多节点水下光通信的分析与研究

姚文明，王庆裕，冯瑜，金晓宇，宋春霞（.海军蚌埠士官学校兵器系，安徽蚌埠330;.北海训练基地光电探测教研室，山东青岛66000）

多节点水下光通信的分析与研究

姚文明1，王庆裕2，冯瑜1，金晓宇1，宋春霞1
（1.海军蚌埠士官学校兵器系，安徽蚌埠233012;2.北海训练基地光电探测教研室，山东青岛266000）

摘要：在研究多节点通信光学原理的基础上，理论分析了多节点水下光通信的实现方案。通过比较多点对点和点对多点通信方案的原理，得出多点对点通信更具可行性。在多点对点通信接收模块中设计了自动增益功能，扩大了接收模块接收光信号的动态范围。

关键词：光通信；多节点；水下；自动增益控制

0　引言

水下光通信是以光波为信息载体，通过水下信道传输信息的通信方式。因为水体的吸收和散射作用，光波在水下传输的衰减很大，所以通常采用穿透海水能力强的蓝绿激光器作为光源[1]。但是，激光的高准直性在给其带来优势的同时，也加大了激光发射和接收系统的性能要求，从某种程度上来说，点对点通信限制了激光通信在水下环境中的广泛应用。因此，多点间的水下光通信越来越引起研究者的关注。近年来，各国已相继开展多点水下光通信方面的研究[2]，并取得了一定的成果。但是，我国对多节点光通信的研究还处于起步阶段，主要研究集中在总体设想和网络协议方面,针对水下多节点光通信的研究未见公开报道。

激光通信时，只有发射光学系统发出的带有信号的激光被接收光学系统接收才能完成通信。由于激光器发出的激光是高斯光束，发散角较小，这要求接收光学系统必须对准发射光学系统，导致接收光学系统的接收视场角很小，为实现点对多点和多点对点激光通信，需要研究光学原理，探索大角度或全向发射和接收系统。同时，为增大水下光通信的传输距离和通信速率，通常采用自动增益控制技术以克服水体对光强的较大衰减，但这会造成光信号减弱。本文在分析研究上述技术的基础上，探讨相应的解决方案，为拓宽水下光通信的应用范围提供途径。

1　多节点通信光学原理

根据上述证明可知，入射光线通过焦点时，旋转抛物面具有反射光线与旋转对称轴平行的光学性质。因此，本文把旋转抛物面(改造后)作为激光通信的一个终端光学天线，实现多节点间的相互通信。

2　多节点水下光通信方案设计

2.1多点对点通信方案

实现多点对点通信需要节点的接收光学系统可以接收来自多个节点的不同方向上的信号。由多节点通信光学原理可知，在接收光学系统端安装抛物面反射镜，可大大增加接收光学系统的接收范围，实现大角度光学通信，减弱甚至消除激光高准直性对激光广泛应用的限制。多点对点通信的原理框图如图2所示，在多个方向发射过来的光信号中总会有一束光的方向经过抛物面的焦点，由抛物面反射镜反射后，反射光线可以平行于对称轴进入接收屏，实现大角度2θ区域多点对点的信号传输。在抛物面反射镜后的光信号由于遮挡无法进行通信，从而产生盲区。理论上，盲区面积的大小与接收屏和抛物面反射镜之间的距离有关，距离越大，盲区面积越小。由于水下的复杂环境和光学通信系统结构的多方面影响，接收屏与抛物面反射镜之间的距离只能控制在一定范围内，不能无限增大。

2.2点对多点通信方案

点对多点通信实质是增大发射光学系统的发散角，使发射系统实现对多个节点的接收系统通信，其原理框图如图3所示。平行光源经抛物面反射镜发射后，实现了大角度的水下区域光通信。同样，抛物面反射镜后的区域由于光信号被遮挡无法进行通信而产生盲区，盲区面积可以通过加大光源与抛物面反射镜之间的距离来减小，但也只能控制在一定范围。

2.3两种通信方案的分析比较

抛物面反射镜对于经过焦点的入射和反射光线具有特殊的光学性质。其中多点对点通信的原理是利用不同方向的入射光线经抛物面反射镜反射后反射光线平行于对称轴的性质。而点对多点通信是利用平行光源入射到抛物面反射镜后反射光线沿焦点方向向周围传输的特性。由于点对多点通信会扩大光束的发射角，大大削弱了光束的能量，加上光束穿过水体时，水体对光强的衰减，导致光强可能不足以到达接收节点的接收端,因此,多点对点通信更具可行性。

图1　旋转抛物面反射原理图

图2　多点对点通信原理框图

图3　点对多点通信原理框图

3　自动增益控制方法设计

多点对点通信时，由于水体对光强的衰减较大，发射模块发出的光信号到达接收模块时光强较弱。因此，需要在接收模块中加入自动增益功能以扩大接收模块接收光信号的动态范围，提高水下无线光通信系统的适用性。本文提出采用可控增益放大电路和光电倍增管两种适用于水下无线光通信的自动增益控制方法。

3.1可控增益放大电路实现自动增益控制

基于可控增益放大电路的自动增益控制方法如图4所示。发射模块的光信号到达接收模块后，先经光电倍增管转换放大并输出电信号Uin；Uin通过可控增益电路进入峰值保持电路，获得信号峰值并通过数字处理电路完成模/数转换；比较转换后的信号与参考信号E得出控制信号，将其送入可控增益电路调节放大器增益，从而完成自动增益控制功能。

可控增益控制电路采用两个电压型可调增益放大器级联实现，也可使用压控增益放大器实现。峰值保持电路由集成采样/保持器和比较器实现。数字处理电路通过内部集成模/数和数/模转换器的单片机实现。

3.2光电倍增管实现自动增益控制

基于光电倍增管的自动增益控制方法是利用光电倍增管内部增益随工作电压可调的特性，实现自动增益控制[4]，具体工作原理如图5所示。

4　结束语

本文对多节点水下光通信的原理进行了分析研究，结果表明，多节点光学通信原理适用于多节点水下光通信，多点对点通信较点对多点通信更具可行性。另外，为扩大接收模块接收光信号的动态范围，本文设计了自动增益控制模块。本文的研究成果为拓宽光通信的水下应用范围提供了途径，后期将在使用Tracpro软件分析的基础上，制作抛物面反射镜和自动增益控制电路进行试验，以期获得理想结果。

参考文献：

[1] FELIX Schill, UWE R Zimmer, JOCHEN Trumpf. Proc. of the Australasian Conference on Robotics and Automation [C]. Canberra, Australia: Springer Lecture Notes,2004.

[2]陆炳哲.国外光电桅杆的配置方式综述[J].舰船光学,2004,40（3）:13-16.

[3]姜会林,胡源,丁莹,等.空间激光通信组网光学原理研究[J].光学学报, 2012,32（10）:48-52.

[4]胡春华,王忠林.荧光检测中光电倍增管的增益电压控制[J].中国科技信息,2007（18）: 94-95.

图4　基于可控增益放大电路实现自动增益控制

图5　基于光电倍增管实现自动增益控制

Analysis and research on multi-node underwater optical communication

YAOWen-ming1, WANGQing-yu2, FENGYu1, JINXiao-yu1, SONGChun-xia1
(1. Dept. of Weaponry, Navy College of Petty Officer,
Bengbu Anhui 233012，China; 2. Dept. of Photoelectric detection,
Navy north sea training base，Qingdao Shandong 266000, China)

Abstract:The paper analyzes the implementation scheme of multi-node underwater optical communication based on the study of multinode communication optical theory. By comparing the principle of multipoint to point communication scheme and point to multipoint communication scheme, it draws a conclusion that the multipoint to point communication is more feasible. The paper designs the function of automatic gain control on the multipoint to point commonication, expands the dynamic range of receiver module.

Key words:optical communication, multi-node, underwater, AGC

中图分类号：TN929.1

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0060-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.019

收稿日期：2015-08-24。

作者简介：姚文明（1989-），硕士研究生，主要研究方向为光电技术与应用。