基于可見光的水下激光傳輸信道的特性分析

王 菲，楊 祎，段作梁，朱云周，高 卓

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安710121；2.中國船舶重工集團公司 第七〇五研究所，西安710075）

基于可見光的水下激光傳輸信道的特性分析

王 菲1，楊 祎1，段作梁1，朱云周2，高 卓2

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安710121；2.中國船舶重工集團公司 第七〇五研究所，西安710075）

分析激光束在海水光學(xué)信道中的吸收特性和散射特性，研究在不同波長下的不同雜質(zhì)和不同雜質(zhì)濃度與信道衰減特性關(guān)系，建立了激光信號海水信道傳輸模型。利用該模型，根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)對波長530nm的信號傳輸特性進行了仿真分析，得到了不同波長時的系統(tǒng)接收功率范圍，及530nm波長時系統(tǒng)在不同靈敏度下的傳輸距離。

激光束；海水信道；水下激光通信

0 引言

目前水下通信采用的聲學(xué)通信方法有著通信距離遠、通信可靠性高等優(yōu)點，但水下聲學(xué)通信傳輸速率低、可用帶寬有限。而光學(xué)通信技術(shù)擁有更高的速率和更好的寬帶優(yōu)勢[1]，可以克服水下聲學(xué)通信的缺陷，大幅提高傳輸容量。研究發(fā)現(xiàn)，可見光中的藍綠光波段在水中的衰減比其它光波段的衰減要小很多，類似于大氣中的透光窗口[2]。又由于藍綠激光的穿透能力強，工作頻率高，方向性好，傳送信息量大，抗干擾能力強，因此藍綠光激光通信是一種理想的水下通信方式。但是激光在海水信道中受海水雜質(zhì)和水分子的影響，信號在海水中傳輸?shù)臋C理不是很確定，所以水下激光通信系統(tǒng)的設(shè)計缺乏理論依據(jù)。本文針對海水水質(zhì)的光學(xué)特性進行了分析，建立了海水信道模型，并給出了系統(tǒng)參數(shù)與傳輸距離關(guān)系。

1 海水信道的光學(xué)特性

海水的光學(xué)特性與純海水、溶解物和懸浮體這三種因素有關(guān)。海水中的各種成分主要有兩個重要的光學(xué)性質(zhì)[3]，一是海水中各種成分對光的吸收作用，另一個是海水中各成分對光的散射作用。這兩個光學(xué)特性會造成海水中光傳輸?shù)乃p特性，因此海水總的衰減系數(shù)為海水吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和。

1.1 海水信道的光學(xué)吸收特性

海水的吸收特性與海水中所含物質(zhì)的成分密切相關(guān)。海水中的主要成分有純海水、浮游植物、非色素懸浮粒子和黃色物質(zhì)。所以，海水的吸收系數(shù)為海水中各種物質(zhì)成分吸收系數(shù)之和。

純海水是指純水與35‰溶解鹽組成的液體。對于可見光來說，純水的吸收系數(shù)與純海水的吸收系數(shù)非常接近[4]。因此，可以用純水對光的吸收系數(shù)來近似表示純海水的光吸收系數(shù)?？茖W(xué)家研究表明，波長為530nm的光吸收系數(shù)αs(530)=0.0505m-1[5]。

本文選取的是葉綠素a濃度為5mg/m3的浮游植物[6]。浮游植物的吸收系數(shù)如式（1）所示[7]：

式中chl為葉綠素a濃度(mg/m3)，A(λ)為參考波長在λ=440nm時某一波長進行歸一化的單位吸收系數(shù)[5]。因此葉綠素a濃度為5mg/m3的浮游植物在波長為530nm時的吸收系數(shù)αf(530)=0.0649m-1。

黃色物質(zhì)對光只有單一的吸收作用，黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)如式（2）所示[8]：

式中ah(λ0)是參考波長為λ0=440nm時黃色物質(zhì)的吸收系數(shù)[9]，一般取αh(440)=0.243m-1[3]，S為光的吸收譜斜率，常在0.011～0.0172之間[11]，通常取平均值0.014。因此波長 530nm的黃色物質(zhì)的吸收系數(shù) αh(530)= 0.0689m-1。

非色素懸浮粒子的吸收系數(shù)如式（3）所示[10]：

式中αl(λ0)為參考波長λ0=440nm時非色素懸浮粒子光吸收系數(shù)，光吸收譜斜率S的平均值為0.01±0.00212]。本文取αl(440)=0.198m-1[5]，吸收譜斜率S取平均值0.01。波長530nm非色素懸浮粒子光吸收系數(shù)αl(530) =0.0805m-1。

1.2 海水信道的光學(xué)散射特性

海水總散射系數(shù)是純海水、浮游植物及非色素懸浮粒子的散射系數(shù)之和。研究表明，對黃綠光來說，純海水的散射系數(shù)與純水的散射系數(shù)非常接近[4]。因此可以用純水對光的散射系數(shù)來近似表示純海水的光散射系數(shù)。科學(xué)家研究表明波長為530nm純水的散射系數(shù)βs(530)=0.0017m-1[5]。

海水中浮游植物產(chǎn)生的散射作用如式（4）所示[10]：

式中Bc為一個介于0.12～0.45之間的常數(shù)，一般取平均值0.3。因此，當(dāng)chl為5mg/m3的浮游植物在波長為530nm時的散射系數(shù)為βf(530)=0.8444m-1。

非色素懸浮粒子的散射系數(shù)如式（5）所示[13]：

式中D'是非色素懸浮粒子的質(zhì)量濃度（mg/L）。通常海水中，非色素懸浮粒子的質(zhì)量濃度范圍大約在0.01～3mg/L之間。因此濃度為1mg/L的非色素懸浮粒子在波長為530nm時的散射系數(shù)βl(530)=0.1297m-1。

2 基于光束擴展的光功率傳輸特性

光波在水下傳輸過程中不僅要考慮到水體對其的衰減影響，還要考慮光束擴展對光的損耗。若激光光束在接收器視場角范圍內(nèi)，則接收平面的光功率分布可近似為均勻的[14]。 光束擴展后的功率可用有效接收面積和光斑面積的比值來表示[14]，即光束擴展后的功率在視場角范圍內(nèi)為均勻分布。光源的發(fā)射裝置會在發(fā)光過程中產(chǎn)生一定的損耗，即發(fā)射效率ηt。接收端的接收光束會受到接收天線、光學(xué)設(shè)計等影響，產(chǎn)生接收損耗，即接收效率ηr。綜合上述各種因素條件，海水中的激光傳輸?shù)慕邮展β史匠炭杀硎緸椋?/p>

其中，Pt是發(fā)射光功率，Pr是接收光功率，ar為光學(xué)接收天線的孔徑半徑，at為發(fā)射機的發(fā)射孔徑半徑，θ為光源的發(fā)光光束的發(fā)散角，c為海水總衰減系數(shù)，其中海水總的衰減系數(shù)c與激光波長λ、葉綠素a濃度chl和非色素懸浮粒子濃度D有關(guān)，d為水下通信距離。

3 海水中的激光傳輸特性仿真結(jié)果及分析

考慮到實際系統(tǒng)所用的光源為激光器，根據(jù)市面上激光器的功率和發(fā)散角參數(shù)，本文選取參數(shù)如下：發(fā)射功率Pt=150mW，通過透鏡聚焦發(fā)散光斑半徑at為1.5mm，光束的發(fā)射角為1.35mrad。接收端未采用光學(xué)接收天線時，根據(jù)光電檢測器參數(shù)，在視場角范圍接收半徑ar為3mm。根據(jù)前文可知，海水的總衰減系數(shù)為1.2411m-1，本文選取的是葉綠素a濃度chl為5mg/m3的浮游植物和濃度D為1mg/L的非色素懸浮粒子，根據(jù)表1參數(shù)設(shè)置，本文仿真得到不同傳播距離時的接收功率與波長的關(guān)系。

表1 實驗裝置參數(shù)

從圖1中可以看出，無論傳輸距離多遠，在波長450～700nm之間的接收功率較大，即傳輸信道的衰減對信號功率的影響較小，其中550nm波長左右的接收效果最好。比較市場上的激光器產(chǎn)品，530nm的激光器性價比較好，所以本文仿真采用530nm的激光器作為光源。

圖1 接收功率與波長關(guān)系

根據(jù)表1中的參數(shù)和純海水衰減系數(shù)cs(530)= 0.0522m-1以及含雜質(zhì)海水總衰減系數(shù) c(530)= 1.2411m-1，本文仿真得到波長為530nm激光的接收功率與傳播距離的關(guān)系如圖2所示。

圖2 接收光功率與傳播距離的關(guān)系

在相同水域中，即相同雜質(zhì)和雜質(zhì)濃度時，根據(jù)接收機靈敏度即最小接收功率的要求，信號可傳輸?shù)木嚯x不同。當(dāng)傳輸距離一定時，接收功率隨著發(fā)射功率的增大而增大。對比圖2(a)和圖2(b)可知，在純海水中激光傳輸距離遠遠大于在含各種雜質(zhì)的海水中傳輸?shù)木嚯x。由此可見，純海水對光信號的衰減影響遠小于含有雜質(zhì)海水對光信號的衰減影響。

4 結(jié)束語

從以上的研究和分析可以看出，激光在海水中的傳輸特性主要表現(xiàn)為衰減特性。影響激光信號在海水中傳輸特性的因素主要有海水成分的吸收特性、散射特性以及光束的擴展特性。通過選擇信道參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，對海水信道傳輸模型進行的仿真，我們可以看出在波長為500～600nm之間，海水中的信道衰減特性對激光信號的影響最小，即海水中激光傳輸?shù)慕邮展β首畲?。?dāng)波長為530nm、光源發(fā)射功率為150mW、接收機靈敏度為-30dBm時，綜合考慮海水雜質(zhì)對光的吸收和散射特性，光傳輸距離可達8m左右；若海水純凈，各種雜質(zhì)可以忽略，同樣的接收機靈敏度時，光傳輸距離可達80m以上。

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Characteristic analysis of underwater laser signal transmission channel based on visible light

WANG Fei1，YANG Yi1，DUAN Zuo-liang1，ZHU Yun-zhou2，GAO Zhuo2
(1.School of Electronic Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications,Xi'an 710121,China;2.China Shipbuilding Industry Corporation 705 Institute,Xi'an 710075,China)

Firstly,absorption characteristics and scattering characteristics of laser beam in the sea of optical channel are analysed in this paper,and the relationships of channel attenuation characteristics and different composition and the concentration of different components in the wavelength of light are researched,then seawater channel transmission model of laser beam is established.After that,the channel of signal transmission characteristics in 530nm wavelength are simulated and analysed in using the model and parameters of actual system,then the range of system received powers of different wavelengths and system transmission distances of different received sensitivity in 530nm wavelength are gotten.

laser beam,the seawater channel,underwater laser communication

TN929.12

A

1002-5561（2016）03-0026-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.008

2015-11-25。

陜西省教育廳專項科研計劃（15JK1681）資助。

王菲（1990-），女，碩士研究生，主要從事光通信的研究。