水下LED光通信系統(tǒng)機理淺析

顏世恒

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

1 引言

水下無線光通信受海洋監(jiān)測及軍事應(yīng)用需求的影響，從上世紀(jì)六十年代開始興起，直到八十年代一度逐漸沉寂，主要由于在此期間光源和檢測器件的性能沒有提高。但進入九十年代，尤其是進入21 世紀(jì)后，受無線光通信技術(shù)和器件性能提高的推動，水下無線光通信重新受到巨大重視，國外很多研究機構(gòu)先后進行了水下無線光通信的各種實驗。2010年美國伍茲霍爾研究所水下實驗室在海洋科學(xué)會議上公布了其團隊開發(fā)的基于LED的水下無線光通信系統(tǒng)，可以在100m范圍內(nèi)達(dá)到10-20Mb/s的傳輸速率[1]。2011年，美國耶魯大學(xué)技術(shù)人員設(shè)計的水下無線光通信系統(tǒng)AquaOptical II，傳輸速率為2.28Mb/s，通信距離為50m[2]。2017年，美國LightSpeed U10水下光通信系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在100m的距離上大于1Mbps的全雙工通信，重量約1.7kg，如圖1所示[3]。

圖1 LightSpeed U10 水下光通信產(chǎn)品圖

表1 國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況

我國參與研究水下無線光通信技術(shù)的大學(xué)和研究所非常多，但是研究進展相對緩慢，更多的研究還只是處于仿真模擬和實驗室的水箱（水槽）實驗驗證階段。2011年，浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室對基于LED的水下光通信系統(tǒng)進行研究，實現(xiàn)了傳輸距離為9m，速率約為115Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸[4]。2013年，中國海洋大學(xué)也實現(xiàn)了在13米的范圍內(nèi)3Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸[5]。2014年，南京郵電大學(xué)李麗在實驗室水箱中模擬海水環(huán)境，通過實驗分析了可見光視頻通信系統(tǒng)的傳輸效果，并通過仿真分析了接收端信噪比與傳輸距離的關(guān)系，得出了基于1.1W藍(lán)光LED的系統(tǒng)傳輸距離的理論最大值，分析了提高系統(tǒng)性能的幾種方法[6]。2016年，浙江大學(xué)課題組通過使用16QAM編碼以及OFDM調(diào)制方式，使用經(jīng)濟的藍(lán)色LED實現(xiàn)了在2m水下高達(dá)百Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[7]。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

水下LED光通信系統(tǒng)組成如圖2所示，其主要包括通信主板、光學(xué)天線和電源模塊。在發(fā)送端，信源通過編解碼模塊完成信道編解碼工作，而后通過調(diào)制解調(diào)模塊，傳送至LED調(diào)制驅(qū)動電路，將信源信號加載到高頻響的LED燈上，信號以光束形式經(jīng)發(fā)射光學(xué)鏡頭發(fā)送出去。在接收端，光束經(jīng)接收天線匯聚后，照射到光電探測器上，由此光信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號經(jīng)功率放大、低通濾波后發(fā)送至調(diào)制解調(diào)模塊，完成解調(diào)；而后通過編解碼模塊完成解碼，并通過后均衡等處理后，輸出到終端。此外，收發(fā)自干擾抑制模塊主要功能是解決由于接收機與發(fā)射機的距離很近，大功率LED在水中散射的光可能會導(dǎo)致高靈敏度接收機前端的APD飽和，甚至很容易燒毀APD的問題。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

3 鏈路模型構(gòu)建

水下傳輸鏈路的光學(xué)系統(tǒng)是確保實現(xiàn)長距離通信的關(guān)鍵，光學(xué)系統(tǒng)包含LED光源、發(fā)射端和接收端。可見光水下傳輸?shù)拇翱跒?00nm-730nm，藍(lán)綠光在水下傳輸性能最好，因此采用藍(lán)光LED光源作為水下可見光通信系統(tǒng)的光源。

圖3 水下無線光通信傳輸鏈路模型

對于水下無線光通信系統(tǒng)，發(fā)射端是由LED加光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)組成，接收端是由接收光學(xué)器件加光電接收器件組成。采用LED的優(yōu)點是能源轉(zhuǎn)化效率較高，缺點是LED發(fā)出的光發(fā)散角比較大。因此光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計重點是考慮接收端的靈敏度以及發(fā)送端的LED功率，兩者之間存在一定的約束關(guān)系。此外還需要考慮光在水中的散射和水對光的吸收問題。此外，光學(xué)鏡頭設(shè)計重點應(yīng)考慮接收端的靈敏度以及發(fā)送端的LED功率，兩者之間存在一定的約束關(guān)系。結(jié)合外場工程實際要求，發(fā)散角一般不宜太小，假定LED的發(fā)散角為θ0，發(fā)送端的LED總功率為Pt，發(fā)送端LED的出光效率為ηs，發(fā)射端光學(xué)系統(tǒng)效率ηt，光譜中心波長λ，接收光學(xué)系統(tǒng)效率ηr，接收端與發(fā)射端光軸中心偏軸角為θ，接收端光軸與發(fā)射端偏軸為Δθ，鏈路距離為d，如圖3所示。結(jié)合已構(gòu)建信道數(shù)學(xué)模型[6]，接收光功率數(shù)學(xué)Pr改進模型如下：

以1顆3W美國CREE XPE 3W型LED為例，其藍(lán)光發(fā)光光功率在800mW左右，因此假設(shè)需要N顆LED。擬設(shè)定LED光學(xué)鏡頭發(fā)散角θ0為±10°，采用變焦技術(shù)完成不同發(fā)射角的動態(tài)調(diào)整。發(fā)射光源布局采用如圖4所示的等邊共圓布局，單個LED功率擬定3W，后期可通過內(nèi)外場試驗對LED布局和擬定功率進行迭代和修正。

圖4 LED光源布局方式

4 數(shù)值計算及仿真分析

根據(jù)現(xiàn)有海洋工程實際需要，整個系統(tǒng)應(yīng)有尺寸限制，假定放置在直徑5英寸（12.7厘米）的筒內(nèi)，按照20%有效面積分配給接收PD來計算，接收面積為SCapture=π×（0.127/2）2=0.004m2，由于LED的發(fā)散角為±10°，因此LED發(fā)出去的光在接收端形成的光斑半徑為50×sin（10°）=8.7米，則接收端光斑面積為236.8m2。假定為純海水，c（λ）0.0198，d=50m，發(fā)送端LED的出光效率為ηs=0.8，發(fā)射端光學(xué)系統(tǒng)效率ηt=0.8，結(jié)合（1）式可以計算出有效接收光功率：

考慮到散熱以及設(shè)備空間有限，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，考慮實際信道冗余，擬定7顆3W的LED，則接收端的光功率為PR=140μW。

目前大功率LED發(fā)光系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計方案有垂直式和陣列式兩種布局；垂直式布局采用在光學(xué)系統(tǒng)中軸上部署多個LED，在中軸兩側(cè)部署拋物面反射鏡，將垂直式LED發(fā)射的光依次反射到光學(xué)系統(tǒng)前端，這種方法光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，但光路存在遮擋，散熱較難解決；陣列式布局采用蜂巢結(jié)構(gòu)，由多個具備準(zhǔn)直出射光路的LED單元組成一個大的發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)，然后由出射透鏡進行光的匯聚，散熱等問題較易解決；采用ZEMAX進行光學(xué)仿真，如圖5 所示。仿真結(jié)果顯示，采用等邊環(huán)狀發(fā)射，光強分部較為均勻，實際工程散熱等問題解決也較容易。

圖5 LED光源模型構(gòu)建及仿真

5 結(jié)束語

本文對水下LED光通信的工作原理及系統(tǒng)組成進行了分析，并構(gòu)建了基于水下信號傳輸?shù)耐ㄐ沛溌罚M行了必要的計算和仿真分析。為進一步提高水下可見光LED光通信效率和傳輸距離，下一步工作擬采用功率更大且穩(wěn)定的藍(lán)光LED作為光源，使用高性能單光子探測器提高接收靈敏度，并在試驗中充分研究水下動態(tài)信道模型提高通信效率。