《无线光通信技术——从理论到前沿》课件_第6章.pptx

第6章水下无线光通信;

6.1概述;

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表6.2所示为不同水下无线技术之间的比较。;

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6.2光在海水中的传播特性;

2.电磁波

电磁波在水下环境中传播带宽更高、速度更快,因此在如何提高数据速率方面吸引了大量学者。根据系统设计架构的不同,电磁波使用的范围为几十Hz至GHz。

电磁波通信链路系统需要在水下和地面链路之间建立收发机,可以实现在MHz到GHz频率范围的通信。如图6－1(a)所示,这种通信系统被称为基于浮标的射频通信系统,它们并不是真正的水下通信。水面的浮标作为中间节点,分别连接着水下收发机和其它通信终端,以建立RF轮船、RF－GPS、RF－飞机等通信链路。图6－1(b)所示的系统被称为直接射频通信系统,它利用极低频(ELF)或低频(LF)进行通信。;

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如图6－2所示,射频信号在海水高频段衰减度更高。值得注意的是,海水的吸收系数与电导率有关:

式中,α是吸收系数,f为工作频率,μ为磁导率,σ为电导率。为支持远距离通信,大部分工作均是在低频状态下进行的。;

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相反,淡水的吸收系数本质上与频率无关,为

式中,??为介电常数。因此,在淡水环境中电磁波通信是很好的选择,但它需要非常大的天线尺寸(频率为30kHz时,波长为10km)。此外,为了补偿天线的高损耗,需要更大的发射机功率。;

3.光波

由于电磁波信号天线尺寸巨大,因此需要较大的发射机功率。为了实现水下高数据速率通信,可以使用光波信号。由于光学载流子的高频特性,水下无线光通信在几百米的距

离内能够实现Gb/s级别的数据传输速率。在水下环境,由于悬浮粒子引起海水的吸收、散射或太阳的强扰动等因素,光信号面临着极大的挑战,但目前仍有许多数据表明,在水下中等距离仍可以进行光通信,且能够实现高容量无线光传输。;

表6.3汇总了截至2015年各类水下无线光通信的实验内容。;

6.2.2海水对光波的吸收与散射

造成水下光波信号强度减弱或方向变化的主要原因是光吸收和散射。为了了解吸收系数和散射系数,图63给出了一个厚度为Δr、单位体积为ΔV的海水固有光学特性的???何模型。;

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当采用功率为Pi、波长为λ的入射光照射海水时,入射光功率的一小部分Pa被水吸收,另一部分光功率Ps被散射。剩余的正常传播的光功率Pt将不受影响。因此,根据能量守恒定律,它可以表示为;;

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从表中可知,光在浑浊港口水域中的传播远比在清澈海洋中更困难。海水的整体吸收是由于无机物质的固有吸收(如水分子、悬浮粒子和溶解盐)和有机吸收(浮游植物(即具有叶绿素的微小植物)、腐烂状的有色可溶性有机海洋物质或破碎的植物组织中的黄色物质)构成的。因此,海水的总吸收系数可以进一步分解为四个因子的总和:;

图6－4所示为开放海域和沿海水域的联合吸收光谱。;

表6.5列出了不同类型水域的理想透射波长。;;;

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综上所述,水下环境因素使光出现吸收和散射现象,它们共同影响着水下光束的传播。例如,在纯净的海水或清澈的海洋中,吸收是主要的限制因素,而当海水接近有机物和悬浮微粒出现的陆地时,散射占据了主导地位。因此,将最小吸收窗口的光波长由蓝绿波段变为黄绿波段。这意味着对与波长相关的水下环境,一种结合速率自适应传输的多波长自适应方案,可缓解水下环境随机变化的难题。;

6.2.3海洋湍流

1.海洋湍流空间功率谱模型

海洋湍流是指海洋水体中任意点运动速度的大小和方向都紊乱变动的水体流动。它能加强溶解质的扩散,导致动量和热量的分散转移。海洋湍流中的折射率起伏由温度和盐度

变化共同引起,海水中温度、盐度随机起伏,使得激光在海洋湍流中传播时其振幅、相位发生随机波动,产生光束漂移、光强闪烁等现象,致使水下激光通信性能劣化。;;

1)Nikishov海洋折射率谱

海洋湍流由海洋折射率谱模型描述,其主要由温度和盐度随机起伏引起,因此期望建立海洋折射率扰动与温度和盐度梯度之间对应的函数关系。在线性近似中,折射率扰动n

可表示为温度和盐度起伏的线性函数:

式中,A是热膨胀系数,B是盐度收缩系数,T表示折射率的温度波动,S表示折射率的盐度波动。;

对于局部均匀和各向同性的湍流,折射率起伏的结构函数可以通过温度、盐度和耦合起伏的三个相关函数来获得。利用折射率波动的结构函数的光谱展开以及空间功率谱

Φn(κ)与标量谱Φ(κ)之间的关系,Nikishov海洋折射率谱可表示为;

2)Yao海洋折射率谱;

3)Yi海洋折射率谱;

4)新近似海洋折射率谱;;

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2.光束漂移

1)光束漂移模型

近年来,有关光波在海洋湍流中传播的研究引起了国内外学者极大的兴趣,因为它对水下光学成像和通信系统的