離20 m處系統(tǒng)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(tǒng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在水下20 m距離時，該系統(tǒng)通信速率可達(dá)5 Mbit/s，誤碼率為7.9×10?6，誤碼率性能良好，輸出波形穩(wěn)定，可滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，成功實(shí)現(xiàn)水下20 m通信。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于可見光（藍(lán)光）LED的水下無線光通信系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，并成功完成了樣機(jī)的組裝與測試。測試結(jié)果表明，當(dāng)該系統(tǒng)在水下進(jìn)行通信時，通信距離為20 m，系統(tǒng)誤碼率為7.9×10?6，通信速率為5 Mbit/s，驗(yàn)證了該系統(tǒng)樣機(jī)在水下環(huán)境可進(jìn)行穩(wěn)定的圖片、文字等信息傳輸，為之后水下無線可見光動態(tài)通信系統(tǒng)的研制奠定了理論及工程基礎(chǔ)，相信在不久以后，即可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更高速率的穩(wěn)定動態(tài)水下無線可見光通信。