水下光通信的信道分析研究

王 菲

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

目前，水下無線通信主要采用的是聲學(xué)通信技術(shù)。水聲通信技術(shù)相較于激光來說，具有通信距離遠、通信可靠性高等優(yōu)點[1-3]，并且，聲學(xué)通信技術(shù)在淺海和深海的水下無線通信領(lǐng)域中被大量采用。盡管如此，水下聲學(xué)通信技術(shù)也還是有著諸多不足之處，如傳遞速率相對較低、可用帶寬不足、安全性相對較差[4]。水下激光通信是相對理想的水下通信技術(shù)，它作為一種高速水下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男路椒?，被廣泛應(yīng)用于技術(shù)和科研方面。

1 海水深度對于水下光通信的影響

海水深度越深，激光在海水中傳輸時，其能量衰減越厲害，信號畸變度也越大[5-6]。尤其是多變的海水信道，深海與淺海處所含物質(zhì)的量的多少，是影響水下光通信的一個重要因素。根據(jù)長期實際觀測結(jié)論，在近海區(qū)，海水的混濁度隨著深度增加，在10-20m處可達到最大值[7]。圖1為近海區(qū)傳輸距離與接收功率的關(guān)系。

由于近海海水中的物質(zhì)比深海處更為復(fù)雜，所以其水下傳輸受到的影響也更多。通過分析圖1不難發(fā)現(xiàn)，綠光的傳輸特性是最好的，所以，選擇在近海處的水下光通信系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用綠色光譜，能達到最優(yōu)性能。但隨著水深的不斷增加，其水質(zhì)又逐漸變清，在水深3000m以下趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出純海水水質(zhì)。圖2為深海水域中傳輸距離與接收功率的關(guān)系，從圖中可以看出，深海區(qū)各種顏色的光傳輸特點相差不大，其中藍色光能稍微優(yōu)于其他色光，這點與純海水下的吸收和散射系數(shù)一樣，沒有太大的差距。

圖1 近海水域收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線

圖2 深海水域收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線

2 聚光設(shè)備的鏈路性能的影響

一般來說，一整套水下光通信系統(tǒng)都會配備聚光設(shè)備，分別安裝在發(fā)送端和接收端，其目的都是為了更好傳輸與接收光信號。為了解聚光設(shè)備是否對其有促進作用，會對有聚光設(shè)備的系統(tǒng)和無聚光設(shè)備的系統(tǒng)進行分析并作出對比，從而分析水下光通信系統(tǒng)的性能。圖3、圖4為無聚光設(shè)備和有聚光設(shè)備時，深海水域和近海水域的光通信信道脈沖分別進行仿真對比分析。圖中橫坐標(biāo)為以發(fā)送端發(fā)送脈沖信號為起始點的時間軸，縱坐標(biāo)則是接收端相對于發(fā)送信號的能量衰減情況。

圖3 無聚光設(shè)備時，不同水質(zhì)中的光通信信道脈沖響應(yīng)曲線

圖4 有聚光設(shè)備時，不同水質(zhì)中的光通信光功率曲線

由圖3、圖4曲線比較可得，有聚光設(shè)備的比沒有聚光設(shè)備的系統(tǒng)衰減更慢。由此可以推出，光在水下進行傳輸時，聚光設(shè)備對于光傳輸距離的影響非常重要，說明遠距離的光傳輸必須配備好的聚光設(shè)備。

3 結(jié)束語

本文通過仿真分析分別對近海、深海的光通信傳輸距離及其影響因素作了分析，對聚光設(shè)備實現(xiàn)遠距離通信的作用進行了研究，得到了以下結(jié)果：一是不同海域所含物質(zhì)的量不同，所以深海與近海處的傳輸規(guī)律還是有較大區(qū)別；二是發(fā)送端和接收端的聚光設(shè)備對于水下光通信的傳輸具有重要意義，有助于實現(xiàn)遠距離傳輸?shù)哪繕?biāo)。