水下光通信的信道分析研究

王 菲

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

0 引言

目前，水下无线通信主要采用的是声学通信技术。水声通信技术相较于激光来说，具有通信距离远、通信可靠性高等优点[1-3]，并且，声学通信技术在浅海和深海的水下无线通信领域中被大量采用。尽管如此，水下声学通信技术也还是有着诸多不足之处，如传递速率相对较低、可用带宽不足、安全性相对较差[4]。水下激光通信是相对理想的水下通信技术，它作为一种高速水下数据传输的新方法，被广泛应用于技术和科研方面。

1 海水深度对于水下光通信的影响

海水深度越深，激光在海水中传输时，其能量衰减越厉害，信号畸变度也越大[5-6]。尤其是多变的海水信道，深海与浅海处所含物质的量的多少，是影响水下光通信的一个重要因素。根据长期实际观测结论，在近海区，海水的混浊度随着深度增加，在10-20m处可达到最大值[7]。图1为近海区传输距离与接收功率的关系。

由于近海海水中的物质比深海处更为复杂，所以其水下传输受到的影响也更多。通过分析图1不难发现，绿光的传输特性是最好的，所以，选择在近海处的水下光通信系统时，应当优先使用绿色光谱，能达到最优性能。但随着水深的不断增加，其水质又逐渐变清，在水深3000m以下趋于稳定，呈现出纯海水水质。图2为深海水域中传输距离与接收功率的关系，从图中可以看出，深海区各种颜色的光传输特点相差不大，其中蓝色光能稍微优于其他色光，这点与纯海水下的吸收和散射系数一样，没有太大的差距。

图1 近海水域收功率与传输距离的关系曲线

图2 深海水域收功率与传输距离的关系曲线

2 聚光设备的链路性能的影响

一般来说，一整套水下光通信系统都会配备聚光设备，分别安装在发送端和接收端，其目的都是为了更好传输与接收光信号。为了解聚光设备是否对其有促进作用，会对有聚光设备的系统和无聚光设备的系统进行分析并作出对比，从而分析水下光通信系统的性能。图3、图4为无聚光设备和有聚光设备时，深海水域和近海水域的光通信信道脉冲分别进行仿真对比分析。图中横坐标为以发送端发送脉冲信号为起始点的时间轴，纵坐标则是接收端相对于发送信号的能量衰减情况。

图3 无聚光设备时，不同水质中的光通信信道脉冲响应曲线

图4 有聚光设备时，不同水质中的光通信光功率曲线

由图3、图4曲线比较可得，有聚光设备的比没有聚光设备的系统衰减更慢。由此可以推出，光在水下进行传输时，聚光设备对于光传输距离的影响非常重要，说明远距离的光传输必须配备好的聚光设备。

3 结束语

本文通过仿真分析分别对近海、深海的光通信传输距离及其影响因素作了分析，对聚光设备实现远距离通信的作用进行了研究，得到了以下结果：一是不同海域所含物质的量不同，所以深海与近海处的传输规律还是有较大区别；二是发送端和接收端的聚光设备对于水下光通信的传输具有重要意义，有助于实现远距离传输的目标。