水下高速led光通信技术研究

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景及意义海洋所占面积约为地球表面的70%左右，拥有极为丰富而一直未被充分开发的海洋物产资源，为人类的生存提供了充足的淡化海水、海洋生物、天然气能源以及海底矿产等。我国拥有300万平方公里海域，是海洋大国之一，却不是海洋强国，对于海洋资源的深入开发和利用具有重要的战略意义。随着对海洋环境探测的不断深入，水下无线通信技术也将变的非常重要，而一个良好的通信网络可以大大提高深海作业的效率。在过去的十多年里，在水生环境检测中使用自主的水下机器人已经获得了巨大的成功。同时，更小的、更便宜的、低功耗的水下机器人由于它

2、们易用性，比过去的设备对水下环境影响更少，而且通常能有高的能源利用率，因此获得了大量的关注。水下网络之间的小型机器人将促进从海洋学、环境检测、海上勘探到港口安全等方面的大量应用。然而，与地面的自主机器人相比较而言，水下机器人不能在水下环境中使用射频信号进行通信。水和空气不同，它会散射电波，还会干扰无线电信号，同时也妨碍了通过调制解调器进行传统无线通信，另外，背负着的射频通信工具也十分笨重，甚至可能会威胁潜水员的生命安全。在水下使用声学技术进行通信一直是这几十年科学家们所主攻的技术方向，但是它通常需要高功率，高成本，和相对较大的设备体积，而且还只能提供较低的数

3、据传输速率，这使得它难以被用于水下小型的机器人中。在一个相对复杂的水下通信网络中，声学通信链也表现出很长的传播延迟，这阻碍了声学技术在水下部分特殊场景中的使用。二十一世纪必然是LED(LightEmittingDiode，发光二极管)的时代，二十世纪六十年代出现的LED在短短的五六十年里飞快发展[1]，光的颜色从单色到多色、光的强度从低到高、使用的寿命从短到长、市场规模从无到有。LED出现至今，亮度以每10年提高20倍、价格以原来1/1000降低的速度发展。LED技术的发展已经给人类社会带来了翻天覆地的变化，其影响已经渗透到全球科技、经济、生活等各个领域，尤

4、其是在照明领域具有强大的优势和竞争力。LED具有效率高，价格低，寿命长等特点[2]。当发现LED具有高速关断特性的时候，科学家们开始将LED运用到可见光通信的场景中。可见光通信是最近兴起的一种无线通信技术，正受到越来越多来自全球科学家与海洋工程师们的瞩目。可见光通信的发现大大拓展了日益紧张的无线通信频谱。可见光通信技术利用LED灯可以高速调制的特性，用以设备终端之间进行高速通信[3]。因此，许多科学家为了克服原来水声通信的弱点，思考并实施了将可见光通信迁移至水下的想法。因为可见光在海水中传输的衰减因子大，并且受限于光源与光探测器的性能，水下光通信的发展速度并

5、没能想陆地上那样快速发展。水下光通信技术一直停滞不前直到后来有水下透光窗口被发现——蓝绿波段的可见光在水下传输的衰减远小于其他波段。从图1.1可见，1万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文440-570nm的蓝绿波段衰减最小[4]。因此，一些科学家便提出了使用光学通信的方式进行短距离的水下设备通信。甚至有些科学家希望开发集成光通信能力的声呐系统，在100米范围内使用水下光通信，在100米范围外使用声呐系统进行通信，近距离高速光通信，远距离低速声通信，优势互补[5]。4.543.532.521.510.502002503003504004505005506006

6、50700波长(nm)图1.1不同波段的可见光的海水吸收近些年，鉴于水下光通信系统特点，因其体积小，成本低且设计简单，已有个别国家开始对此项技术开展了技术研究，适用于在水下小型设备间的中短距离通信。然而，大多数的光学水下通信系统仍处于实验室研究阶段，还未有商业产品运用到水下小型机器人中。集成电路的快速发展，使得芯片的体积更小，而性能更好，也为水下光通信的设计和制作带来了许多的好处。本设计的光通信系统就着重考虑了体积的因素，选择了德州仪器等公司的小体积芯片，在控制体积的同时兼顾了性能。光学LED水下通信是一种有效的短距离水下通信方式。它可以在短距离范围内替代当

7、前水下技术中的一些类如声学等通信技术，尤其是在某些特定环境中,比如浅,沿海和内陆新鲜水使用,使用这种手段有助于克服声学等通信技术的缺点,并允许广泛采用水下监测系统，特是在有限的时间内，在低功耗模式下依旧可以支持视频和图片等转换速率要求高，数据量较大的场合中进行传播可靠的监测和监控。小尺寸和低成本的组件允许建立一个密集部署的网络，从而进行可靠的短距离高速数据传输。水下光通信的特性，决定了它是解决水下机器人推进器与水下机器人推进器、海洋监测基站之间进行通信的有效方式，另外它也适合与潜水员之前搭载，潜水员在水下不方便使用无线电等方式交流，搭载光通信系统之后，潜水员

8、之间可以利用光通信系统进行短距离的数据交换，适合潜水