水下光通信LED阵列光源方法与实现＊

金晓宇 邓 荣 马 军 谢小秋

（1.海军蚌埠士官学校兵器系 蚌埠 233012）（2.92815部队 宁波 315716）

1 引言

所谓水下光通信，就是以光为信息载体，脉冲数字编码来调制，通过水下信道传输信息的通信方式［1～3］。水下光通信具有频带宽、通信速率大和保密性好等优点。一般认为，由于水体的吸收和散射作用，光波在水下传输的衰减很大，但是，研究表明，某些特定波长的光波在水下的衰减远小于其他波长的光波，这些特定波长的光波为蓝绿光，波长470～540nm［4～7］。用 LED 做光源进行水下光通信，发射机和接收机相对容易对准，还能兼顾照明。它体积小，重量轻，便于携带，适合安装在水下小型航行器和潜水员身上。本文立足于此，展开相关系统设计和理论研究。

目前，水下光通信研究中，以激光对潜通信研究为主，也有部分应用LED做光源进行水下光通信的研究。其中，2004年，澳大利亚国防部资助的研究项目采用可见光LED实现了2m内57kb／s的数据通信。2004年，美国的Woods Hole研究所和麻省理工在海水中采用普通的蓝光LED实现了115kb／s的Irda通信，距离达到5m［8～10］。本文在分析LED作光源进行水下光通信的优点基础上，介绍了水下光通信系统选择光源的条件，根据这些条件，设计了具体的光源阵列及其光学系统，最后应用设计的系统进行了水下光通信实验。

2 LED光源用于水下光通信的优点

1）容易对准

相比LD光源而言，LED光源发射的光束发散角大，一定距离的水下传输后，发射光斑相对激光光斑要大很多，因此在接收端，只要探测器在光斑能量允许的范围内都可以接收到信号。所以反射机和接收机在水下不稳定工作平台上对准时就相对容易，另外，在水下平台的扰动时，抗干扰能力也相对较强，不容易通信中断，连续工作能力强［11～12］。

2）体积小、重量轻

激光器由于瞬间输出高能量而需要为其提供高能量的泵浦源，泵浦源一般体积大，重量重。相比而言，LED驱动电路模块就小得多，只需要一般的铅蓄电池加高压模块就可以了。因此，它体积小，重量轻。

3）兼顾照明

水下激光通信中，一般采用脉冲激光器做光源，这样能量相对能做到集中。脉冲激光器由于需要泵浦源的粒子数反转需要时间，所以一般不能连续发光，即使能连续发光，那样也会对激光器造成很大的损坏。LED光源的驱动电流相对较小，可以工作在连续发光模式，同时，其发散角大，故能用于水下照明，以便对水下目标进行观测。

4）安全

由于激光能量相对集中，能量大，容易对人眼或一些不相干的重要仪器造成损害，因此一般不适合在有人员工作的场合使用或直接用于水下潜水员之间的光通信。相反，LED光能量相对发散，不容易对人员或仪器造成伤害。

3 LED性能曲线及阵列方法

光源是水下通信的核心部件，光源的性能对整个通信系统的性能起着至关重要的作用。水下无线光通信需要具有高性能指标参数的光源，水下无线光通信对光源的要求主要体现在以下几个方面：

1）发光波长应满足水下传输损耗的要求。不同波长的光在海水中传输受海水衰减效应的影响不同，因此，波长应选择在光传输透射率较高的波段。海水损耗窗口如图1所示。

图1 海水低损耗窗口

2）功率应较大。由于水下光信道层段的损耗较大，从发射到接收一般都经过几个数量级的功率衰减，探测器上接收到的甚至是nW、pW量级的光功率信号。

3）应适应水下通信的要求，光源应响应特性好、质量小、体积轻、功耗低，适应振动、温度、湿度等环境变化。

4）能适应高调制频率。通信速率是通信系统的重要性能指标，要想实现快速光通信，光源必须能很好地适应高调制频率。

本文选用的光源是流明公司的K2绿光LED，型号LXK2－PM14－U00，如图2所示，主要参数如表1所示，光谱曲线如图3所示。在1000mA的测试电流下，它的最小功率为87.4mW，典型功率为100mW。

图2 单个LED光源

表1 LED参数

图3 LED光谱曲线

由于光在水下衰减较大，单个LED作用距离有限，为了增加系统的通信距离，又将单个LED光源扩展为多个LED阵列。多个LED发射光可以实现多光束传输，而多光束传输可以有效降低通信误码。图4所示是用于安装光源阵列的七合一LED光源基片。

图4 七合一LED光源基片

4 光学系统设计

由于大功率LED发光二极管的发散角较大，可达140°，光能量发散影响了通信距离，为此，需要使用会聚光学系统改善大功率LED发光二极管的光束质量。因为使用的是七合一LED光源阵列，所以就选用七合一的透镜进行光束会聚和准直，如图5所示。安装后的LED阵列与会聚透镜如图6所示，准直后发散角为12°，可满足系统设计的要求。准直后的光斑图案（1m距离）如图7所示，能量密度分布如图8所示。

图5 LED光源会聚透镜

图6 LED光源与会聚透镜实物安装图

图7 准直后的光斑图案（1m距离）

5 实验

本文在水箱中进行了水下LED光通信模拟测试实验，检验系统的通信距离和通信速率。实验时，由信号发生器产生标准方波信号提供给发射通信系统作为需要传输的数据，发射通信系统将数据加载到光波上发射出去，光波经水箱传输后被接收通信系统接收，转换成电信号后由示波器显示出来。实验水箱的长度为1.2米。实验场景如图9所示。

图8 准直后的能量分布图

图9 水箱实验场景照片

实验中，加载到发射端信号发生器上的方波信号占空比为50%，幅值为2.5V，发射频率为500kHz，即数据速率1Mb／s，如图10所示。在接收端示波器获得的放大数字信号如图11所示。

图10 发射信号

图11 示波器获得的放大数字信号

6 结语

本文设计的七合一阵列光源用作水下光通信系统发射光源，具有体积小，重量轻，能较好地为通信发射机和接收机对准提供条件，还能兼顾照明。实验证明这种通信光源系统能用于实际的水下通信，而且通信速率还很高，表明这种设计是具有可行性的。

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