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【摘 要】本文主要论述水下光通信的分集接收技术，主要针对水下蓝绿激光的可视距离激光信号进行接收，能够增强水下激光通信能力、有利于完成水下通信任务，对工程应用、军事发展、国防科研等有重要意义。
【关键词】水下 光通信 分集接收
海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且还包含了有关气候的信息，以及大量急待开发的资源。水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化。海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输，水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信受环境的影响较大，克服环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。水下光主要通信是利用海水对波长为470nm～570nm的蓝绿激光具有低损耗窗口，依靠大气、空气/海水界面和海水作为光信道，实现飞机（或卫星）对水下约300m深度的潜艇通信。这种通信方式具有波束隐蔽、接收天线小、通信速率高、抗干扰和保密性强等优点。
一、水下激光信道激光传输特性研究
根据前人对海水光特性的研究，光波在水下传输所受到的影响可以归纳为以下三个方面：
（1）光损耗：忽略海水扰动和热晕效应，光在海水中的衰减主要来自吸收和散射影响，通常以海水分子吸收系数、海水浮游植物吸收系数、海水悬浮粒子的吸收系数、海水分子散射系数和悬浮微粒散射系数等方式体现。
（2）光束扩散：经光源发出的光束在传输过程中会在垂直方向上产生横向扩展，其扩散直径与水质、波长、传输距离和水下发散角等因素有关。
（3）多径散射：光在海水中传播时，会遇到许多粒子发生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光将变得越来越少。海水中传输的光被散射粒子散射而偏离光轴，经过二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新进入光轴，形成多次散射。多次散射效应是随着粒子的浓度和辐照体积的大小而变化的，由于多次散射的复杂性，很难通过分析方法得到扩散与水质参数及水下深度间精确的数学关系式，并且受到实验条件和实验经费的限制，不可能对每一种水质、每一个水下深度都进行实验，而且有些特性还很难甚至无法用实验的方法测量。
二、水下激光通信系统组成
水下激光通信主要由三大部分组成：发射系统、水下信道和接收系统。水下激光通信的机理是将激光器发射的激光信号进行时频调制，经过放大后通过透镜将光束以平行光束的形式在信道中传输；接收端由透镜将传输过来的平行光束以点光源的形式聚集到阵列式光检测器上，由光检测器件将光信号转变成电信号，然后进行信号处理，最后由解码器解调出原来的信息。
三、水下激光分集接收系统设计
（1）分集接收基本理论。分集接收技术就是利用不同路径、不同频率、不同信号到达角度、不同时间和不同极化等方式去接收载荷着同一信息的信号，并将同一信息的各个信号分量按照某种方法予以合并的一种信息处理技术，相应地分集接收方式有空间分集、频率分集，角度分集和极化分集和等采用这一技术的目的，分集接收技术是一种抗衰落的有效途径。
（2）分集接收方案。本激光分集接收系统采用频率分集接收技术，用频率间隔大于相关带宽的两载波载荷信息来发送，在接收端分别接收两种频率的载波，再按照一定的方法将其合并输出，以达到抗频率选择性衰落的目的。合并技术中，平方律合并是在振幅和相位都不确知时的一种最佳合并方式，在系统将采用这种合并接收技术。目前的频率分集技术可大体分为两类，一是显分集，二是隐分集，可以用不同频率载波的顺序来载荷信息，本水下光通信系统采用四时四频调制方式，分集接收端也采用时频解调方式，属于一种隐分集技术。
四、硬件电路设计
分集接收系统硬件电路采取多路分集接收方式，对不同方向和不同强弱的信号都能进行接收，这可减少环境光噪声的影响和多径畸变，因为每个单元接收到的与主信号延迟光只有一小部分。在设计光电检测器阵列时应考虑每个光电检测器的尺寸要尽量小，以减小光电检测器的电容，这可增加接收机带宽、减小前置放大器的热噪声，对提高接收机的灵敏度有利。光电检测器阵列以单片集成，共用一个聚光器，放在聚光器的焦平面上，每个光电检测器相当于一个像素。
（1）蓝绿激光探测器。经过对光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管的特性研究，决定采用APD探测器对蓝绿激光进行探测，蓝绿激光波长在470nm-580nm，APD探测器与PIN探测器、PWT探测器相比响应速度快，不需要高压电源，适用于微弱信号的检测和接收。
（2）MIMO通信方式。MIMO技术主要是利用具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。对于分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。MIMO也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。在本系统中MIMO技术也可以算一种天线分集技术。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。
（3）高速时钟与数据恢复（CDR）。CDR电路包括时钟恢复电路与数据恢复电路，同时采样夹杂噪声的数据信号，提取出同步的时钟，恢复数据。具有较小的抖动输出，他也同时决定了对信号进行判决的好坏。
与其他水下激光接收调制方法相比，分集接收技术在水下衰落信道中具有更好的抗衰落特性。水下激光通信中的分集接收技术对今后水下通信方式的研究，提高信号在水下的抗衰落能力以及民用、国防等领域中的水下作业、作战能力等的提高有巨大的理论和现实意义
参考文献：
[1]敖发良，张德琨，李海玲，等.水下激光通信中信号的分集接收[J].激光与红外，2002，32（04）：228～229.
[2]杜竹锋，黄铁侠，卢益民.激光对潜通信的信号检测方法分析[J].激光与红外，1998，28（3）：156-159.
[3]周洋，刘耀进，赵玉虎.LED可见光无线通信的现状和发展方向.淮阴工学院学报.2006年6月，第15卷第3期
[4].周晓迈著黄铁侠指导.激光对潜通信信号解调及信道编码的研究.华中理工大学
[5].杜竹峰著黄铁侠指导.激光水下目标探测及通信的信道特性研究.华中理工大学。
作者简介：吴起鹏（1987.08），男，汉族，吉林长春人，长春理工大学工学学士，从事无线光通信、水下光通信研究。
【关键词】水下 光通信 分集接收
海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且还包含了有关气候的信息，以及大量急待开发的资源。水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染、气候变化。海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输，水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信受环境的影响较大，克服环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。水下光主要通信是利用海水对波长为470nm～570nm的蓝绿激光具有低损耗窗口，依靠大气、空气/海水界面和海水作为光信道，实现飞机（或卫星）对水下约300m深度的潜艇通信。这种通信方式具有波束隐蔽、接收天线小、通信速率高、抗干扰和保密性强等优点。
一、水下激光信道激光传输特性研究
根据前人对海水光特性的研究，光波在水下传输所受到的影响可以归纳为以下三个方面：
（1）光损耗：忽略海水扰动和热晕效应，光在海水中的衰减主要来自吸收和散射影响，通常以海水分子吸收系数、海水浮游植物吸收系数、海水悬浮粒子的吸收系数、海水分子散射系数和悬浮微粒散射系数等方式体现。
（2）光束扩散：经光源发出的光束在传输过程中会在垂直方向上产生横向扩展，其扩散直径与水质、波长、传输距离和水下发散角等因素有关。
（3）多径散射：光在海水中传播时，会遇到许多粒子发生散射而重新定向，所以非散射部分的直射光将变得越来越少。海水中传输的光被散射粒子散射而偏离光轴，经过二、三、四等多次散射后，部分光子又能重新进入光轴，形成多次散射。多次散射效应是随着粒子的浓度和辐照体积的大小而变化的，由于多次散射的复杂性，很难通过分析方法得到扩散与水质参数及水下深度间精确的数学关系式，并且受到实验条件和实验经费的限制，不可能对每一种水质、每一个水下深度都进行实验，而且有些特性还很难甚至无法用实验的方法测量。
二、水下激光通信系统组成
水下激光通信主要由三大部分组成：发射系统、水下信道和接收系统。水下激光通信的机理是将激光器发射的激光信号进行时频调制，经过放大后通过透镜将光束以平行光束的形式在信道中传输；接收端由透镜将传输过来的平行光束以点光源的形式聚集到阵列式光检测器上，由光检测器件将光信号转变成电信号，然后进行信号处理，最后由解码器解调出原来的信息。
三、水下激光分集接收系统设计
（1）分集接收基本理论。分集接收技术就是利用不同路径、不同频率、不同信号到达角度、不同时间和不同极化等方式去接收载荷着同一信息的信号，并将同一信息的各个信号分量按照某种方法予以合并的一种信息处理技术，相应地分集接收方式有空间分集、频率分集，角度分集和极化分集和等采用这一技术的目的，分集接收技术是一种抗衰落的有效途径。
（2）分集接收方案。本激光分集接收系统采用频率分集接收技术，用频率间隔大于相关带宽的两载波载荷信息来发送，在接收端分别接收两种频率的载波，再按照一定的方法将其合并输出，以达到抗频率选择性衰落的目的。合并技术中，平方律合并是在振幅和相位都不确知时的一种最佳合并方式，在系统将采用这种合并接收技术。目前的频率分集技术可大体分为两类，一是显分集，二是隐分集，可以用不同频率载波的顺序来载荷信息，本水下光通信系统采用四时四频调制方式，分集接收端也采用时频解调方式，属于一种隐分集技术。
四、硬件电路设计
分集接收系统硬件电路采取多路分集接收方式，对不同方向和不同强弱的信号都能进行接收，这可减少环境光噪声的影响和多径畸变，因为每个单元接收到的与主信号延迟光只有一小部分。在设计光电检测器阵列时应考虑每个光电检测器的尺寸要尽量小，以减小光电检测器的电容，这可增加接收机带宽、减小前置放大器的热噪声，对提高接收机的灵敏度有利。光电检测器阵列以单片集成，共用一个聚光器，放在聚光器的焦平面上，每个光电检测器相当于一个像素。
（1）蓝绿激光探测器。经过对光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管的特性研究，决定采用APD探测器对蓝绿激光进行探测，蓝绿激光波长在470nm-580nm，APD探测器与PIN探测器、PWT探测器相比响应速度快，不需要高压电源，适用于微弱信号的检测和接收。
（2）MIMO通信方式。MIMO技术主要是利用具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。对于分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。MIMO也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。在本系统中MIMO技术也可以算一种天线分集技术。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。
（3）高速时钟与数据恢复（CDR）。CDR电路包括时钟恢复电路与数据恢复电路，同时采样夹杂噪声的数据信号，提取出同步的时钟，恢复数据。具有较小的抖动输出，他也同时决定了对信号进行判决的好坏。
与其他水下激光接收调制方法相比，分集接收技术在水下衰落信道中具有更好的抗衰落特性。水下激光通信中的分集接收技术对今后水下通信方式的研究，提高信号在水下的抗衰落能力以及民用、国防等领域中的水下作业、作战能力等的提高有巨大的理论和现实意义
参考文献：
[1]敖发良，张德琨，李海玲，等.水下激光通信中信号的分集接收[J].激光与红外，2002，32（04）：228～229.
[2]杜竹锋，黄铁侠，卢益民.激光对潜通信的信号检测方法分析[J].激光与红外，1998，28（3）：156-159.
[3]周洋，刘耀进，赵玉虎.LED可见光无线通信的现状和发展方向.淮阴工学院学报.2006年6月，第15卷第3期
[4].周晓迈著黄铁侠指导.激光对潜通信信号解调及信道编码的研究.华中理工大学
[5].杜竹峰著黄铁侠指导.激光水下目标探测及通信的信道特性研究.华中理工大学。
作者简介：吴起鹏（1987.08），男，汉族，吉林长春人，长春理工大学工学学士，从事无线光通信、水下光通信研究。