基于可见光的水下激光传输信道的特性分析

王 菲，杨 祎，段作梁，朱云周，高 卓

（1.西安邮电大学 电子工程学院，西安710121；2.中国船舶重工集团公司 第七〇五研究所，西安710075）

基于可见光的水下激光传输信道的特性分析

王 菲1，杨 祎1，段作梁1，朱云周2，高 卓2

（1.西安邮电大学 电子工程学院，西安710121；2.中国船舶重工集团公司 第七〇五研究所，西安710075）

分析激光束在海水光学信道中的吸收特性和散射特性，研究在不同波长下的不同杂质和不同杂质浓度与信道衰减特性关系，建立了激光信号海水信道传输模型。利用该模型，根据实际系统参数对波长530nm的信号传输特性进行了仿真分析，得到了不同波长时的系统接收功率范围，及530nm波长时系统在不同灵敏度下的传输距离。

激光束；海水信道；水下激光通信

0 引言

目前水下通信采用的声学通信方法有着通信距离远、通信可靠性高等优点，但水下声学通信传输速率低、可用带宽有限。而光学通信技术拥有更高的速率和更好的宽带优势[1]，可以克服水下声学通信的缺陷，大幅提高传输容量。研究发现，可见光中的蓝绿光波段在水中的衰减比其它光波段的衰减要小很多，类似于大气中的透光窗口[2]。又由于蓝绿激光的穿透能力强，工作频率高，方向性好，传送信息量大，抗干扰能力强，因此蓝绿光激光通信是一种理想的水下通信方式。但是激光在海水信道中受海水杂质和水分子的影响，信号在海水中传输的机理不是很确定，所以水下激光通信系统的设计缺乏理论依据。本文针对海水水质的光学特性进行了分析，建立了海水信道模型，并给出了系统参数与传输距离关系。

1 海水信道的光学特性

海水的光学特性与纯海水、溶解物和悬浮体这三种因素有关。海水中的各种成分主要有两个重要的光学性质[3]，一是海水中各种成分对光的吸收作用，另一个是海水中各成分对光的散射作用。这两个光学特性会造成海水中光传输的衰减特性，因此海水总的衰减系数为海水吸收系数与散射系数之和。

1.1 海水信道的光学吸收特性

海水的吸收特性与海水中所含物质的成分密切相关。海水中的主要成分有纯海水、浮游植物、非色素悬浮粒子和黄色物质。所以，海水的吸收系数为海水中各种物质成分吸收系数之和。

纯海水是指纯水与35‰溶解盐组成的液体。对于可见光来说，纯水的吸收系数与纯海水的吸收系数非常接近[4]。因此，可以用纯水对光的吸收系数来近似表示纯海水的光吸收系数。科学家研究表明，波长为530nm的光吸收系数αs(530)=0.0505m-1[5]。

本文选取的是叶绿素a浓度为5mg/m3的浮游植物[6]。浮游植物的吸收系数如式（1）所示[7]：

式中chl为叶绿素a浓度(mg/m3)，A(λ)为参考波长在λ=440nm时某一波长进行归一化的单位吸收系数[5]。因此叶绿素a浓度为5mg/m3的浮游植物在波长为530nm时的吸收系数αf(530)=0.0649m-1。

黄色物质对光只有单一的吸收作用，黄色物质的吸收系数如式（2）所示[8]：

式中ah(λ0)是参考波长为λ0=440nm时黄色物质的吸收系数[9]，一般取αh(440)=0.243m-1[3]，S为光的吸收谱斜率，常在0.011～0.0172之间[11]，通常取平均值0.014。因此波长 530nm的黄色物质的吸收系数 αh(530)= 0.0689m-1。

非色素悬浮粒子的吸收系数如式（3）所示[10]：

式中αl(λ0)为参考波长λ0=440nm时非色素悬浮粒子光吸收系数，光吸收谱斜率S的平均值为0.01±0.00212]。本文取αl(440)=0.198m-1[5]，吸收谱斜率S取平均值0.01。波长530nm非色素悬浮粒子光吸收系数αl(530) =0.0805m-1。

1.2 海水信道的光学散射特性

海水总散射系数是纯海水、浮游植物及非色素悬浮粒子的散射系数之和。研究表明，对黄绿光来说，纯海水的散射系数与纯水的散射系数非常接近[4]。因此可以用纯水对光的散射系数来近似表示纯海水的光散射系数。科学家研究表明波长为530nm纯水的散射系数βs(530)=0.0017m-1[5]。

海水中浮游植物产生的散射作用如式（4）所示[10]：

式中Bc为一个介于0.12～0.45之间的常数，一般取平均值0.3。因此，当chl为5mg/m3的浮游植物在波长为530nm时的散射系数为βf(530)=0.8444m-1。

非色素悬浮粒子的散射系数如式（5）所示[13]：

式中D'是非色素悬浮粒子的质量浓度（mg/L）。通常海水中，非色素悬浮粒子的质量浓度范围大约在0.01～3mg/L之间。因此浓度为1mg/L的非色素悬浮粒子在波长为530nm时的散射系数βl(530)=0.1297m-1。

2 基于光束扩展的光功率传输特性

光波在水下传输过程中不仅要考虑到水体对其的衰减影响，还要考虑光束扩展对光的损耗。若激光光束在接收器视场角范围内，则接收平面的光功率分布可近似为均匀的[14]。 光束扩展后的功率可用有效接收面积和光斑面积的比值来表示[14]，即光束扩展后的功率在视场角范围内为均匀分布。光源的发射装置会在发光过程中产生一定的损耗，即发射效率ηt。接收端的接收光束会受到接收天线、光学设计等影响，产生接收损耗，即接收效率ηr。综合上述各种因素条件，海水中的激光传输的接收功率方程可表示为：

其中，Pt是发射光功率，Pr是接收光功率，ar为光学接收天线的孔径半径，at为发射机的发射孔径半径，θ为光源的发光光束的发散角，c为海水总衰减系数，其中海水总的衰减系数c与激光波长λ、叶绿素a浓度chl和非色素悬浮粒子浓度D有关，d为水下通信距离。

3 海水中的激光传输特性仿真结果及分析

考虑到实际系统所用的光源为激光器，根据市面上激光器的功率和发散角参数，本文选取参数如下：发射功率Pt=150mW，通过透镜聚焦发散光斑半径at为1.5mm，光束的发射角为1.35mrad。接收端未采用光学接收天线时，根据光电检测器参数，在视场角范围接收半径ar为3mm。根据前文可知，海水的总衰减系数为1.2411m-1，本文选取的是叶绿素a浓度chl为5mg/m3的浮游植物和浓度D为1mg/L的非色素悬浮粒子，根据表1参数设置，本文仿真得到不同传播距离时的接收功率与波长的关系。

表1 实验装置参数

从图1中可以看出，无论传输距离多远，在波长450～700nm之间的接收功率较大，即传输信道的衰减对信号功率的影响较小，其中550nm波长左右的接收效果最好。比较市场上的激光器产品，530nm的激光器性价比较好，所以本文仿真采用530nm的激光器作为光源。

图1 接收功率与波长关系

根据表1中的参数和纯海水衰减系数cs(530)= 0.0522m-1以及含杂质海水总衰减系数 c(530)= 1.2411m-1，本文仿真得到波长为530nm激光的接收功率与传播距离的关系如图2所示。

图2 接收光功率与传播距离的关系

在相同水域中，即相同杂质和杂质浓度时，根据接收机灵敏度即最小接收功率的要求，信号可传输的距离不同。当传输距离一定时，接收功率随着发射功率的增大而增大。对比图2(a)和图2(b)可知，在纯海水中激光传输距离远远大于在含各种杂质的海水中传输的距离。由此可见，纯海水对光信号的衰减影响远小于含有杂质海水对光信号的衰减影响。

4 结束语

从以上的研究和分析可以看出，激光在海水中的传输特性主要表现为衰减特性。影响激光信号在海水中传输特性的因素主要有海水成分的吸收特性、散射特性以及光束的扩展特性。通过选择信道参数和系统参数，对海水信道传输模型进行的仿真，我们可以看出在波长为500～600nm之间，海水中的信道衰减特性对激光信号的影响最小，即海水中激光传输的接收功率最大。当波长为530nm、光源发射功率为150mW、接收机灵敏度为-30dBm时，综合考虑海水杂质对光的吸收和散射特性，光传输距离可达8m左右；若海水纯净，各种杂质可以忽略，同样的接收机灵敏度时，光传输距离可达80m以上。

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Characteristic analysis of underwater laser signal transmission channel based on visible light

WANG Fei1，YANG Yi1，DUAN Zuo-liang1，ZHU Yun-zhou2，GAO Zhuo2
(1.School of Electronic Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications,Xi'an 710121,China;2.China Shipbuilding Industry Corporation 705 Institute,Xi'an 710075,China)

Firstly,absorption characteristics and scattering characteristics of laser beam in the sea of optical channel are analysed in this paper,and the relationships of channel attenuation characteristics and different composition and the concentration of different components in the wavelength of light are researched,then seawater channel transmission model of laser beam is established.After that,the channel of signal transmission characteristics in 530nm wavelength are simulated and analysed in using the model and parameters of actual system,then the range of system received powers of different wavelengths and system transmission distances of different received sensitivity in 530nm wavelength are gotten.

laser beam,the seawater channel,underwater laser communication

TN929.12

A

1002-5561（2016）03-0026-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.008

2015-11-25。

陕西省教育厅专项科研计划（15JK1681）资助。

王菲（1990-），女，硕士研究生，主要从事光通信的研究。