梁靜遠(yuǎn)，王醒醒，李 征，張曉丹，宋 鵬，趙 黎，柯熙政，4，*

（1. 西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2. 西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710600；3. 西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；4. 陜西省智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)軍民融合共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

0 引言

水下無線光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC）是以光作為載波實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)囊环N通信方式。UWOC 的優(yōu)點(diǎn)有通信速率高、時(shí)間延遲小、安全性好、成本低等。近年來，研究者們對UWOC 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，包括調(diào)制編碼技術(shù)、探測技術(shù)、光源選擇及信道模型的建立等方面。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和6G 時(shí)代的到來，把結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的無線光通信應(yīng)用到海洋的探索必定是未來發(fā)展的趨勢，而研究水下通信中的關(guān)鍵技術(shù)是為未來海洋的探索提供方法和技術(shù)。

本文通過對UWOC 的傳輸特點(diǎn)進(jìn)行簡單的介紹，總結(jié)并討論了UWOC 中的關(guān)鍵技術(shù)和進(jìn)展，包括信道建模、光源的選擇、編碼調(diào)制技術(shù)及探測技術(shù)，并總結(jié)了UWOC 面臨的難點(diǎn)及未來的發(fā)展方向。

1 水下無線通信

人們對海洋的探索需要實(shí)時(shí)高速的通信來傳輸音頻、圖片和視頻等信息。傳統(tǒng)的通信利用有線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，如光纖、電纜。但是有線通信受水下環(huán)境影響非常大，存在維護(hù)困難及費(fèi)用較高等問題，所以近年來為了克服有線通信的缺點(diǎn)，人們把無線通信利用在水下通信系統(tǒng)中。水下無線通信使得我們對海洋的探索得以實(shí)現(xiàn)，也受到了越來越多研究者的關(guān)注。水下無線通信包括水聲通信、水下射頻通信和水下光通信[1]。

現(xiàn)在比較成熟的是利用聲波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水下無線通信，也是應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。經(jīng)過2 次世界大戰(zhàn)之后，水聲通信得到了迅速的發(fā)展[2]。由于聲波屬于機(jī)械波，在水中的衰減很小，所以聲波在水中的傳輸距離比較長，但是聲波在水下傳輸時(shí)需要的時(shí)間延遲比較大，通信速率只能達(dá)到 kbps量級[3]。聲波在短距離、無多徑效應(yīng)下的帶寬很難超過 50 kHz[4]，而在復(fù)雜的環(huán)境中，聲波的通信速率可能會(huì)低于 1 kbps[5]。聲波通信對海洋中的生物也有害[6]，而且容易被竊取，保密性差，系統(tǒng)設(shè)備體積龐大，功耗大，無法滿足水下通信體積小、功耗低的要求[7]。

射頻信號在水下的穿透能力與射頻信號頻率有關(guān)。低頻射頻信號的頻率范圍是30 kHz ～ 300 kHz，在水中傳輸距離是幾米；甚低頻射頻信號的頻率范圍是0.003 kHz ～ 30 kHz，在水中的傳輸距離是10 ～20 m；極低頻射頻信號的頻率范圍是30 kHz ～ 300 kHz，在水中的傳輸距離是100 ～ 200 m[7]。潛艇等水下設(shè)備通常使用超低頻和甚低頻進(jìn)行有限的通信，通信速率只有300 bps 左右[8]。但產(chǎn)生低頻、甚低頻、極低頻的信號，需要極大功率的發(fā)射天線[9]。由于海水的導(dǎo)電性非常好，會(huì)激起感應(yīng)電流消耗掉電磁波的能量，使射頻信號在水下傳輸時(shí)受到嚴(yán)重的衰減，導(dǎo)致射頻信號在水下通信距離有限，僅適用于近距離的水下通信，無法完成未來遠(yuǎn)距離、高速率的水下信息傳輸任務(wù)[10]。

由于水聲通信和射頻通信有著有一定的局限性，所以UWOC 才得以發(fā)展。光通信因其具有更高的頻譜效率而被作為一種新興的技術(shù)，受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注?？梢姽馔ㄐ艙碛懈哳l段的頻譜（400 THz ～ 800 THz），適用于高速通信技術(shù)，通信距離可達(dá)百米，通信速率高達(dá)Gbps 量級[11]，而且其體積比前2 種小得多，帶寬利用率高，耗能比較低，光束指向性好，發(fā)散角小，安全性高[12]。由于光波的頻率高于聲波和電磁波，因而使其具有較強(qiáng)的信息承載能力，可構(gòu)建大容量的無線通信系統(tǒng)[13]?；谶@些優(yōu)勢，UWOC 技術(shù)成為水下通信的研究熱點(diǎn)。但是UWOC 也存在不足之處，由于光在水下傳播時(shí)受水下信道的散射吸收和水下湍流的影響，使其通信距離受到了限制。表1 是對不同水下無線通信技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析。

表1 不同水下無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of different underwater wireless communication technologies

book=217,ebook=102

2 水下無線光通信系統(tǒng)的模型及研究現(xiàn)狀

2.1 系統(tǒng)模型

水下光通信系統(tǒng)包括發(fā)射設(shè)備、水下信道和接收設(shè)備3 大部分，圖1 是水下無線光通信系統(tǒng)的模型。發(fā)射端包括光源、信號處理、編碼調(diào)制處理、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射天線；接收端包括探測器、譯碼解調(diào)處理、濾波器和輸出信號單元。水下信道比較復(fù)雜，理論上可以認(rèn)為水下信道包括水下湍流信道、吸收散射因子等影響通信的因素和噪聲。水下無線光通信系統(tǒng)的工作原理為：在發(fā)射端，將發(fā)送的信號經(jīng)編碼器編碼后，由調(diào)制器將其轉(zhuǎn)換為隨信號變化的電流，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路把電流加載到光源上，最后通過發(fā)射天線發(fā)射出去。在接收端，接收天線將發(fā)送過來的光束進(jìn)行匯聚到探測器表面，然后探測器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過解調(diào)器對信號進(jìn)行解調(diào)，最后恢復(fù)出原始的信息。

圖1 水下無線光通信系統(tǒng)Fig. 1 Underwater wireless optical communication system

2.2 國外研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)60 年代起，人們就開始了對水下光通信系統(tǒng)的研究與探索[1]。1963 年，DUNTLEY 等人[14]發(fā)現(xiàn)470 ～ 570 nm 的藍(lán)綠光在水中的衰減比其它波段要小得多，也即存在一個(gè)低耗能窗口。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為后來的水下光無線通信系統(tǒng)研究中光源的選擇提供了參考。

水下無線光通信最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的對潛通信中。1968 年，GORDON[15]首次論證了水下激光測量的可行性并建立了世界上第1 個(gè)利用激光技術(shù)測量海水深度的系統(tǒng)。1976–2010 年，國外科研人員完成了初步的UWOC 可行性的實(shí)驗(yàn)，并得到了一系列的研究成果，如提出了不同的方法來設(shè)計(jì) UWOC 通信系統(tǒng)，采用不同的調(diào)制技術(shù)使UWOC 系統(tǒng)的通信距離達(dá)到最大。具體的實(shí)驗(yàn)成果在表2 和表3 中有簡要的介紹。下面是近年來UWOC 系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

2010 年，SIMPSON 等人[16]采用了數(shù)字信號處理和糾錯(cuò)技術(shù)，把470 nm 的LED 作為發(fā)射光源，用光電倍增管作為接收端的探測器，分別在3 m 和7.7 m 的水箱中進(jìn)行了測試，測試速度為5 Mbps，該實(shí)驗(yàn)在誤碼率為10–5的情況下，信噪比與未編碼數(shù)據(jù)相比改善了提高了4 dB。

2011 年，VUCIC 等人[17]使用大功率白光LED作為光源，雪崩光電二極管作為接收端的探測器，采用正交幅度調(diào)制的方式，成功完成了數(shù)據(jù)傳輸速率為513 Mbps，誤碼率小于2×10–3的水下實(shí)驗(yàn)。

2012 年，GABRIEL 等人[18]用532 nm LED 發(fā)射器和硅PIN 光電二極管接收器，并采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，通過研究誤碼率對該系統(tǒng)進(jìn)行了評估，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Gbps，通信距離為20 m、誤碼率為10–6的水下實(shí)驗(yàn)。

2013 年，COSSU 等人[19]使用2 個(gè)低成本發(fā)光二極管陣列作為光發(fā)射器，1 個(gè)雪崩光電二極管模塊作為接收器，采用Manchester 編碼方式，在一個(gè)直徑為3.3 m 的室外水箱中成功實(shí)現(xiàn)了通信速率為6.25 Mbps 的水下實(shí)驗(yàn)，而采用離散多音調(diào)制方式時(shí)，通信速率高達(dá)58 Mbps。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所有實(shí)驗(yàn)條件下都可以實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。

2014 年，HISKETT 等人[20]用450 nm 的激光二極管作為發(fā)射端的光源，接收端采用硅雪崩光電二極管設(shè)計(jì)了一套水下通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1 m 長的水槽中數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)45.32 Mbps，誤碼率為1.8×10–4。

2015 年，NAKAMURA 等人[21]利用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測–正交頻分復(fù)用的方法，采用雪崩光電二極管作為探測器，完成了405 nm 的藍(lán)色激光二極管在4.8 m 的水下通道中傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，通信速率高達(dá)1.45 Gbps，誤碼率為9.4×10–4。

2016 年，OUBEI 等人[22]使用商用TO-9 封裝book=218,ebook=103的520 nm 辮狀激光二極管和雪崩光電二極管，并用非歸零–開關(guān)鍵控調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)了傳輸距離超過7 m，接收數(shù)據(jù)的誤碼率為2.23×10–4，通信速率高達(dá)2.3 Gbps 的高速水下通信實(shí)驗(yàn)。

2017 年，OUBEI 等人[23]采用TO-9 封裝的450 nm 辮狀激光二極管，采用16–正交幅度調(diào)制–正交頻分復(fù)用的調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了傳輸距離為5.4 m，通信速率高達(dá)4.8 Gbps，誤碼率為2.6×10–3，信噪比為15.63 dB 的高速水下通信實(shí)驗(yàn)。

2018 年，HALAFI 等人[24]設(shè)計(jì)了一種在水下能實(shí)現(xiàn)雙向通信的水下視頻傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的上行和下行鏈路的發(fā)射光源分別是450 nm 藍(lán)色激光二極管和520 nm 綠色激光二極管，接收端探測器使用的都是雪崩光電二極管，在通信距離為4.5 m時(shí)，采用16–正交幅度調(diào)制和64–正交幅度調(diào)制的方式時(shí)，通信速率可達(dá)30 Mbps，在港口海水中的峰值信噪比高達(dá)16 dB。

2019 年，TSAI 等人[25]提出并演示了一個(gè)采用四電平脈沖幅度調(diào)制的水下無線激光傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在12.5 m 管道水下通道/2.5 m 高濁度港口水下通道上配備了一個(gè)光束縮束/擴(kuò)束器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為15 Gbps/30 Gbps，接收數(shù)據(jù)的誤碼率為2.4×10–7/2.4×10–6的水下實(shí)驗(yàn)。在高度混濁的海港水下鏈路中，四電平脈沖幅度調(diào)制系統(tǒng)的光接收器接收到的大量散射光，會(huì)隨著配備了光束縮束/擴(kuò)束器而變得更好。

2020 年，RAMAVATH 等人 使用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，利用雙曲正切分布計(jì)算了單輸入單輸出、單輸入多輸出、多輸入單輸出和多輸入多輸出鏈路在非編碼和RS 編碼情況下的新的閉合形式解析誤碼率表達(dá)式，并用蒙特卡羅仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在水下的數(shù)據(jù)傳輸速率為500 Mbps，通信距離為30 m，接收數(shù)據(jù)的誤碼率為10–5，實(shí)現(xiàn)了潛艇間通信、潛艇到碼頭通信、采集海洋參數(shù)的傳感器之間的通信和聚合設(shè)備等水下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2020 年，ARVANITAKIS 等人[27]使用6 個(gè)450 nm 發(fā)光二極管陣列作為發(fā)射光源，接收端探測器使用的是PIN 光電二極管，采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，成功實(shí)現(xiàn)了通信速率為4.92 Gbps/3.22 Gbps/3.4 Gbps，通信距離為1.5 m/3 m/4.5 m，誤碼率為1.5×10–3/1.1×10–3/3.1×10–3的水下通信實(shí)驗(yàn)。

2022 年，KONG 等人[28]提出了一種擴(kuò)散視距的2K 實(shí)時(shí)數(shù)字視頻水下監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用458 nm發(fā)光二極管作為光源，視頻流通過由視頻編碼和開關(guān)鍵控調(diào)制組成的發(fā)送器電路進(jìn)行處理，在1.5 m 純水通道、1.53 mL/s 氣泡誘導(dǎo)的湍流純水通道等多種通道，實(shí)現(xiàn)了通信速率為2.5 Mbps，接收數(shù)據(jù)的誤碼率為5.31×10–4的實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)。

依據(jù)水下光通信系統(tǒng)模型的建立可將國外研究現(xiàn)狀總結(jié)如表2 所示。而依據(jù)水下光通信系統(tǒng)中的通信速率分別為kbps，Mbps，Gbps，可將國外研究進(jìn)展總結(jié)如表3 所示。

表2 水下光通信系統(tǒng)模型的國外研究進(jìn)展Table 2 Research progress of underwater optical communication system models abroad

表3 通信速率分別為kbps、Mbps、Gbps 級的國外研究進(jìn)展Table 3 Overseas research progress on communication rates of kbps, Mbps and Gbps respectively

book=219,ebook=104

從UWOC 系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀可以看出，研究人員企圖通過水下無線光通信的調(diào)制方式和選擇不同的光源來提高數(shù)據(jù)傳輸速率，增大傳輸距離，并通過各種仿真模型對水下無線光通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，將仿真得到的通信速率、通信距離等數(shù)據(jù)分析與工程試驗(yàn)進(jìn)行對比，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論數(shù)據(jù)的推導(dǎo)，從而使得水下無線光通信系統(tǒng)的通信性能得以提升。

2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國是從20 世紀(jì)90 年代開始研究水下光通信對潛技術(shù)。1995–2010 年，國內(nèi)許多研究學(xué)者對UWOC 系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了很多提高通信系統(tǒng)性能的方法，主要是對UWOC 系統(tǒng)中用到的調(diào)制技術(shù)和編碼方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使通信距離和通信速率達(dá)到最大，取得了很好的研究成果。具體研究成果在表4 和表5 中有簡要的介紹。下面是近年來國內(nèi)UWOC 系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

2010 年，劉金濤等人[44]使用蒙特卡洛仿真方法模擬了衛(wèi)星接收到的水下平臺上行激光鏈路的性能，采用脈沖位置調(diào)制和最大似然估計(jì)的方法，計(jì)算了通信系統(tǒng)的誤碼率小于10–4，提出了水下60 m 與衛(wèi)星的上行激光通信方案。

2012 年，叢艷平[45]介紹了一種自適應(yīng)水下光通信網(wǎng)絡(luò)框架的結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的編碼方案，研究了一種應(yīng)用于水下光通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)解碼方案。完成了數(shù)據(jù)傳輸速率為3 Mbps，通信距離為20 m，誤碼率為4×10–4的水下實(shí)驗(yàn)。

2012 年，汪峰等人[46]研究了一種可以壓縮信號動(dòng)態(tài)范圍的水下光通信系統(tǒng)，采用可變增益放大器實(shí)現(xiàn)壓縮信號的動(dòng)態(tài)范圍，使信號最終趨于穩(wěn)定。該方法既能使信號的動(dòng)態(tài)范圍縮小，又有效提高了數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的精度，能很好地適用于水下光通信系統(tǒng)。

2013 年，TIAN 等人[47]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于發(fā)光二極管的水下光通信系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中采用RS232 串行通信協(xié)議進(jìn)行信息的編碼和解碼，通過book=220,ebook=105調(diào)整不同速度的通信波特率，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸速率為38.4 kbps，通信距離達(dá)到30 m。

2013 年，胡秀寒等人[48]設(shè)計(jì)了一種采用數(shù)字信號處理的高速水下通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)射端光源使用的是532 nm 激光二極管，接收端探測器使用的是光電倍增管，采用脈沖位置調(diào)制和RS 編碼的方式，在 100 m 的水池中實(shí)現(xiàn)了通信速率為73 kbps 的無誤碼全雙工水下通信實(shí)驗(yàn)。

2014 年，逄涵涵[49]使用藍(lán)色發(fā)光二極管，在實(shí)驗(yàn)室10 m 的水箱中，成功實(shí)現(xiàn)了通信速率為1 Mbps 的實(shí)驗(yàn)。最后用超亮藍(lán)色發(fā)光二極管，成功實(shí)現(xiàn)了通信距離為13 m，通信速率達(dá)到3 Mbps的水下實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明接收到的文件誤碼率為8×10–9，幾乎沒有誤碼。

2015 年，蔡文郁等人[50]在水下通信系統(tǒng)中，發(fā)射光源使用的是藍(lán)綠發(fā)光二極管，接收端探測器使用的是光電二極管，在實(shí)驗(yàn)室10 m 的水箱里，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速率為115.2 kbps，幾乎無誤碼的實(shí)驗(yàn)。

2016 年，徐敬等人[51]介紹了一種強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測–正交頻分復(fù)用的水下光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用藍(lán)色發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，PIN 光電二極管作為接收探測器，在2 m 的水下信道中，采用16–正交幅度調(diào)制方式、32–正交幅度調(diào)制方式、64–正交幅度調(diào)制方式，完成了通信速率分別為161.36 Mbps、156.31 Mbps、127.07 Mbps，誤碼率分別為2.5×10–3、7.42×10–4、3.17×10–3的水下實(shí)驗(yàn)。

2016 年，SHEN 等人[52]使用單模450 nm 激光二極管和硅雪崩光電探測器并利用簡單的非歸零-開關(guān)鍵控調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了小型和低功耗的水下通信系統(tǒng)。在12 m 的水下信道中，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率為2.8×10–5，通信速率高達(dá)2 Gbps；在20 m的水下信道中，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率為3.0×10–3，通信速率高達(dá)1.5 Gbps。

2016 年，胡鋒等人[53]研究了一種藍(lán)光LED 的水下雙向通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電二極管作為接收端探測器，實(shí)現(xiàn)了通信距離為5 m，通信帶寬高達(dá)60 MHz 的無誤碼全雙工水下通信實(shí)驗(yàn)。

2016 年，周田華等人[54]把藍(lán)綠激光二極管作為水下系統(tǒng)的發(fā)射光源，探測器使用雪崩光電二極管，將低密度奇偶校驗(yàn)碼和脈沖位置調(diào)制的方式結(jié)合起來形成一種簡化軟解調(diào)方法，并通過MATLAB仿真驗(yàn)證了采用該簡化軟解調(diào)方法的誤碼率性能優(yōu)于RS 碼，證明了該方法在水下光通信系統(tǒng)中的有效性。

2017 年，LIU 等人[55]使用520 nm 綠色激光二極管，采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，成功完成了通信距離為34.5 m，通信速率高達(dá)2.7 Gbps，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率小于3.8×10–3的水下實(shí)驗(yàn)。并實(shí)驗(yàn)證明了，在水下距離為2.3 m、6.9 m、11.5 m、16.1 m和20.7 m 時(shí)，最大數(shù)據(jù)速率分別達(dá)到4.60 Gbps、4.20 Gbps、3.93 Gbps、3.88 Gbps 和3.48 Gbps。

2017 年，CHEN 等人[56]使用單模辮狀綠色激光二極管作為光源，調(diào)制技術(shù)為32–正交調(diào)幅–正交頻分復(fù)用，在21 m 的水下信道中成功完成了5.3 Gbps 的無功率負(fù)載上行傳輸，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率為2.47×10–3，以及5.5 Gbps 的有功率負(fù)載下行傳輸，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率為2.92×10–3的實(shí)驗(yàn)。

2017 年，敖珺等人[57]使用藍(lán)綠LED 作為發(fā)射光源，采用脈沖位置調(diào)制的方式，接收端探測器使用的是光電二極管，成功完成了數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbps，通信距離為2.3 m，無誤碼的多輸入多輸出的水下實(shí)驗(yàn)。

2018 年，HUANG 等人[58]采用16–正交振幅調(diào)制–頻分復(fù)用的調(diào)制方式，并用藍(lán)色激光二極管作為發(fā)射光源，實(shí)現(xiàn)了通信距離為1.7 m，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率為1.9×10–5，數(shù)據(jù)傳輸速率為14.8 Gbps的水下實(shí)驗(yàn)。接著完成了通信距離為10.2 m，接收到的數(shù)據(jù)誤碼率為 1.5×10–4，數(shù)據(jù)傳輸速率為10.8 Gbps 的水下實(shí)驗(yàn)。

2018 年，王鴻喜等人[59]設(shè)計(jì)了一種采用脈沖位置調(diào)制的水下光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用450 nm藍(lán)色發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，雪崩光電二極管作為接收端的探測器，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了通信距離為6 m，通信速率高達(dá)0.98 Mbps 的無失真?zhèn)鬏攲?shí)驗(yàn)。

2018 年，韓彪[60]采用472 nm 藍(lán)光LED 作為發(fā)射光源，接收端探測器使用的是光電倍增管，并采用開關(guān)鍵控調(diào)制方式，使用RS 編碼和蒙特卡羅book=221,ebook=106仿真方法成功實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)通信距離為9.6 m，最大通信速率為20 Mbps，誤碼率為10–9的水下雙向網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)。

2018 年，楊杰等人[61]在水下通信系統(tǒng)中采用大功率藍(lán)綠 LED 作為發(fā)射光源，使用光電倍增管作為探測器，采用脈沖位置調(diào)制的方式，在實(shí)驗(yàn)室的水箱中，成功完成了通信距離為3 m，數(shù)據(jù)傳輸速率為6 Mbps，誤碼率為7×10–4的水下通信實(shí)驗(yàn)。

2019 年，WANG 等人[62]在水下通信系統(tǒng)中使用520 nm 綠色激光二極管，采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，在自來水中，成功實(shí)現(xiàn)了通信速率高達(dá)500 Mbps，通信距離為100 m，誤碼率低至2.5×10–3的水下實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測量的最小所需功率和水下信道中的功率衰減模型，預(yù)測傳輸性能為146 m/500 Mbps 和174 m/100 Mbps。

2019 年，HONG 等人[63]使用450 nm 激光二極管，采用離散多音調(diào)制方式，利用概率星座整形技術(shù)來逼近離散多音傳輸?shù)男诺廊萘繕O限，可用調(diào)制帶寬為2.75 GHz，實(shí)現(xiàn)了通信距離為5 m、25 m、35 m，凈數(shù)據(jù)傳輸速率分別為18.09 Gbps、17.21 Gbps、12.62 Gbps 的水下實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)的正交幅度調(diào)制方式相比，容量分別提高了32.22%、30.03%、27.55%。

2019 年，姜曉等人[64]在我國南海采用由486.1 nm和532 nm 藍(lán)綠波段組成的雙波長多通道激光雷達(dá)開展了探測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)的通信距離為160 m，通信速率比使用傳統(tǒng)的532 nm 藍(lán)綠激光二極管提高了30%。

2020 年，JI 等人[65]提出了一種可以應(yīng)用在水下無線光通信中的低復(fù)雜度的兩級混沌加密方案，利用離散傅立葉變換擴(kuò)展離散多音調(diào)制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加密對所提出的水下光通信系統(tǒng)的性能沒有負(fù)面影響，成功實(shí)現(xiàn)了通信距離為50 m/55 m，通信速率為5 Gbps/4.5 Gbps 的水下實(shí)驗(yàn)。

2020 年，敖珺等人[66]介紹了一種使用深度學(xué)習(xí)算法來恢復(fù)水下扭曲圖像的方法。仿真結(jié)果表明，該方法能有效的恢復(fù)在水下傳輸?shù)膱D像，而且系統(tǒng)使用該算法使圖像的傳輸速率增大了，平均運(yùn)行時(shí)間僅為0.78 s，而傳統(tǒng)迭代算法的運(yùn)行時(shí)間超過20 s。

2020 年，吳宜欣[67]研究了基于光電陣列的水下定位通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，接收端采用由32 個(gè)光電二極管組成的曲面陣列探測器，利用四進(jìn)制脈沖位置調(diào)制的方式，通過分析不同接收角度下的誤碼率，當(dāng)接收角度小于50°時(shí)，誤碼率為1.248×10–6；當(dāng)接收角度大于50°時(shí)，誤碼率為6.234×10–3，實(shí)現(xiàn)了精確的定位通信實(shí)驗(yàn)。

2021 年，董冰等人[68]采用4 個(gè)470 nm 藍(lán)色發(fā)光二極管組成一個(gè)光源陣列，接收光端機(jī)利用菲涅爾透鏡成像來實(shí)現(xiàn)大視場接收的目的，探測器使用的是雪崩光電二極管，在20 m 的水池中，完成了通信速率高達(dá)5 Gbps，誤碼率低至10–6的水下通信實(shí)驗(yàn)。

2021 年，徐敬等人[69]提出使用5 倍擴(kuò)頻增益的軟擴(kuò)頻軟件來提高水下光通信系統(tǒng)的接收靈敏度，仿真驗(yàn)證了擴(kuò)頻技術(shù)可以延長通信距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在信號帶寬為200 MHz 條件下，使用該技術(shù)將系統(tǒng)接收端靈敏度提升到–32.5 dB·m，提升了4.8 dB，相當(dāng)于通信距離延長5.8 m。

2021 年，賀鋒濤等人[70]研究了一種自適應(yīng)對準(zhǔn)的水下光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用大功率藍(lán)色激光二極管作為發(fā)射光源，接收端采用雪崩光電二極管作為探測器，在通信距離為30 m 的水池中實(shí)現(xiàn)了100 Mbps 的無誤碼水下實(shí)驗(yàn)。

2021 年，馬春波等人[71]設(shè)計(jì)了一套采用新型的水下圖像傳輸方法的高速水下視頻傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用藍(lán)綠LED 作為發(fā)射光源，采用脈沖位置的調(diào)制方式，完成了通信距離為1.4 m，誤碼率低于10–6的高清視頻傳輸實(shí)驗(yàn)。

2021 年，李曉記等人[72]研究了一種采用數(shù)字預(yù)均衡技術(shù)的直流偏置光–正交頻分復(fù)用水下光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用藍(lán)綠LED 作為發(fā)射光源，探測器使用的是光電二極管，在清水中成功完成了通信距離為1 m，數(shù)據(jù)傳輸速率為32 Mbps，誤碼率低于10–3的水下實(shí)驗(yàn)。

2021 年，李金佳等人[73]研究了一種多輸入多book=222,ebook=107輸出的水下光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用6 個(gè)藍(lán)綠LED陣列作為發(fā)射光源，接收端探測器由3 個(gè)光電倍增管組成，在實(shí)驗(yàn)室10 m 深的水槽中完成了數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，誤碼率為1.1×10–5，信噪比為19.4 dB 的水下通信實(shí)驗(yàn)。

2022 年，F(xiàn)EI 等人[74]使用450 nm 的激光二極管，采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，在實(shí)驗(yàn)室的水箱中，完成了數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)3 Gbps，通信距離可達(dá)100.6 m，誤碼率低至4.2×10–5的水下實(shí)驗(yàn)。

2022 年，西安理工大學(xué)柯熙政團(tuán)隊(duì)[75]利用藍(lán)綠LED 光源，并采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，設(shè)計(jì)了一種接收天線利用復(fù)眼透鏡組成的雙層復(fù)眼透鏡的水下光通信模型，并在實(shí)驗(yàn)室中通過不同懸浮顆粒濁度、不同傳輸距離對系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

2022 年，石佳等人[76]研究了一種利用深度學(xué)習(xí)端到端的方式對水下光通信系統(tǒng)的信道進(jìn)行直接檢測的方法，用該方法對水下通信系統(tǒng)的信噪比和誤碼率進(jìn)行了研究比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的最小均方算法相比，該深度學(xué)習(xí)算法有著更加優(yōu)越的性能，在通信距離為15 m 時(shí)，信噪比為67 dB，誤碼率為7.02×10–4。

2022 年，李碧麗等人 研究了一種大功率水下激光發(fā)射系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)光源采用532 nm 綠光激光二極管，該綠光二極管的平均功率高達(dá)2 W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用大功率激光二極管時(shí)，通信距離高達(dá)150 m，通信速率可達(dá)1.2 Mbps，誤碼率為3.5×10–4的水下光通信實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)水下光通信系統(tǒng)中的技術(shù)研究可將國內(nèi)研究進(jìn)展總結(jié)如表4 所示。而依據(jù)水下光通信系統(tǒng)中的通信速率分別為kbps、Mbps、Gbps，可將國內(nèi)研究進(jìn)展總結(jié)如表5 所示。

表4 水下光通信系統(tǒng)中技術(shù)研究的國內(nèi)進(jìn)展Table 4 Domestic progress of technology research on underwater optical communication system

表5 通信速率分別為kbps、Mbps、Gbps 級的國內(nèi)研究進(jìn)展Table 5 Domestic research progress on communication rates of kbps, Mbps and Gbps respectively

目前，UWOC 系統(tǒng)的通信距離通常只能達(dá)到幾米到百米，隨著對信道編碼調(diào)制的改進(jìn)，系統(tǒng)通信速率從kbps、Mbps 提升到Gbps。但是真實(shí)的水下環(huán)境中信道受溫度、鹽度等參數(shù)的影響是多變的，而以上大部分實(shí)驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，沒有到真正的河流、海洋中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這可能造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用效果有很大的區(qū)別，所以對實(shí)際的海洋探索需要進(jìn)一步的研究。而且大部分UWOC系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的通信距離只能達(dá)到幾米到幾十米，達(dá)到百米的實(shí)驗(yàn)很少，所以解決UWOC 系統(tǒng)中長通信距離是目前的難題，將來需要更多的實(shí)驗(yàn)來解決此問題。

book=223,ebook=108

2.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比分析

從以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀中可以看出，國外對UWOC 系統(tǒng)的研究開始比較早，而國內(nèi)是近20 年開始對UWOC 系統(tǒng)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和研究，但取得了很好的研究成果。在通信速率方面，國外的水下光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)更高的通信速率，但是在通信距離方面，國內(nèi)的水下光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)的通信距離。在接收數(shù)據(jù)的正確率方面，國內(nèi)外的UWOC 系統(tǒng)都達(dá)到了較好的效果。在實(shí)驗(yàn)方面，國內(nèi)外都只有少數(shù)的實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)的海洋中進(jìn)行的，而大部分實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)室模擬的海水中進(jìn)行的，這就導(dǎo)致了測得的數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)際有一定的誤差，所以未來對UWOC 系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在真實(shí)的海洋中進(jìn)行，使得到的book=224,ebook=109數(shù)據(jù)更加可靠。

3 水下無線光通信中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水下無線光通信系統(tǒng)的信道建模

3.1.1 水的光學(xué)性質(zhì)

根據(jù)MOBLEY 的理論，水的光學(xué)性質(zhì)有2 種：固有光學(xué)性質(zhì)和表觀光學(xué)性質(zhì)[12]。水的固有光學(xué)性質(zhì)主要包括吸收系數(shù)和散射系數(shù)，相對于表觀光學(xué)性質(zhì)而言，固有光學(xué)性質(zhì)對UWOC 性能的影響更大，所以研究主要集中在固有光學(xué)性質(zhì)的討論上。水下環(huán)境比較復(fù)雜，吸收和散射對光束傳播影響比較嚴(yán)重，從而產(chǎn)生衰減[90]。吸收特性會(huì)使通信距離變短，散射特性會(huì)影響光的傳播方向，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，降低了信噪比，使誤碼率增大。圖2 為海水的固有光學(xué)性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)圖。

圖2 海水固有光學(xué)性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)Fig. 2 Geometrical structure of the inherent optical properties of seawater

由能量守恒定律，可得[12]：

式中：λ為波長；ΔD為水箱的寬度；PI(λ)為入射光功率；PA(λ)為水的吸收光功率；PS(λ)為散射光功率；PT(λ)為出射光功率。

利用吸光度定義式，可以得到吸收系數(shù)如下[12]：

水下光吸收系數(shù)可以由純海水吸收（aω(λ)）、碎屑吸收（adet(λ)）、浮游植物吸收（aphy(λ)）和有色溶解有機(jī)物吸收（aCDOM(λ)）4 部分表示，可得[1]：

利用散射度定義式，可以得到散射系數(shù)如下[12]：

水下光散射系數(shù)可以由純海水散射（bω(λ)）、碎屑散射（bdet(λ)）、浮游植物散射（bphy(λ)）3部分表示，可得[1]：

光的衰減系數(shù) 可以表示為[12]

式中，衰減系數(shù)單位為m–1。衰減系數(shù)c(λ)與海水環(huán)境的多種因素相關(guān)，包括海水鹽度、渾濁度甚至浮游生物等。

表6 給出了不同海水的相關(guān)系數(shù)。由表6 可知，純海水中的主要物質(zhì)是水和無機(jī)鹽，所以衰減主要是吸收導(dǎo)致的，散射系數(shù)比較低，可以忽略不計(jì)；在清澈的海水中，有色溶解有機(jī)物濃度比較大，主要影響光的散射；在沿海海水中，浮游植物、碎屑導(dǎo)致了光的吸收和散射；在渾濁的海港中，懸浮顆粒和碎屑導(dǎo)致了光束的嚴(yán)重衰減。

利用比爾–朗伯特定律可以簡單的描述光在水下的衰減效應(yīng)[92]，其表達(dá)式如下：

式中：I0為透射光功率；c(λ)為衰減系數(shù)；d為傳輸距離；I為通過傳輸距離d后的剩余光功率。隨著水域類型和水深的不同，c(λ)的值會(huì)發(fā)生變化。

由比爾–朗伯特定律還可以得到更精確地描述水下通道的功率損耗的具有2 個(gè)指數(shù)函數(shù)的模型，其表達(dá)式如下[93]：

式中：第1 個(gè)指數(shù)表示擴(kuò)散長度大于衰減損耗長度的情況；第2 個(gè)指數(shù)表示擴(kuò)散長度小于衰減損耗長度的情況。具體參數(shù)如表7 所示。

book=225,ebook=110

一般來說，光在水下傳播時(shí)，吸收和散射會(huì)導(dǎo)致3 個(gè)問題：1）吸收會(huì)使光的總能量減小，這就導(dǎo)致通信距離受到了限制；2）散射會(huì)使光束發(fā)生擴(kuò)散，使接收到光子的總數(shù)減少；3）散射會(huì)使光子到達(dá)接收端的時(shí)間不同，產(chǎn)生多徑現(xiàn)象。因此，為了解決這些問題，需要對影響水下信道的因素進(jìn)行大量的研究和實(shí)驗(yàn)。在過去的幾年里，研究人員設(shè)計(jì)了很多可靠的水下無線光通信通信系統(tǒng)，下面是3 種主要的水下信道建模方法。

3.1.2 水下湍流信道的建模

光在水下傳播時(shí)，除了受吸收和散射的影響外，還受水下湍流的影響。水下湍流是指光束通過水體時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)折射率的變化[95]。水下湍流的折射率除了受到溫度的影響，還與水質(zhì)的種類、鹽度等因素有關(guān)，而且隨著地理位置的改變，水下湍流也會(huì)發(fā)生改變[96]。盡管如此，水下湍流仍然符合流體動(dòng)力學(xué)方程[97]。NIKISHOV[98]提出了一種用來描述復(fù)雜的水下湍流譜，并考慮了溫度、鹽度、折射率等因素，能夠很好的模擬光在水中傳輸?shù)倪^程。水下折射率波動(dòng)譜可以表示為[99]

式中：k是空間波數(shù)；ε是水介質(zhì)的動(dòng)能耗散率；η是Kolmogorov 內(nèi)尺度；χT表示溫度耗散率；w是由鹽度和溫度導(dǎo)致水下湍流的比值；。

由于水下環(huán)境比大氣環(huán)境更加復(fù)雜，需要多個(gè)水下參數(shù)共同表示，下面是水下湍流強(qiáng)度的4 個(gè)湍流參數(shù)。

1）溫度耗散率χT。溫度變化與湍流的狀態(tài)密切相關(guān)，可以用溫度耗散率來表示溫度的變化對水下湍流參數(shù)的影響，其表達(dá)式為[100]

式中：T表示溫度值；κT是溫差系數(shù)；假設(shè)在均勻的水質(zhì)下，表示溫度在x方向上的梯度；表示溫度在y方向上的梯度；表示溫度在z方向上的梯度，每個(gè)地方的溫度梯度都是一樣的，上式可以簡化為[101]

式中：T表示溫度值；κT是溫差系數(shù)；表示溫度在z方向上的梯度。溫度耗散率的值越大，表明該水域的分層越強(qiáng)，還存在較強(qiáng)的水下湍流。

2）動(dòng)能耗散率ε。在各向同性且水質(zhì)均勻的情況下，單位流體質(zhì)量的動(dòng)能耗散率可以表示為[101]

式中：v是分子運(yùn)動(dòng)的粘度；?u/?z表示湍流速度的偏導(dǎo)。

3）溫度和鹽度導(dǎo)致的水下湍流比值w。當(dāng)溫度梯度為常數(shù)時(shí)，w可以表示為[101]

式中：α和β是常數(shù)；ΔT是水面到水下溫度的差值；ΔS是水面到水下鹽度的差值。

4）Kolmogorov 內(nèi)尺度η。水下湍流的最小尺度就是Kolmogorov 內(nèi)尺度，表達(dá)式為[98]

式中：v為運(yùn)動(dòng)粘性變量；ε為湍流動(dòng)能耗散率。從式（14）可以看出，Kolmogorov 內(nèi)尺度隨著運(yùn)book=226,ebook=111動(dòng)粘性變量的增大而增大，隨著湍流動(dòng)能耗散率的增大而減小。

近年來，許多研究人員對UWOC 系統(tǒng)中湍流的影響進(jìn)行了大量的研究，也提出了抑制水下湍流影響的模型。海洋湍流信道模型主要包括廣義伽馬湍流模型[102]、對數(shù)正態(tài)湍流模型[99]和多輸入多輸出信道湍流模型[103]。2014 年，HAMZA 等人[104]利用Rytov 方法建立了弱海洋湍流中高斯對數(shù)正態(tài)分布的衰落模型，導(dǎo)出了弱海洋湍流中聚焦高斯光束的軸上閃爍指數(shù)公式，并利用該公式計(jì)算了平均誤碼率。同年，TANG 等人[105]在沿海和港口水域中，用雙伽馬函數(shù)對水下光通信鏈路的脈沖響應(yīng)進(jìn)行了建模，該模型與蒙特卡羅仿真結(jié)果相吻合，并進(jìn)一步研究了該模型的有效區(qū)域。2017 年，OUBEI 等人[106]對有溫度梯度的水下信道進(jìn)行了建模，并采用廣義伽馬分布的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有水下信道條件下的實(shí)測數(shù)據(jù)都具有良好的擬合性，同時(shí)指出了熱均勻通道可以很好地用簡單的伽馬分布來描述，這是第1 個(gè)全面描述熱均勻和基于梯度的水下光通道的模型。2020 年，杜迎[107]研究了在海洋各向異性湍流中，采用脈沖位置調(diào)制方式的無線光通信系統(tǒng)的誤碼率性能，并利用雙伽馬分布的方法對誤碼率進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。2021 年，賀鋒濤等人[108]采用雙伽馬分布的海洋湍流信道傳輸模型進(jìn)行了水下光通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，對不同波長的水下光通信系統(tǒng)平均誤碼率進(jìn)行了分析比較。JAMALI 等人[109]在UWOC 鏈路上使用多輸入多輸出空間分集技術(shù)來緩解湍流引起的衰落。在考慮吸收和散射的影響下，用解析解的方法得到了最優(yōu)增益和等增益組合的精確和誤碼率上限表達(dá)式。

除了以上介紹的3 種常見的模型外，一些研究學(xué)者也對其它信道模型進(jìn)行了研究。2016 年，LI等人[110]在各向異性湍流情況下，利用海水信道中高斯–謝爾模型得到的結(jié)論是溫度波動(dòng)越大，各向異性湍流的退極化效應(yīng)比各向同性湍流要弱。2019年，ZOU 等人[111]在弱海洋湍流條件下，用部分相干高斯光束單輸入單輸出模型對影響水下無線光通信系統(tǒng)的平均容量進(jìn)行了分析。2021 年，蔣紅艷[99]對不同的海洋湍流模型進(jìn)行了分析，主要包括對數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)–對數(shù)分布、韋布爾分布、伽馬–伽馬分布、廣義伽馬分布湍流模型，并給出了它們的概率密度函數(shù)，最后在不同的湍流環(huán)境下，采用蒙特卡羅仿真方法驗(yàn)證了非對稱剪裁光–正交頻分復(fù)用和直流偏置光–正交頻分復(fù)用空間分集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

目前，在UWOC 系統(tǒng)中，主要是在實(shí)驗(yàn)室中通過仿真設(shè)計(jì)來研究水下信道的特性，模擬的海洋環(huán)境與實(shí)際海水有一定的差異，使得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠充分可靠，距離工程實(shí)際應(yīng)用存在差距。未來應(yīng)該在真實(shí)的海洋環(huán)境下，對水下信道受湍流的影響進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)研究。

3.1.3 信道衰減模型

由于水下環(huán)境比空氣環(huán)境復(fù)雜得多，光在水下傳播時(shí)受到吸收和散射的影響，使得水下無線光通信的研究具有挑戰(zhàn)性。光束在水中的衰減大約比在空氣中高100 ～ 1 000 倍[112]，因此，UWOC 信道建模的主要目標(biāo)之一是評估整體路徑衰減損耗。水下光通信的光路衰減建模主要有直視和非直視2 種模型，而這2 種模型都可以用蒙特卡洛方法得到。下面詳細(xì)介紹這2 種建模方法。

1）直視模型。

直視模型的建模有2 種方法：輻射傳遞方程和Beer-Lambert 定律。簡單的水下環(huán)境中的光衰減效應(yīng)可以用Beer-Lambert 定律來表示[1]。Beer-Lambert定律是指數(shù)衰減模型，通常用來計(jì)算光路損耗[113]。SMAR[113]用Beer-Lambert 定律對直視UWOC 系統(tǒng)進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)，得到了UWOC 系統(tǒng)在不同水質(zhì)和不同的通信距離下的性能。

但是在實(shí)際水下通信中，研究者們大多數(shù)選擇輻射傳遞方程模型。輻射傳遞方程是一個(gè)通用的理論模型，JARUWATANADILOK 將輻射傳遞方程表示為[114]

式中的所有參數(shù)都和波長有關(guān)。c是衰減系數(shù)；?是散度算子；是位置處向方向傳播的光學(xué)輻亮度；為源輻亮度；是book=227,ebook=112體積散射函數(shù)。

輻射傳遞方程模型有2 種常見的方法：解析解和數(shù)值解法[115]。輻射傳遞方程考慮了光偏振和多次散射的情況，可以更準(zhǔn)確地模擬水下光束傳播時(shí)的衰減。但是從輻射傳遞方程的表達(dá)式中可以看出，其是一個(gè)復(fù)雜的多變量微積分方程，找到一般的解析解形式是非常困難的，所以研究者一般采用概率法獲得輻射傳遞方程的數(shù)值解。求解數(shù)值解的方法有蒙特卡羅法、離散縱坐標(biāo)法、隨機(jī)模型法和不變嵌入法[3]。由于不變嵌入法只能求解一維輻射傳遞方程，所以不適合用在水下無線光通信系統(tǒng)中。離散坐標(biāo)法的編程困難，大多數(shù)人也不選擇該方法[115]?；诠庾榆壽E概率性質(zhì)的隨機(jī)模型尚不成熟，所以對隨機(jī)模型法采用也非常少，應(yīng)用最多的是蒙特卡羅法。所以這里只對蒙特卡羅法在UWOC 系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

美國海軍實(shí)驗(yàn)室利用蒙特卡洛模擬發(fā)表了一篇應(yīng)用UWOC 通信中的使用指南，得到了研究人員的驗(yàn)證，而且也被許多研究水下無線光通信的學(xué)者所采用[1]。LI 等人[116]利用蒙特卡洛模型來研究UWOC 的信道容量，該模型可以靈活配置發(fā)射器、接收器和信道的各種參數(shù)，適用于物理水下光通信鏈路的設(shè)計(jì)。GABRIEL 等人[117]通過蒙特卡洛模擬求解輻射傳遞方程，提出了不同水質(zhì)類型下的水下無線光通信系統(tǒng)的信道脈沖響應(yīng)。以上的研究方法主要是針對UWOC 的信道模型，沒有對通信距離作要求。HANSON[43]在幾十米海水路徑上用蒙特卡洛方法模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，UWOC 的通信速率可達(dá)Gbps 級。DALGLEISH 等人[118]使用蒙特卡洛方法在12.5 m 的試驗(yàn)箱中用500 ps 激光脈沖進(jìn)行計(jì)算，獲得了不同環(huán)境下的脈沖響應(yīng)。除了用蒙特卡洛方法外，DING 等人[119]介紹了一種使用蒙特卡洛積分的多散射信道模型，在該模型中能用蒙特卡洛積分來求解表達(dá)式為概率密度函數(shù)的多重積分的接收端光功率。在2020 年，YUAN 等人[120]在光無線多散射信道的通信中，通過蒙特卡洛積分獲得了系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于三階散射的情況下，相比于原始基于均勻抽樣的蒙特卡洛積分而言，基于部分重要性抽樣的蒙特卡洛積分模型的計(jì)算效率提高了12 倍，是廣泛使用的蒙特卡洛仿真模型的5.6 倍。對于高階散射的情況下，基于部分重要性采樣的蒙特卡洛積分模型比蒙特卡洛模擬模型具有更高的計(jì)算效率。

由于直視信道建模實(shí)現(xiàn)簡單，大多數(shù)水下無線光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用直視鏈路。但是直視模型必須是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸，而在水下環(huán)境中由于散射效應(yīng)的存在，點(diǎn)對點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)的，所以直視模型在水下無線光通信系統(tǒng)中有一定的局限性。

2）非直視模型。

在傳統(tǒng)的直視鏈路中，信號是在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)?。在傳播路徑上出現(xiàn)障礙物，會(huì)使光信號的傳播受到衰減甚至阻礙。非直視模型被提出來解決這個(gè)問題。非直視模型是利用水分子反射光束來克服通信鏈路中的障礙[3]。與直視信道模型一樣，非直視信道模型大多也是用蒙特卡洛模擬的方法。

ARNON 等人[121]應(yīng)用蒙特卡洛方法研究了一種新的非直視UWOC 網(wǎng)絡(luò)，并推導(dǎo)了信道的數(shù)學(xué)模型；TANG 等人[122]在考慮海水散射特性的影響下，研究了基于蒙特卡洛模擬的非直視UWOC 鏈路的路徑損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著衰減長度的增加，散射光可以消除由風(fēng)引起的隨機(jī)表面坡度對接收信號的影響。JAGADEESH 等人[123]采用蒙特卡洛仿真方法，提出了一種評估信道特性的非直視水下無線光通信模型，利用推導(dǎo)的脈沖響應(yīng)模型，對水下系統(tǒng)在不同水類型和接收視場下的性能進(jìn)行了表征和模擬。結(jié)果表明，該模型為非直視UWOC信道的刻畫提供了一種新的方法。ANOUS 等人[124]用水下光通信垂直鏈路模型分別評估了直視和非直視UWOC 的系統(tǒng)性能，考慮到水下環(huán)境的不均勻性，建立了簡單的雙層模型來精確計(jì)算鏈路預(yù)算。DONIEC 等人[125]介紹了一種端到端的水下光通信系統(tǒng)的通用模型，為后來研究水下通信模型提供了參考。

3.1.4 跨介質(zhì)傳輸建模

在UWOC 系統(tǒng)中，光束需要跨越大氣、海氣和水體信道，不同的信道對光傳輸特性有不同的影響。大氣信道中影響光束傳播的物質(zhì)有氣溶膠、book=228,ebook=113大氣分子、霧、雨等。由于海平面受海風(fēng)的影響，使光束產(chǎn)生嚴(yán)重的折射和反射。水體信道影響光束傳輸?shù)囊蛩刂饕猩镱w粒，可溶有機(jī)物等。目前，國內(nèi)外已經(jīng)對光束在不同信道中的傳輸特性進(jìn)行了大量研究，但是大多數(shù)都是針對單一信道進(jìn)行的研究，無法滿足跨介質(zhì)信道建模的設(shè)計(jì)需求。

海浪建模選擇的海浪頻譜為 PM（Pierson-Moscowitz）譜，其具體表達(dá)式為[126]

式中：g為重力加速度；ω為角頻率；是無因次量；?=0.74；U為距海面19.5 m 處的風(fēng)速。

海浪譜一般是頻譜和方向函數(shù)的乘積，其表達(dá)式為[126]

式中：S(ω)為頻譜；φ(θ)方向函數(shù)；θ是傳播方向的風(fēng)向角。

方向函數(shù)比頻譜多個(gè)描述正弦波的傳播方向，其表達(dá)式為[127]

激光在海氣界面時(shí)，可以根據(jù)激光的偏振態(tài)來計(jì)算反射率和透射率，根據(jù)菲涅爾定律和斯涅爾定律可以得到海氣界面總的透過率為[128]

式中：Lbd1是海氣界面自身的透過率；α是反射角；β是透射角；Lbd2是經(jīng)過海氣界面的氣泡、白浪等的透過率。

目前，水下與空中的跨介質(zhì)無線通信已成為一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域。劉力等人[128]在不同水下傳輸距離及不同海面風(fēng)速下，利用蒙特卡洛仿真方法研究了跨介質(zhì)上行激光在傳輸過程中的分布與損耗特性。李聰?shù)热薣129]采用蒙特卡洛仿真方法，在晴天、層云和卷云天氣條件下，分析了光在大氣–海氣–水體信道中的下行跨介質(zhì)傳輸特性。司立宏等人[130]對海水–大氣跨介質(zhì)上行通信進(jìn)行了研究，并對海浪波面對光的上行傳輸造成的影響進(jìn)行了詳細(xì)說明。CHEN 等人[131]用粗糙表面散射中基爾霍夫模型和一階小擾動(dòng)模型理論對大氣–海氣界面跨介質(zhì)的光散射進(jìn)行了討論。王敏等人[132]研究了大氣–海氣–海水跨介質(zhì)信道中影響激光傳輸?shù)囊蛩兀⑼茖?dǎo)出了藍(lán)綠光通過跨介質(zhì)信道后的能量方程。李寅龍等人[133]研究了空中–水下跨介質(zhì)信道的傳輸特性，并得出了在空中–水下跨介質(zhì)信道的衰減主要與天氣情況、海水透明度等有關(guān)的結(jié)論。張佳琳等人[134]在考慮不同近海面大氣海霧能見度、不同葉綠素濃度、不同氣泡濃度等真實(shí)海水條件情況下建立了藍(lán)綠激光通過氣海動(dòng)態(tài)跨介質(zhì)海面下行傳輸模型。

跨介質(zhì)信道的研究還存在一些問題，比如，在垂直鏈路的實(shí)驗(yàn)中，研究者是把海水當(dāng)作均勻的介質(zhì)，但在垂直海水中不同深度處的鹽度、葉綠素濃度等都不一樣，得出的結(jié)果也會(huì)和實(shí)際有誤差。目前對跨介質(zhì)信道的研究大部分都是下行傳輸或者下行傳輸?shù)难芯?，對上下行傳輸?shù)难芯枯^少。

3.2 光源選擇

不同的光源在水下傳輸?shù)木嚯x不同，而且光路穩(wěn)定性也不同。光源的選擇可以決定通信距離的長短和調(diào)制帶寬等方面的性能。海水對波段在450 ～550 nm 的藍(lán)綠光吸收較少[14]。近海岸的海水更適合使用綠光作為光源，深海比較適合使用藍(lán)光作為光源[135]。UWOC 中光源通常有3 種：發(fā)光二極管、激光二極管和超輻射激光二極管。發(fā)光二極管有成本低、生產(chǎn)方便、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)光二極管是目前使用最廣泛的光源，但是發(fā)光二極管存在發(fā)出的光不聚集，相干性差，發(fā)散角大等缺點(diǎn)，在水下傳播困難。而激光二極管發(fā)光方向性好、相干性好，但是激光二極管對溫度比較敏感，應(yīng)用中需要加溫度控制器。超輻射激光二極管是介于發(fā)光二極管和激光二極管之間的半導(dǎo)體光電器件，可以輸出弱相干光[136]，但是目前還沒有對其進(jìn)行可靠性的評估，還存在耦合不佳的風(fēng)險(xiǎn)[137]。所以下面只對發(fā)光二極管和激光二極管的主要性能對比，如表8 所示 。

表8 發(fā)光二極管和激光二極管的主要性能對比Table 8 Comparison of main performance between LED and laser diode

book=229,ebook=114

在UWOC 系統(tǒng)中所用到的光源主要是波段在450 ～ 550 nm 之間的藍(lán)綠二極管或激光二極管。隨著光源選擇的不同，通信距離和速率也不同，選擇適當(dāng)?shù)墓庠纯梢栽龃笸ㄐ啪嚯x。TIAN 等人[138]使用藍(lán)色發(fā)光GaN 微型發(fā)光二極管作為光源，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率為200 Mbps、通信距離為5.4 m、誤碼率為3×10–6的水下實(shí)驗(yàn)。LIU 等人[139]用實(shí)驗(yàn)演示了把混合紅、綠、藍(lán)激光二極管產(chǎn)生的白光用于水下通信系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在2.3 m 水下鏈路中，數(shù)據(jù)速率高達(dá)8.7 Gbps。CHAO 等人[140]在水下通信系統(tǒng)中使用450 nm 激光二極管作為光源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在通信距離為5 m、35 m、55 m 時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率分別達(dá)到16.6 Gbps、13.2 Gbps、6.6 Gbps。CHEN 等人[141]使用520 nm 激光二極管和32–正交幅度調(diào)制的方式，完成了凈數(shù)據(jù)速率為3.31 Gbps，通信距離為 56 m 的水下實(shí)驗(yàn)。ARVANITAKIS 等人[142]使用由直徑 60 μm 或80 μm 的6 個(gè)發(fā)光二極管串聯(lián)組成的微發(fā)光二極管陣列，并在波長450 nm 下工作，實(shí)現(xiàn)了通信距離為4.5 m 時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)3.4 Gbps。

3.3 調(diào)制技術(shù)

水下無線光通信受限于藍(lán)綠光波段的器件，所以仍處于通信速率比較低的階段，目前，國內(nèi)外對應(yīng)用在UWOC 系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。主要有開關(guān)鍵控調(diào)制、脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM）、正交幅度調(diào)制等。這幾種調(diào)制方式能實(shí)現(xiàn)水下通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)傳輸速率，但是通信距離不長。近年來，不少學(xué)者使用改進(jìn)的調(diào)制方式達(dá)到了較好的效果，如極化脈沖位置調(diào)制[143]、正交幅度調(diào)制–正交頻分復(fù)用[144]、極化差分脈沖位置調(diào)制[145]、二進(jìn)制偏振移位鍵控[146]、二進(jìn)制相移鍵控[41]等。SUI 等人[147]通過對水下光通信系統(tǒng)中的不同調(diào)制方式進(jìn)行仿真和比較得出，PPM 更適合低功率海底系統(tǒng)，相移鍵控在帶寬和誤差性能方面具有最佳性能，但功率效率較低。XI 等人[148]在水下光通信種使用4-PPM調(diào)制方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用PPM 調(diào)制方式產(chǎn)生的誤碼率幾乎與開關(guān)鍵控調(diào)制一樣，而且具有更高的頻譜效率，證明了8-PPM 和16-PPM 調(diào)制方式有更高的帶寬利用率。GABRIEL 等人[149]就能量和帶寬效率對UWOC 系統(tǒng)中幾種常用的調(diào)制技術(shù)作了比較，結(jié)果表明，雖然PPM 在能量效率方面是最優(yōu)的，但是差分脈沖位置調(diào)制在通信性能和設(shè)備復(fù)雜度取得了優(yōu)勢。

3.4 編碼技術(shù)

光在水下傳輸受到吸收和散射的影響不僅會(huì)減小通信距離，而且會(huì)使誤碼率增大，選擇適當(dāng)?shù)木幋a技術(shù)能使誤碼率降低。在水下通信中用到的編碼技術(shù)主要是卷積碼和分組碼[125]。卷積碼包括低密度奇偶校驗(yàn)碼和Turbo 碼；分組碼包括循環(huán)冗余校驗(yàn)碼、里所碼（Reed-Solomon，RS）和線性循環(huán)糾錯(cuò)碼[150]。

在UWOC 系統(tǒng)中使用最多的編碼方式是RS碼，COX 等人[151]使用 405 nm 激光二極管以500 kbps 的通信速率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞褂茫?55，129）RS 碼的光電二極管接收器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與未編碼開關(guān)鍵控調(diào)制系統(tǒng)相比，該編碼方式所需的功率降低約8 dB。SIMPSON 等人[16]使用RS 編碼方式，在3 m 和7.7 m 長的水箱中實(shí)現(xiàn)了5 Mbps 的通信速率。實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)誤碼率為10–6時(shí)，（255，129）RS 碼能使信噪比提高約6 dB，（255，223）RS 碼能使信噪比提高約4 dB。COSSU 等人[19]用（2720，2550）RS-FEC 碼，在3.3 m 的水箱中實(shí)現(xiàn)了通信速率為 58 Mbps 的水下實(shí)驗(yàn)，誤碼率從1.5×10–3降低到10–9。還有少數(shù)使用RS 碼和其它編碼方式結(jié)合的方法，DONIEC 等[152]在UWOC 系統(tǒng)中用一種使用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼碼和RS 碼結(jié)合的book=230,ebook=115兩層數(shù)字編碼方案來傳輸視頻，該多層編碼方案能夠在水下實(shí)現(xiàn)低延遲的傳輸視頻圖像，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜。

3.5 探測技術(shù)

水下系統(tǒng)中的探測器主要有PIN 光電二極管、雪崩光電二極管和光電倍增管。PIN 光電二極管主要受熱噪聲的影響，而雪崩光電二極管主要受散粒噪聲的影響[153]。PIN 光電二極管的增益較低，而雪崩光電二極管有更高的增益，在水下系統(tǒng)中通信距離更長，但內(nèi)部的電路比較復(fù)雜。光電倍增管有更高的靈敏度、更高的光學(xué)增益和更低的噪聲水平，但它也受到高電壓供應(yīng)（約100 V）和高單位成本的困擾[154]。對它們的性能進(jìn)行比較，如表9所示。

表9 探測器性能比較Table 9 A comparison of performance for different detectors

CHAO 等人[140]采用摻雜硅的PIN 光電二極管作為接收器，使PIN 光電二極管在320 ～ 1 100 nm的波長范圍內(nèi)工作，在450 nm 時(shí)的響應(yīng)率約為0.15 A/W。而FEI 等人[155]使用摻雜硅的雪崩光電二極管作為接收器，在15 m 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了7.33 Gbps的數(shù)據(jù)速率。該雪崩光電二極管在400 ～ 1000 nm的波長范圍內(nèi)工作，在450 nm 時(shí)的響應(yīng)率約為4 A/W。SUN 等人[156]采用488 nm 的藍(lán)色激光，使用光電倍增管探測器，在4.5 m 長的水下通道中實(shí)現(xiàn)了傳輸速率為 5 Mbps 的高速視頻傳輸。DALGLEISH 等人[118]在12.5 m 的水箱中，接收端使用光電倍增管探測器完成了500 ps 激光脈沖傳播測量水下激光實(shí)驗(yàn)。在UWOC 系統(tǒng)中，除了用到上面介紹的3 種探測器外，還有研究者摻雜其它化學(xué)物質(zhì)來達(dá)到更好的結(jié)果。HISKETT 等人在水下通信系統(tǒng)中，接收端使用硅雪崩光電二極管作為探測器。在1 m 長的水槽中用波長為450 nm的激光二極管完成了傳輸速率為40 Mbps 的水下實(shí)驗(yàn)。LI 等人[157]在水下通信系統(tǒng)中，接收端使用的是蓋革模式下工作的單光子雪崩二極管作為探測器，該探測器可以在水下通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)長距離通信。未來可以對能夠檢測水下的微弱信號的探測器進(jìn)行研究，高靈敏度、大視場、低噪聲的探測器是未來的發(fā)展方向，這也是UWOC 系統(tǒng)中一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

3.6 水下無線光通信協(xié)議

通信協(xié)議作為通信的基礎(chǔ)，在通信過程中扮演者非常重要的作用。盡管水下無線通信發(fā)展了幾十年，但是有關(guān)UWOC 的通信協(xié)議極少，大多數(shù)都是關(guān)于水下聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究。2008 年，羅琳峰等人[87]根據(jù)IrDA 物理協(xié)議設(shè)計(jì)了一套水下光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立光強(qiáng)與距離的關(guān)系采用的是曲線擬合的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)能滿足水下移動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高速通信的要求。為了應(yīng)對水下多變信道，同年，LI 等人[158]設(shè)計(jì)了一種用于水下通信系統(tǒng)的多跳網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。由于多跳網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議不能適應(yīng)水下環(huán)境的巨大動(dòng)態(tài)變化而遭受嚴(yán)重的性能下降。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，DI 等人[159]提出了CARMA 通信協(xié)議，通過仿真和實(shí)驗(yàn)，將CARMA 與CARP、QELAR 和EFlood 這3 種路由通信協(xié)議的性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，CARMA獲得的數(shù)據(jù)包傳遞比其它3 種協(xié)議高40%。CARMA傳輸數(shù)據(jù)包的速度也明顯比 CARP、QELAR 和EFlood 快。近年來，很多研究學(xué)者在UWOC 系統(tǒng)中使用其它的通信協(xié)議也達(dá)到了很好的效果。2018年，KHASAWNEH 等人[160]在水下通信中使用基于壓力的路由協(xié)議并利用Aqua-Sim 軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，基于壓力的路由協(xié)議可以使水下通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率有很大的提升。2019 年，韓毅[161]利用FPGA 設(shè)計(jì)了一套基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的水下半雙工無線光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通信速率為20 Mbps，通信距離為18 m 的水下通信實(shí)驗(yàn)。由于TCP/IP 協(xié)議棧在UWOC 中存在一定的局限book=231,ebook=116性，蘭勝林 在水下通信系統(tǒng)中應(yīng)用Micro-ANP通信協(xié)議和 LB-AGR 路由協(xié)議，并詳細(xì)介紹了Micro-ANP 通信協(xié)議的架構(gòu)，用Aqua-Sim 水下仿真工具證明了該通信協(xié)議比TCP/IP 通信協(xié)議有一定的優(yōu)勢。2022 年，史博[163]等人對水下通信系統(tǒng)中的異步收發(fā)數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行了研究，并在湖水中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在UWOC 系統(tǒng)中使用異步多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)較低誤碼率的通信，為水下通信無線網(wǎng)絡(luò)融合打下了基礎(chǔ)。2019年，沈潔[164]在水下通信系統(tǒng)中使用光聲融合無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)視頻、圖像等大數(shù)據(jù)信息傳輸。利用OMNeT++仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，光聲融合通信協(xié)議能提高系統(tǒng)吞吐量，使節(jié)點(diǎn)耗能更低，適用于水下無線通信環(huán)境。

4 一種水下無線光通信系統(tǒng)

在UWOC 系統(tǒng)中，為了提高接收端的光功率，西安理工大學(xué)柯熙政團(tuán)隊(duì)研究了一種采用廣角聚焦的雙層飛眼透鏡光學(xué)的水下通信系統(tǒng)[75]。該系統(tǒng)采用波長為530 nm 的綠光LED 作為水下藍(lán)綠光通信系統(tǒng)的發(fā)射光源，采用反光杯與聚光透鏡的組合形式實(shí)現(xiàn)對光源的聚光和準(zhǔn)直，同時(shí)在發(fā)射端設(shè)計(jì)了適合于該水下通信系統(tǒng)發(fā)射端的LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。接收端采用一種廣視角聚焦的復(fù)眼透鏡光學(xué)接收天線，根據(jù)透鏡陣列的幾何光學(xué)原理，利用Zemax 軟件設(shè)計(jì)并仿真了復(fù)眼透鏡接收系統(tǒng)。最后搭建了水下通信系統(tǒng)接收效率的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3 所示，分別在實(shí)驗(yàn)室的水缸和水管中，對系統(tǒng)進(jìn)行不同渾濁度和不同通信距離的通信性能實(shí)驗(yàn)測試，通過對接收光學(xué)系的實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)證了該系統(tǒng)方案的可行性。

該系統(tǒng)的接收端采用一種廣視角聚焦的復(fù)眼透鏡光學(xué)接收天線。圖4（a）為單層曲面復(fù)眼透鏡示意圖。由于實(shí)驗(yàn)室使用的探測器絕大多數(shù)為平面結(jié)構(gòu)，因此對單層曲面結(jié)構(gòu)的復(fù)眼透鏡接收天線而言，位于邊緣的微透鏡對光斑的匯聚效果會(huì)有所下降。圖4（b）單層曲面復(fù)眼透鏡光線追跡示意圖，位于復(fù)眼中央的透鏡可將光束匯聚在探測器表面，但隨著微透鏡在球冠表面的徑向移動(dòng)，光束匯聚在探測器表面的效果也越來越差，在球冠邊緣的透鏡已無法將光線更好的匯聚在光探測器表面。

圖3 接收效率的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[75]Fig. 3 Schematic diagram of experimental device for reception efficiency[75]

圖4 單層曲面復(fù)眼透鏡陣列系統(tǒng)示意圖[75]Fig. 4 Fig. 4 Schematic diagram of single-layer curved compound eye lens array system[75]

為了提升位于曲面結(jié)構(gòu)邊緣位置微透鏡的光束匯聚效果，使接收天線接收到的光束能進(jìn)一步集中，同時(shí)也為了解決光束在匯聚過程中的離焦現(xiàn)象，因此在單層的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種雙層曲面復(fù)眼透鏡陣列光學(xué)系統(tǒng)。圖5（a）為雙層曲面復(fù)眼透鏡陣列光學(xué)系統(tǒng)示意圖，首先系統(tǒng)首層每個(gè)小曲面透鏡的焦距由該透鏡所在半圓面的位置決定，使得大透鏡表面任意位置的小透鏡都可以獲得理想的光束匯聚效果，其次再通過二層的大曲面鏡匯聚在探測器的表面，最終使得光信號可以一次book=232,ebook=117聚焦在探測器表面，減少邊緣透鏡無法聚焦而帶來的光能損失。圖5（b）為雙層曲面復(fù)眼透鏡光線追跡示意圖。

圖5 雙層曲面復(fù)眼透鏡陣列系統(tǒng)示意圖[75]Fig. 5 Schematic diagram of double-layer curved compound eye lens array system[75]

通過測量LED 光源的功率并根據(jù)朗伯輻射模型，可以近似地估計(jì)雙層復(fù)合眼透鏡入射面上的光功率。如表10 所示，隨著復(fù)眼透鏡表面光源入射角的增加，在功率計(jì)前針孔的輸出功率隨之減小，這說明雙層復(fù)眼透鏡光學(xué)接收天線的插入損耗隨著入射角的增加而增加。

表10 雙層曲面復(fù)眼鏡片的入射角和插入損耗[75]Table 10 Incidence angle and insertion loss of double-layer curved compound lens[75]

圖6 分別給出了在不同距離以及不同接收端的情況下，光功率計(jì)測得的光功率值，可以得出當(dāng)通信距離一定時(shí)，雙層復(fù)眼透鏡接收天線接收到的光功率值最優(yōu)，其次是單層復(fù)眼透鏡接收天線，當(dāng)無復(fù)眼透鏡接收天線時(shí)，接收端測量到的光功率值很微弱。當(dāng)接收端的接收天線保持不變時(shí)，接收端測量到的光功率會(huì)隨著通信距離的增加而降低，但雙層復(fù)眼透鏡接收天線接收到的功率依舊高于其他2 種情況。

圖6 1m，3m，5m 處不同接收端光功率值[75]Fig. 6 Optical power values of different receiving terminals at 1m, 3m and 5m[75]

圖7 是不同傳輸距離時(shí)通信系統(tǒng)的誤碼率。從圖7 可以看出，隨著通信距離的增加，系統(tǒng)的誤碼率也隨之隨加。在通信距離為1 m 時(shí)的誤碼率為1.36×10–14，當(dāng)通信距離達(dá)到3 m 之后，誤碼率的增幅也隨之變大，當(dāng)通信距離達(dá)到5 m 時(shí)，此時(shí)的誤碼率增大到4.58×10–12，綜上說明隨著傳輸距離的增加信號質(zhì)量的衰減也在加劇。

圖7 不同通信距離的誤碼率[75]Fig. 7 Bit error rate of different communication distances[75]

運(yùn)用數(shù)值仿真軟件對復(fù)眼透鏡的接收光功率進(jìn)行理論計(jì)算，以便通過理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，更加直觀的看出無復(fù)眼接收天線、安裝單層復(fù)眼接收天線和安裝雙層復(fù)眼接收天線，3 種狀態(tài)下接收端接收到光功率的差距。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境為靜水狀態(tài)，因此不考慮湍流的影響，數(shù)值計(jì)算的參數(shù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)一致，P0=500 μW，Dt=38 mm，Dr=100 mm，σr2=10–10～10–13，ηt=0.82，book=233,ebook=118c(λ)=0.151，B=150 MHz，T=290，R=50 ?，β=20°。計(jì)算結(jié)果如表11 所示，表中：Ps為理論數(shù)據(jù)；Pe為通過實(shí)驗(yàn)測量采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值。

結(jié)合表11 數(shù)據(jù)繪制擬合理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測量采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值對比曲線圖，如圖13 所示，圖8 中實(shí)線為光功率測量儀在1 h 內(nèi)不間斷測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使擬合的曲線，虛線則是使用雙層復(fù)眼透鏡接收天線的接收光功率公式計(jì)算后擬合的曲線。結(jié)合圖8 中實(shí)線與虛線的走勢可以看出，這3 組曲線都符合指數(shù)衰減的趨勢。從圖中可以看出在傳輸距離一定時(shí)，雙層復(fù)眼透鏡比單層復(fù)眼透鏡接收到的功率值均有提升。

表11 理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[75]Table 11 Theoretical calculation data and experimental data[75]

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線和理論數(shù)據(jù)曲線[75]Fig. 8 Experimental data curve and theoretical data curve[75]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鏈路距離為1 m、3 m 和5 m時(shí)，雙層復(fù)眼系統(tǒng)的接收光功率比單層系統(tǒng)的接收光功率分別提高了72%、65%和60%。雙層飛眼透鏡接收天線能顯著提高接收端接收到的光功率。因此，該天線結(jié)構(gòu)在水下光學(xué)無線通信領(lǐng)域具有較強(qiáng)的實(shí)用性和良好的發(fā)展前景。雙層復(fù)眼接收天線為增加水下光學(xué)無線通信距離提供了一種可行的解決方案。未來的研究可集中于利用信道均衡技術(shù)提高該通信系統(tǒng)的傳輸性能。

5 結(jié)束語

本文從水下無線光通信的基本理論出發(fā)，對比分析了水下光通信的優(yōu)點(diǎn)。首先介紹了水下光通信的模型，然后從海水的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，提出了影響水下傳輸信道的因素，主要包括吸收、散射、湍流等。接著介紹了水下光通信中用到的關(guān)鍵技術(shù)，包括信道建模、調(diào)制編碼技術(shù)、光源選擇、探測技術(shù)，對這些方面的研究進(jìn)展和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，最后詳細(xì)介紹了一種新型的水下光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，為水下遠(yuǎn)距離傳輸提供了一種可行的解決方案。依據(jù)本文的研究進(jìn)展，水下無線光通信系統(tǒng)依舊存在不少需要改進(jìn)和完善的內(nèi)容：

book=234,ebook=1191）本文提到的實(shí)驗(yàn)大多適用于單工通信，未來可以將高帶寬的發(fā)光二極管與高靈敏度的光電探測器結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)半雙工或全雙工的通信系統(tǒng)。

2）水下光通信系統(tǒng)的接收端大多數(shù)是單探測器接收，未來在接收端可以使用多探測器并添加多個(gè)聚焦透鏡進(jìn)行接收，可以增大通信距離，降低誤碼率[75]。

3）未來可以設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)的編碼調(diào)制方案，在水下無線光通信系統(tǒng)中可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的調(diào)制和編碼方式，這樣系統(tǒng)可以節(jié)省大量的能源，擁有更長的工作時(shí)間[8]。

4）對于跨介質(zhì)傳輸模型，大多數(shù)垂直鏈路的實(shí)驗(yàn)都是假設(shè)海水是均勻介質(zhì)，未來可以根據(jù)真實(shí)海洋情況進(jìn)一步研究[128]。

5）由于在水下接收到的光信號強(qiáng)度很弱，而目前水下弱光檢測技術(shù)尚不成熟，未來可以研究一套水下弱光信號檢測系統(tǒng)[165]。

6）隨著物聯(lián)網(wǎng)和 6G 的發(fā)展，未來有望把UWOC 與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，提出新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，把水聲通信、水下射頻通信與水下光通信結(jié)合起來，一定能克服信道不穩(wěn)定，傳輸速率低的問題[166]。