大動(dòng)態(tài)能量自適應(yīng)藍(lán)/綠激光探測(cè)方法

馬仙仙,李 哲,王凱強(qiáng),王正璽,張可欣

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所光通信研發(fā)中心,石家莊 050081)

1 引 言

海洋探索離不開(kāi)水下通信技術(shù)的支撐。水下通信技術(shù)包括有線通信和無(wú)線通信兩種。有線通信受光纖長(zhǎng)度、成本和維護(hù)等的影響,難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離及靈活性通信。無(wú)線通信包括水聲通信、無(wú)線電通信和無(wú)線光通信[1-2],其中,水聲通信技術(shù)的通信距離遠(yuǎn),但通信速率低,通信延遲高,無(wú)法滿足圖片、視頻等信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸需求;無(wú)線電通信技術(shù)的通信速率可達(dá)Mbps,通信延遲約為數(shù)十分鐘,但其在水下衰減嚴(yán)重,通信距離短;無(wú)線光通信技術(shù)的通信速率最高可達(dá)Gbps,通信延遲低,且與無(wú)線電通信技術(shù)相比,無(wú)線光特別是藍(lán)/綠激光在水下的衰減小,通信距離較遠(yuǎn)[3]。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下無(wú)線光通信技術(shù)展開(kāi)研究。

水下無(wú)線光通信系統(tǒng)(Underwater Optical Wireless Communication,UOWC)一般使用發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)或激光二極管(Laser Diode,LD)作為光源,及光電二極管(Positive Intrinsic-negative,PIN)或雪崩二極管作為(Avalanche Photon Diode,APD)探測(cè)器[4-8]。如2000年,美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制了一套低功耗、低成本的UWOC,其采用LED陣列及PIN作為光源和探測(cè)器,在5 m的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)了115.2 kbps的穩(wěn)定通信[9]。2011年,美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)研制了用于水下無(wú)線光通信的AquaOptical樣機(jī),其采用LED和APD作為光源和探測(cè)器,可在50 m的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)最高0.57 Mbps的雙工通信[10]。2017年,浙江大學(xué)的Song Y等人采用藍(lán)光LED和PIN作為光源和探測(cè)器,在2 m的水下信道上實(shí)現(xiàn)了33.691 Mbps通信等[11]。LED可在水下同時(shí)用于照明和通信,安全性能高,且其發(fā)散角大,降低了UWOC鏈路對(duì)準(zhǔn)的要求[4],但LED調(diào)制帶寬低,限制了鏈路的傳輸速率。

而直接調(diào)制可見(jiàn)光波段的LD帶寬高,信號(hào)傳輸速率可達(dá)Gbps,且其發(fā)散角小,能量集中,從而在UWOC得到日漸廣泛的應(yīng)用[12]。如2015年,Kazuhiko Nakamura等人研制了一套使用藍(lán)光LD和APD作為光源和探測(cè)器的,基于OFDM的高速UWOC,在4.8 m的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)了1.45 Gbps的穩(wěn)定通信[5]。2017年,Xiaojun Liu等人采用不歸零OOK調(diào)制的綠光LD,研制了一套高速、遠(yuǎn)距離的UWOC,最高在34.5 m的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)了2.70 Gbps的通信[13]等。使用LD進(jìn)行水下通信的通信速率高,但由于水體對(duì)激光的吸收作用,當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí),激光衰減嚴(yán)重,PIN和APD的探測(cè)靈敏度難以滿足微弱信號(hào)的探測(cè)要求。

而光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)的探測(cè)面積大,靈敏度高,動(dòng)態(tài)范圍大,可通過(guò)多次倍增實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)[14]。如MIT的Rao H G等人在渾濁的港口水中,使用PMT實(shí)現(xiàn)了具有較寬動(dòng)態(tài)范圍的水下無(wú)線光通信[15]。清華大學(xué)的Liu T等人使用LED和PMT,分別在10 m水下信道實(shí)現(xiàn)了7.5 Mbps的通信和在50 m水下信道實(shí)現(xiàn)了近500 kbps的通信[16]?？梢?jiàn),PMT在一定程度上滿足遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)通信的自適應(yīng)要求,但由于信道對(duì)激光的吸收作用,在近距與遠(yuǎn)距條件下,到達(dá)探測(cè)器的光功率相差幾十甚至上百dB,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了光電倍增管探測(cè)的動(dòng)態(tài)量程,這給信號(hào)的收發(fā)帶來(lái)極大的難度,從而限制了使用LD進(jìn)行水下通信的動(dòng)態(tài)通信距離。

為此,本文提出了一種大動(dòng)態(tài)能量自適應(yīng)藍(lán)/綠激光信號(hào)探測(cè)方法,該方法在UWOC中加入由電控液晶光閥(Electronic Control Liquid Crystal Light Value,EC-LCLV)、PMT及FPGA控制板卡組成的增益可控模塊,該模塊在鏈路功率和探測(cè)器增益兩個(gè)維度對(duì)通信鏈路形成閉環(huán)調(diào)控,以保證PMT工作在最優(yōu)狀態(tài),從而解決了水下通信鏈路近距功率飽和與遠(yuǎn)距功率不足導(dǎo)致的信號(hào)采集失效的矛盾。

2 大動(dòng)態(tài)能量自適應(yīng)藍(lán)/綠激光探測(cè)原理

如圖1所示,UWOC的光學(xué)系統(tǒng)采用共口徑光路形式,包括望遠(yuǎn)分系統(tǒng)、信標(biāo)發(fā)射分系統(tǒng)、信標(biāo)接收分系統(tǒng)、通信發(fā)射分系統(tǒng)和通信接收分系統(tǒng)。其中,信標(biāo)發(fā)射分系統(tǒng)和信標(biāo)接收分系統(tǒng)用于雙端閉環(huán)跟蹤;通信發(fā)射分系統(tǒng)和通信接收分系統(tǒng)用于雙端雙工通信。由于450～550 nm的藍(lán)/綠激光為海洋中的“透光窗口”,系統(tǒng)信標(biāo)光選用440 nm和465 nm波段,通信光選用488 nm和520 nm波段。

圖1 大動(dòng)態(tài)能量自適應(yīng)藍(lán)/綠激光探測(cè)原理

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后,經(jīng)驅(qū)動(dòng)器加載到激光器上,調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡Lc1進(jìn)行準(zhǔn)直后,被二向色鏡DBS反射,然后被快反鏡FM反射后經(jīng)望遠(yuǎn)分系統(tǒng)發(fā)射出去;發(fā)射的光信號(hào)經(jīng)過(guò)水下信道到達(dá)接收端,被望遠(yuǎn)分系統(tǒng)收集,然后經(jīng)快反鏡FM反射后到達(dá)50:50的分光鏡BS,其中反射部分經(jīng)會(huì)聚鏡L1會(huì)聚到CMOS,用于端機(jī)的閉環(huán)跟蹤,透射部分經(jīng)二向色鏡DBS透射后經(jīng)會(huì)聚鏡L2會(huì)聚到探測(cè)器,用于系統(tǒng)通信。

在探測(cè)部分,本文采用EC-LCLV、增益可調(diào)PMT以及FPGA控制板卡組成的增益可控模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)UWOC使用的探測(cè)器,從而PMT接收信號(hào)的幅值Vpp可表示為:

Vpp=I0fG(VG)fT(VT)

(1)

式中,I0為激光器功率;fG(VG)為PMT增益與控制電壓VG的函數(shù);fT(VT)為EC-LCLV透過(guò)率與控制電壓VT的函數(shù)。

從而FPGA板卡探測(cè)到的光功率P為:

(2)

如圖2所示,PMT接收到光信號(hào),將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)進(jìn)行放大,由高速ADC輸入FPGA板卡,FPGA對(duì)當(dāng)前的通信質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,若不滿足指標(biāo)要求,則通過(guò)低速DAC對(duì)PMT和EC-LCLV進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控,在鏈路功率與PMT增益兩個(gè)維度進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié),以保證PMT工作在最優(yōu)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)鏈路中不同光功率的高精度探測(cè)。

圖2 EC-LCLV與PMT聯(lián)合調(diào)控原理

2.1 PMT增益調(diào)節(jié)

在增益調(diào)節(jié)維度,使用增益可調(diào)的PMT作為探測(cè)器,其具有高靈敏度的特點(diǎn),可通過(guò)多次倍增,對(duì)及其微弱的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。PMT的增益可表示為:

G=αnmknVGkn

(3)

式中,n為PMT內(nèi)部倍增電極數(shù)量;α為常數(shù),其與PMT的收集效率及二次電子發(fā)射材料有關(guān);k為常數(shù)。

由式可知,PMT增益與控制電壓VG呈指數(shù)關(guān)系,可通過(guò)VG對(duì)PMT增益進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控。

但PMT能接收的光功率強(qiáng)度存在一定范圍,該范圍與靈敏度成反比,選用PMT的靈敏度越高,其可探測(cè)的最高光功率越小,當(dāng)通信鏈路處于近距通信時(shí),產(chǎn)生的強(qiáng)光信號(hào)將引起PMT的疲勞損傷,進(jìn)而無(wú)法正常工作。由此可見(jiàn),通過(guò)調(diào)節(jié)PMT的增益,可改變到達(dá)FPGA板卡信號(hào)的功率大小,在一定程度上實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的控制,但本質(zhì)上,并未改變?nèi)肷涞絇MT的光信號(hào)的功率,通信鏈路依然存在接收動(dòng)態(tài)范圍受限的問(wèn)題。

2.2 鏈路功率調(diào)節(jié)

從而在鏈路功率調(diào)節(jié)維度,使用EC-LCLV作為鏈路功率調(diào)節(jié)器,如圖3所示,其由玻璃基板、透明電極、光導(dǎo)基膜與液晶分子、偏振片等組成,透明電極可為液晶分子提供偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),兩玻璃基板間的光導(dǎo)基膜可使液晶分子按照特定方向進(jìn)行排列,兩端的偏振片可用于改變?nèi)肷涔馐钠穹较颉?/p>

圖3 EC-LCLV調(diào)控原理

液晶具有各向異性,當(dāng)光束入射到液晶時(shí),會(huì)分解為振動(dòng)方向與液晶晶體光軸垂直的尋常光(o光)以及平行的非常光(e光),假設(shè)液晶對(duì)o光和e光的折射率分別為no和ne。當(dāng)無(wú)外加電場(chǎng)時(shí),液晶分子平行于玻璃基板方向進(jìn)行排列,no和ne差別最大,此時(shí)的狀態(tài)可用式的等效折射率差Δn進(jìn)行表征[17]:

Δn=no-ne

(4)

當(dāng)有外加電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到閾值電壓時(shí),液晶分子光軸的取向會(huì)逐漸向電場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致Δn的變化,進(jìn)而影響到入射光透過(guò)液晶的相位延遲量δ,相位延遲量δ與外加電壓VT的關(guān)系為:

(5)

式中,d為液晶厚度;λ為入射光波長(zhǎng)。由式可知,通過(guò)調(diào)節(jié)外加電場(chǎng),可精準(zhǔn)控制光波透過(guò)液晶的相位延遲量。

進(jìn)一步地,入射光束經(jīng)過(guò)偏振片1后變?yōu)榫€偏光垂直入射到液晶上,如圖4所示,假設(shè)平行于液晶光軸方向?yàn)閤軸,垂直于液晶光軸方向?yàn)閥軸,偏振片1的透光軸P1與x軸的夾角為α,偏振片2的透光軸P2與x軸的夾角為β。偏振片1和偏振片2的偏振方向垂直,根據(jù)幾何關(guān)系有:

圖4 偏振片與透光軸夾角

β=α+90°

(6)

假設(shè)光束通過(guò)偏振片1后的振幅為E,則其在x軸和y軸上的投影分別為Ecosα和Esinα,對(duì)應(yīng)E液晶中中所分解的o光和e光的振幅分別為:

(7)

分解后的o光和e光通過(guò)偏振片2后的振幅為:

(8)

兩束光線o光和e光通過(guò)偏振片2時(shí)的振動(dòng)方向相同。由于雙折射效應(yīng),產(chǎn)生一定的相位延遲δ,因此在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生干涉。根據(jù)光的干涉疊加原理,此時(shí)的光強(qiáng)為:

(9)

則光束經(jīng)過(guò)EC-LCLV后的透射光強(qiáng)為:

(10)

式中,I0為初始入射光強(qiáng),其正比于光振幅的平方;k′為比例系數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)EC-LCLV兩端電壓改變內(nèi)部液晶的相位延遲量δ可連續(xù)改變透射光的強(qiáng)度。因此通過(guò)控制電壓的變化可以對(duì)EC-LCLV的透光率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控的光強(qiáng)衰減。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖1所示原理,搭建了如圖5所示的大動(dòng)態(tài)能量自適應(yīng)藍(lán)/綠激光探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)中水箱長(zhǎng)約8 m,采用488 nm的藍(lán)光激光器,濱松公司的H10720-210型增益可調(diào)PMT以及Meadowlark optics公司的B22920型EC-LCLV。其中H10720-210型PMT的探測(cè)靈敏度為100 mA/W,可調(diào)增益范圍為103～107;B22920型EC-LCLV的衰減范圍為43.53 %(1.9 V)～0 %(7.7 V)。實(shí)驗(yàn)時(shí),設(shè)置激光器的偏置為35.4 mA,使用任意信號(hào)發(fā)生器及Bias-T對(duì)激光器加載頻率為5 MHz、峰峰值電壓為500 mV的方波信號(hào)。

圖5 用于UWOC的大動(dòng)態(tài)能量自適應(yīng)藍(lán)/綠激光探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

首先對(duì)遠(yuǎn)距通信條件下的微弱光信號(hào)進(jìn)行探測(cè),由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的水箱尺寸較短,在鏈路中加入了20 dB的可見(jiàn)光衰減片,通過(guò)FPGA板卡對(duì)PMT增益進(jìn)行調(diào)控,PMT探測(cè)到的信號(hào)如圖6所示。

圖6 微弱信號(hào)條件下PMT探測(cè)結(jié)果

將通信鏈路中的可見(jiàn)光衰減片去除,對(duì)近距通信條件下的強(qiáng)光信號(hào)進(jìn)行探測(cè),通過(guò)FPGA板卡對(duì)EC-LCLV電壓進(jìn)行調(diào)控,使鏈路中功率進(jìn)行衰減,PMT探測(cè)到的信號(hào)如圖7所示。

圖7 強(qiáng)光信號(hào)條件下PMT探測(cè)結(jié)果

根據(jù)所示圖6和圖7結(jié)果,可知利用FPGA板卡對(duì)PMT增益和EC-LCLV電壓進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控,使進(jìn)入ADC的信號(hào)始終滿足其電平要求,從而使通信鏈路始終處于穩(wěn)定狀態(tài)下。

4 結(jié) 論

本文提出一種用于UWOC的大動(dòng)態(tài)自適應(yīng)藍(lán)/綠激光信號(hào)探測(cè)方法,該方法在UWOC中加入由EC-LCLV、增益可調(diào)PMT及FPGA控制板卡組成的增益可控模塊,增益可控模塊在鏈路功率和探測(cè)器增益兩個(gè)維度對(duì)鏈路形成閉環(huán)調(diào)控,以保證PMT工作在最優(yōu)狀態(tài)。搭建試驗(yàn)裝置,對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明,在近距功率飽和的強(qiáng)光狀態(tài),以及在遠(yuǎn)距功率不足的微弱光狀態(tài)下,通過(guò)PMT和EC-LCLV的聯(lián)合調(diào)控,可使進(jìn)入FPGA板卡的信號(hào)滿足ADC的輸入電平要求,從而保證通信鏈路的自適應(yīng)穩(wěn)定性,為水下遠(yuǎn)距離、高速通信系統(tǒng)中光信號(hào)的大動(dòng)態(tài)探測(cè)提供一種技術(shù)手段。