（通信与信息系统专业论文）水下短距离可见光通信技术的研究.pdf

水下短距离可见光通信技术的研究 摘要 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。目前水声技术 是实现水下通信最成熟的手段，而其它传统的用于空中无线通信的技术( 如无线电通信技术 和红外通信技术) 在水中均难以实现。最近几年，少数几个国家开始对水下可见光通信技术 进行研究，这是一项新的水下通信技术，其系统设计简单，体积小，成本低，主要应用于水 下小型设备之间的近距离通信。以此为背景，本文对水下可见光通信技术进行了研究。 首先，本文分析了水下可见光通信技术研究的目的和意义，并对近年来国外在该领域的 研究状况进行了简要概述。研究了海洋水体的光学特性，为选择可见光中的蓝、绿光部分作 为水下通信媒介提供依据。 然后，提出了一种实现水下短距离可见光通信的方案，该方案物理层采用i r p h y 标准、 连接建立采用i r l a p 协议。硬件部分包括主站和从站两部分，其中主要对从站进行了设计， 即以凌阳s p c e 0 6 1 a 单片机为平台，以红外通信控制器m c p 2 1 5 0 为实现光信号和u a r t 数据转 换的接口，用大功率发光二极管l u x e o ni i ie m i t t e r 作为光源；用平面滤波光电二极管 s l d - 7 0 b g 2 作为接收器，并用m a x 3 1 2 0 将接收的光信号进行放大、滤波，使其符合m c p 2 1 5 0 的解码要求。 因为m c p 2 1 5 0 支持i r d h 标准协议栈，所以系统的软件设计相对简单。本文分析了从站与 主站的链接建立和数据传输过程，并对从站的数据收发和广播i d 设置进行了设计。 最后，对论文进行了总结，对今后水下可见光通信技术的发展方向和应用进行了展望。 关键词：可见光；水下通信；m c p 2 1 5 0 ；大功率l e d ；ir d h 协议 s h o r tr a n g eu n d e r w a t e rv i s i b i eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t t h ef u t u r eo c e a ne n v i r o n m e n tw i l lb e i n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d ，a n dt h e e x p l o r a t i o no fo c e a nw i l lb ep r o g r e s s i v e w i r e l e s su n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o nw i l l b e c o m eac h a l l e n g i n gt a s k m o s tt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ，w h i c ha r ew e l l e s t a b l i s h e df o rd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni na i r , d on o tw o r ki nw a t e r a tp r e s e n t ，s o n a r c o m m u n i c a t i o ni st h eb e s tm e t h o d ，b u ti sl i m i t e db yl o wb a n d w i d t h i nr e c e n ty e a r s ， u n d e r w a t e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sw i d e l yr e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r ，w ea l s o i n v e s t i g a t eu n d e r w a t e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n f i r s to fa l l ，t h e p a p e ra n a l y z e st h e i n t e n t i o na n dm e a n i n gt or e s e a r c h u n d e r w a t e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n di n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to f u n d e r w a t e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h ef i r s tm a i nf o c u so f t h i st h e s i si st os t u d yh o wt oc l a s s i f yt h et y p eo f w a t e r ， a n dt os t u d yt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fo c e a nw a t e r , w h i c hw i l lo f f e rf o u n d a t i o n st o s e l e c ta p p r o p r i a t ew a v e l e n g t hf o ru n d e r w a t e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h es e c o n d a r yf o c u so f t h i st h e s i si st op r o p o s eam e t h o do f u n d e r w a t e ro p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t h e r ea r et w op a r t st ot h ep r o j e c t ，p r i m a r yd e v i c ea n ds e c o n d a r y d e v i c e ，a n do n l yt h es e c o n d a r yd e v i c ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，w eu s e d i r d ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rm c p 215 0 ，m a x 3 1 2 0 ，w h i c hi sal o w - p r o f i l e ，3 v ， 1 2 0 1 t ai r d ai n f r a r e dt r a n s c e i v e r , ah i 曲p o w e r e dl e du s e da se m i t t e ra n da s l d 一7 0 b g 2u s e da sr e c e i v e r s e c o n d l y ，w ea n a l y z e t h el i n kp r o c e s so fs e c o n d a r yd e v i c ea n d p r i m a r yd e v i c e ， a n d d e s i g nt h ed a t at r a n s m i s s i o np r o c e s sa n dp r o g r a m m i n gt h ei do fs e c o n d a r y d e v i c e f i n a l l y ，t h ep a p e rw a ss u m m a r i z e da n dt h ee x p e c t a t i o nw a sm a d e k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n ；o p t i c a l ；m c p 2 1 5 0 ；h i 曲p o w e rl e d ； i r d ap r o t o c o l 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学 位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名易7 耠矽爱签字日期：劢占月日，+ 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：b 压矽芝 导师签字： 签字日期乏唧年月；日 签字日期； 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 遥讯地址： 电话： 邮编 水下短距离可见光通信技术的研究 0 前言 0 1 概述 近年来世界各国掀起了探索海底的高潮，水下无线传感器网络“1 也被广泛应用于水下环 境监测、海底探测等领域。比如要实现对全球海洋微生物、微弱地震、地壳变形、环境污染 等参数的永久观测，只依靠人的力量是难以完成的，如果将不同的传感器固定在海底，每隔 一定时间记录下各种参数，然后定期对其进行数据采集，可获得大量连续、大范围的准同步 海洋数据，为海洋资源开发利用、海洋环境保护和海域使用管理提供科学依据。因此，与水 下传感器进行无线通信就成了一项关键的任务。目前各国对水下可见光通信技术研究的主要 目的之一就是实现与水下传感器、记录仪等设备的通信。 水声技术是目前最成熟的水下通信技术。但声在水中的传输速率极低，还不及光速的二 十分之一，声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干扰等因素也使得水声设备的研制非 常困难。另外，对于水下传感器这样的小型设备，用声纳进行通信似乎显得太笨重，而且加 重了能耗。其它大部分传统的空中无线通信技术在水中都无法正常工作，例如，红外光不能 穿透水而使得红外通信技术无法应用于水下；电磁波在海水中衰减非常快( 如蓝牙技术和无 线局域网技术都工作在大约2 4 g h z 的频率附近，而2 4 g h z 的信号在海水中的衰减大约为 1 6 9 5 d b m ，而在纯净淡水中的衰减仅为1 8 9 d b m 0 1 ) ，因此无线电通信技术在水下也难以实现。 目前已有的水下无线电通信系统也只是局限于浅层海域，而且要装备庞大的天线系统o 。超 低频似乎可以减小衰减的程度，但是超低频系统耗资大，数据传输率极低。另外蓝绿激光通 信技术和中微子通信技术也可以应用于水下，但是这些技术目前还不是很成熟，且开发费用 都很高。 可见光中的蓝、绿光部分在水中的吸收和散射相对较小，且有较高的理论带宽，当需要 传输的数据量很大时，可见光通信技术要比水声技术占优势，这使得水下可见光通信成为可 能。而且可见光通信系统具有设计简单、开发成本低、体积小等特点，适合应用于小型设备， 但是可见光在水下的衰减同样限制了通信的范围，所以只能进行短距离通信。 近几年来，在水下可见光通信技术研究领域成绩比较突出的国家主要有美国、澳大利亚 和加拿大等。其中比较有代表性的研究成果有：2 0 0 4 年m a u r i c et i v e y 等人研制的一种低功 耗小型水下可见光通信系统“1 ，主要目的是为了实现与海底记录仪进行数据传输；2 0 0 5 年 f e l i xs c h i l l 等人研制的一种体积更小的设备嘲，主要用于小型a u v 之间的通信；i u l i u 1 水下短距离可见光通信技术的研究 v a s i l e s c u d e n g 等人研制的一种用于对水下传感器网络进行数据采集的设备“1 。下面分别介绍 他们的研究成果及其应用。 0 2 水下可见光通信技术的发展现状 1 、一种水下低功耗可见光数据采集设备 2 0 0 4 年，美国伍兹霍尔海洋研究所( w o o d sh o l eo c e a n o g r a p h i ci n s t i t u t i o n ) 的m a u r i c e t i v e y 和p a u lf u c i l e 等人研制成功了一种用于水下短距离可见光通信的设备( 图i 1 ) ，用 于与海底传感器进行通信“1 。该设备可以发送和接收数据，其中发射器是由2 2 个l e d 构成的 圆盘阵( 直径大约为4 8 c m ) ；接收器是一个硅光电二极管( 面积大约为4 2 m m 2 ) ，安装在l e d 阵的中心位置，光电二极管前面安装了一个小菲涅耳透镜以改善轴向聚光能力。 图1 1 短距离可见光数据采集设备 该设备采用i r d a l o 标准，以1 4 4 k b s 的数据率，在水下对红光和蓝光进行了实验。实验 结果如图1 2 所示，结果表明蓝光和红光的最佳通信距离( 无误差传输) 分别为1 5 m 和2 5 m ， 显然在短距离( 5 m 以内) 范围内用红光通信效果要比用蓝光的效果好，但是，当通信距离大 于5 m 时，红光衰减要比蓝光衰减较快，因为蓝光较容易发生散射，因此较长距离的通信最好 使用蓝光l e d 。为了增大通信距离，m a u r i c et i v e y 将红光l e d 的个数增加到3 2 0 个，将圆盘直 径增大到5 英寸，制作了该水下可见光通信设备，预计可将通信距离将增大到5 m 。这是因为水 对光的吸收随波长的增加而增加，红光波长为6 6 0 n m ，蓝光波长为4 5 0 h m ，理论上水对蓝光的吸 收较少，但是相对红光而言蓝光较容易被水中的微小颗粒散射。 水下短距离可见光通信技术的研究 光 强 1 矿 0 、 。l ，0 轴i 一一 - _ _ 。求一 n i 一 j 个心 r 五r 蠢函i l n i i l ：i 稿 一一 ：怨苗l i 丫y 1 t & m2 ”“3 is 距离( 米) 图1 2 红蓝光l e d 水下通信实验结果 该设备被设想用于对海底记录仪进行 数据采集( 如图1 3 所示) ，即让机器人携 该装置与海底传感器网络进行通信，采集海 底传感器记录的各种数据。这样可以不必破 坏传感器网络所在的海底环境，也不必移动 传感器，便可对海底的环境参数( 如海洋微 生物、微弱地震、地壳变形等) 进行长期观 察，从而研究整个海洋从海底到海面的环境 变化，帮助人们更好地保护海洋。 图1 3 与海底传感器通信z 2 、一种用于水下小型设备通信的数据收发器 2 0 0 5 年，澳大利亚国家大学( a u s t r a l i a nn a t i o n a lu n i v e r s i t y ) 信息科学与工程研究院 的博士f e l i xs c h i l l 和u w er z i m m e r 等人研制出一种水下光通信的收发器。1 ，其电路框图如 图1 5 所示。他设计的装置要比m a u r i c et i v e y 的装置小的多，主要是为水下s e r a f i n a “1 群之 间的通信而研制的。与m a u r i c et i v e y 不同的是，该装置采用一种大功率l e d ，目p l u x e o ni i i e m i t t e r ( 图2 3 ) 作为发射器，而m a u r i c et i v e y 采用的是普通的l e d 作为发射器，这种大功 率l e d 可以大大增加通信的距离。 f e l i xs c h i l l 用三种不同颜色的l u x e o ni i ie m i t t e r ( 蓝、绿、青) 在一个深1 5 m 、直 径5 m 的清澈水池里对该收发器进行了实验。尽管该装置的主要目的是为了实现水下潜器群之 查! 堑堕塑里墨堂望堡垫查竺! 塞 间的数据传输，但该实验还可以实现另外两个重要目的：一是用于测量光通信的最大距离( 这 里的距离是指发射器和接收器之间实现无误差数据传输的最大距离) ，由于水池尺寸的限制， 可测的最大距离为1 7 m ；二是进行距离测量( 这个距离是指发射器和接收器之间的任意距离) ， 其中短距离测量可以根据发射器上所加的正向电压与误差率来判断，长距离测量可根据传输 率与距离的关系来判断。 图1 5 数据收发装置原理框图 3 、一种基于水下传感器网络的数据采集系统 麻省理工大学( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 计算机科学实验室的博士 i u l i uv a s i l e s c u d e n g 和p e t e rc o r k e 等人对水下可见光通信的研究0 1 是基于这样一个水下传 感器网络：该网络由静点( 固定在水下的传感器) 和动点( 移动装置) 组成，静点固定在水 下，动点安装在a u v 上并由a u v 携带定期潜入水下与静点通信，收集由静点记录的数据。在静 点和动点的每次通信之间，静点处于睡眠状态，当动点要求与静点通信时将其唤醒，这样可 以减少能耗。动点由安装在a u v 上的定位系统寻找静点，只有当探测到与静点相似的物体才发 出唤醒信号，这一点由安装在a u v 上的视觉系统完成。图1 6 ( a ) 所示即为静点( 黄绿色盒子) 和动点的图片，图中的动点是一个小型a u v a m o u r “1 ( a u t o n o m o u sm o d u l a ro p t i c a l u n d e r w a t e rr o b o t ) ，它可以自动重组自己的组件，用于水下环境监测和开发。图1 6 ( b ) 也是 一种动点( s t a r b u ga u v ) 。 该系统的数据收集过程为：动点向静点发出询问( 脏l l o m e s s a g e ) ，静点用它的特征( 容 量、软件版本、时钟等) 作为应答信号( a c km e s s a g e ) ，动点将得到的应答信号与希望值比 较，如果不一样，继续寻找，如果一样，则发出数据传输请求，然后静点向动点传送数据， 传送完毕，动点发出命令让静点置位将原有数据擦除。 d 水下短距离可见光通信技术的研究 图i 6 ( a ) 静点与动点( a m o u r )图1 6 ( b ) 动点( s t a r b u ga u v ) 对水下静点的数据采集只是实现水下可见光通信的一部分，另外还应有其他技术的支持， 比如水下静点和动点的设计制作、目标的定位、跟踪等。i u l i u v a s i l e s c u d e n g 在这几个方面 同样作了大量的研究工作，比如实验中小型a i - 一 m o u r 的开发研制“1 ，水下机器人的跟踪 和定位等。 4 、一项基于r o n j a 的光连接研究 2 0 0 5 年，北卡罗莱纳大学( n o r t hc a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t y ) 的学! l m a r km a nc h a n c e y 通过了硕士论文s h o r tr a n g eu n d e r w a t e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nl i n k s 棚( 水下短距离的 可见光通信连接) 。m a r k 在r o n j a “”思想的基础上设计了一个l o m b p s 光连接装置并成功的进行 了实验。 m a r k 对r o n j a 进行了改进，使其适用于水下通信。该光通信装置由两部分组成：第一部分 是一个电路，包括u t p ( u n i v e r s a lt w i s t e dp a i r ) 、发射电路和接收电路；第二部分是机械 光学装置，分为接收盒和发射盒。接收盒和发射盒中分别装有两个透镜，其中一个作为光收 发窗口，另一个用来将光进行聚焦以便能更好的与光检测器校准，接收盒和发射盒的作用是 将透镜、包含发射电路或接收电路的盒子保护起来以防止透水。 图1 7 是青色( 左) 和绿色( 右) l e d 光束通过水池的结果。青光和绿光在水中传播1 4 0 英尺后，光束的直径仅仅增大两倍。图1 8 是一个i o m h z 的信号在2 0 加仑的水槽中传输1 5 英尺后的波形。m a r k 还在两台计算机之间成功进行了1 0m b p s 的光连接，但是存在这样一个 问题：接收电路的复杂性会引起严重的队列问题，其原因可能是位于光电二极管之后，接受 电路之前的双门晶体管的开关时间太长而不适用于1 0m b p s 的曼彻斯特码，这一点还需要进 一步的研究。 水下短距离可见光通信技术的研究 图1 7 青色( 左) 和绿色( 右) l e d 在水中的发射 为了在水下成功的配置光通信系统，还有很多 问题需要研究，比如：物体在水中是不停运动的， 为了保持稳定的连接，发射器和接收器必须配置反 馈跟踪装置。另外，密封、减小硬件尺寸、系统的 能量需求都将是需要解决的问题。 除了以上提到的几位研究人员之外，d r b a i d e n 也在研究用于水下机器人的宽带光通信系 统，并在萨德伯里( 加拿大南部城市) 长湖( 1 0 n g 图l 8 实验结果波形 l a k e ) 试验基地进行了水下实验。1 。目前他的研究受到了美国国家科学基金会( u s n a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ) 、国家科学院( t h en a t i o n a la c a d e m yo fs c i e n c e s ) 和加拿大国家 财政( t h en a t i o n a lr e s o u r c e sc a n a d a ) 的大力支持。 水下可见光通信技术是最近几年才被开发和研究的一项新技术，目前还没有在各国普遍 展开，许多其它的支持技术( 如定位和跟踪等) 目前尚在研究中。所以本章仅对在该领域国 外几项重要的研究成果进行大概的介绍，以使读者对该技术以及应用领域有一个大致的认识。 0 3 本文的研究内容 本文以水下短距离可见光通信技术的实现为主要研究方向。研究了不同水域及水体的划 分，海洋光学特性对水下光传播的影响。提出了一种实现水下无线通信的从站设计方案，该 方案物理层采用i r p h y 标准，连接建立采用i r l a p 协议。 第一章研究了海洋水域、水体的划分，海水的光学特性以及它们对水下光传播的影响， 为选择最佳的波长进行通信提供依据。 查：! 堑里堕里墨垄堕堕苎查塑堑塑 第二章对系统中用到的器件进行选型。系统以s p c e 0 6 1 a 单片机通用异步串行口u a r t 为 依托，通信控制器选用m c p 2 1 5 0 啪1 ，光源采用大功率发光二极管l u x e o ni l le m i t t e r 啪1 ，接 收器选用平面滤波光电二极管s l d - 7 0 b g 2 j ，光信号收发控制器选用m a x 3 1 2 0 汹1 。 第三章着重研究了水下可见光通信中从站的实现方案和软件设计，以凌阳s p c e 0 6 1 a 单片 机为平台，以红外通信控制器m c p 2 1 5 0 为实现光信号和串行数据转换的接口，用大功率发光 二极管作为光源，用i n x 3 1 2 0 进行光信号的放大、滤波，使接收的信号符合m c p 2 1 5 0 的解码 要求。然后分析了从站与主站的链接建立和数据传输过程，并对从站的数据收发和广播i d 设 置进行了设计。 最后对该论文进行了总结，并对今后水下可见光通信技术的发展方向和应用进行了展望。 水下短距离可见光通信技术的研究 1 海洋水体的性质及其影响 水下的光连接与自由空间的光连接类似，但是由于光在水下的传播会受到海水光学特性 的影响。因此，研究水下可见光通信必须先研究海洋不同区域的划分、水体的划分以及海洋 的光学特性，并获取海洋水体的光吸收特性、光散射特性与光波长的关系，为选择最佳波长 的光进行通信提供依据。 1 1 海洋区域和水体的划分 1 1 1 海洋区域的划分 海洋可以分成很多区，每一个区域都有自己 特有的生物体。如图i 1 所示，整个海洋大致可 以分为如下几个带“”：海底带( b e n t h i cz o n e ) 、 远洋带或浮游带( p e l a g i cz o n e ) 和浅海带 ( n e r i t i cz o n e ) 。 海底带是指海洋的底部；远洋带( 浮游带) 是指从海床一直延伸到海面的区域；浅海带是浮 游带的一部分，指从高潮线到离海底2 0 0 米的范 围；水深超过2 0 0 米的部分称为海洋带( o c e a n i c 图1 1 海洋区域划分n 1 1 z o n e ) 。浅海带还可以再划分为潮间带( i n t e r t i d a lz o n e ) 、浪溅带( s p l a s hz o n e ) 和潮上 带( s u p r a l i t t o r a lz o n e ) 。 海洋带可以划分为三个层：透光区( e u p h o t i cz o n e ) 、弱光层( d y s p h o t i cz o n e ) 和无 光层( a p h o t i cz o n e ) 。不同区域一般是根据接受的太阳光量的多少而划分的。如图i 1 所 示，最项层叫做透光层( e u p h o t i cz o n e ) ，该层能够接收9 9 的太阳光，主要是指从海面到 水下能接收到1 的太阳光的范围。透光层以下是弱光层( d y s p h o t i cz o n e ) ，大约1 0 0 0 米 深，在该层里由于阳光非常微弱几乎不能进行光合作用。从该层以下直到海底称为无光层 ( a p h o t i cz o n e ) ，在这里没有太阳光通过。每一层有它各自的光特性，这就增加了建立连 接预算的困难。在透光层建立一个系统要比在无光区建立系统困难的多，在区域之间建立系 统就更困难了。 水下短距离可见光通信技术的研究 1 1 2 海洋水体的划分 1 9 7 6 年，n gj e r l o v 在m a r i n e t i c s 一书中提到一种根据水的清澈度进行分类的方 法“”，这种方法在今天仍被广泛的使用。根据他的定义，不同的水体被分成两大类：深海海 域和近海海域。深海海域又被分为三种类型即i 、i i 、i i i 三种类型，近海海域也被分成l 9 九种类型。极清澈的海水为i 类水体，主要是指大洋水体；热带和亚热带地区浑浊的海水 图1 2 世界海洋i 、i i 、i l l 类水体水体分布“2 1 为i i 类水体；中纬度地区的海水为i l l 类水体。沿海岸地区的海水随浑浊程度的逐渐加大分 别定义为1 9 类水体。世界海洋i 、i i 、 i i i 类水体的分布如图1 2 所示。 由于季节、温度的变化，不同水体的 透光层深度也会随之改变，比如在1 类水 体中透光层能达n 2 0 0 米，而在沿岸的9 类 水体中透光层仅有6 米，这主要是因为太 阳的位置会随季节变而改变造成的，在两 极地区和赤道位置，这种变化就不太明 显。不同波长的光在不同水域里的能见度 ( 如图1 3 所示) 也不相同，从图1 3 中可 i j 勿7 一泌 。i f。，、：蕊 | | ￥f 厂弋忒 , 缈 w m 哪例 图1 3 光谱能见度“4 f是蓬tv矗奠曩讲l 水下短距离可见光通信技术的研究 以看出：波长为4 0 0 r m 5 0 0 n m ( 即蓝、绿光范围) 在海水中的透射度相对较高。 1 2 海水的光学特性 海水的光学特性是指海洋水体在光辐射作用下所表现的物理性质。海水的光学特性可分 为两大类：固有光学特性，它仅由海水本身的物理特性所决定，主要指海水对光的散射和吸 收；表观光学特性，它决定于海水固有光学特性和海中辐射场的分布。 1 2 ，1 固有光学特性 海水的固有光学特性主要是指海水对光的吸收和散射。吸收和散射作用是光在海水中传 播的两个基本过程，它们共同造成光的衰减。 设厶是某水层的光量，传输了路程后的光量，可表示为： i=，op(1-i) 式( 1 - 1 ) 中，口为衰减系数，它由两部分组成：口= a4 - b ，其中口是吸收系数，b 是散射 系数。口随水质的不同而异，也与光本身的波长有关，是光波长的复杂函数，图1 4 表示口 与入射光波长的关系“”。从图中可以看出：蓝绿光部分是海水的透射窗口，即处于线性衰减 系数最小的光谱带。在清澈的海水中，透射窗口为4 8 0 n m 左右，a 的最小值可达0 0 5 m 一； 沿岸的海水由于含有较多的悬浮颗粒和黄色物质，透射窗口在5 3 0 r 珊附近。 1 、吸收 _ k 哪h 图1 4 海水衰减系数的光谱分布“3 1 光子的能量转变为水的热能是海洋中的主要吸收机制，光子能量转变为热能、化学能等 引起的多种热力学过程是不可逆的。而通过光合作用转变为化学能，对海洋生命的存在也是 不可缺少的。 1 0 水下短距离可见光通信技术的研究 线性衰减系数口随波长的变化，几乎全部是由海中悬浮物选择吸收所引起的。在清澈的 海域，蓝光的散射系数和吸收系数大致相等，而其他颜色的光，在海水中的吸收占绝对优势； 而在含有大量悬浮颗粒的混浊水中，光的衰减主要归因于散射。水中某些物质分子与光子发 生非弹性碰撞而产生荧光辐射和拉曼散射，既是吸收过程，又是受激辐射的过程，它们在强 度上较弱，但有相对于入射光的谱线位移。一般情况下，散射造成的衰减约占总衰减的6 0 ， 吸收造成的衰减占4 0 “”。 2 、散射 散射是光在非均匀物质中传播时，由于受介质微粒作用而偏离直线传播方向的现象，它 包括水中的瑞利( r a y l e i g h ) 散射、米( w i e ) 散射和透明物质的折射所引起的随机过程，散 射能使光的强度大大衰减。粒子远远小于波长时的散射称为瑞利散射，水分子引起的散射就 是瑞利散射。当粒子直径大于波长的十分之一时，用瑞利理论解释散射现象就不合适了。对于 较强的总散射和复杂的散射形式，可用米散射理论来解释。当水中粒子的直径与辐射的波长 相当时发生米散射，这种散射主要是海水中的悬浮颗粒等引起的。海水中直径远大于光波波 长的悬浮颗粒和透明物质引起的散射强度，比水分子的瑞利散射大得多，其总散射系数和波 长的关系不大。 在准直光束的传输中用体积散射函数觑p ) 表示从一个小体积元所产生的射散( 式1 2 ) ， 它描述的是入射光束在水中某一散射体上的角度分布。 艄= 茜( i - 2 ) 式中刃为与光束成口角方向的辐射强度；d v 为散射体积元；e 为接收到的辐照度。总散射 系数6 等于觑目) 对整个立体角的积分( 式1 3 ) ； 6 = 2 7 r 【f l ( e ) s m o d e ( 卜3 ) 它分为前向散射系数6 ，( 卜4 ) 和后向散射系数玩( 卜5 ) ： 6 ，= 2 石r ) s i n e d o 瓦= 2 ，r 丘徊) s i n o d e ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) 在海水中，瑞利散射的前后向基本对称，而悬浮颗粒的米散射的前向散射比后向散射强 得多。海水体积散射函数用于描述海水中光散射的方向性，是了解和模拟海水中光辐射传输 的基础。通过测定海水的体积散射函数，可以得到水体前向散射系数、后向散射系数及散射相 函数等，进而可以定量反演海水中各种颗粒物的浓度。体积散射函数的角分布的最大差值可 查! 望里塑旦墨垄望笪垫查塑翌塞 达4 个数量级以上，在与光束成9 0 。方向附近的散射最小，小角度散射特别强，角度趋于零时， 夕( p ) 值将从切线方向趋近于入射光束的辐射通量。这种特征主要是由于准直光束透过折射率 与水相近的透明生物体时，产生折射偏离所造成的。实际上光束在传输路径上受到海水的散 射和多次散射。 1 2 2 表观光学特性 太阳和天空辐射通过海面进入海中所形成的海洋辐射场分布，主要表现为辐亮度分布、 辐照度衰减、辐照比和偏振特性等所有与辐射场有关的光学性质。海水的表观光学特性与环 境光有关，如果在深海中可以忽略它对光传播的影响。 1 3 光的水下衰减 光在水下的衰减是指光强度的损失，引起水下衰减的因素主要包括水、水中溶解的杂质 和有机物等对光的吸收，水、有机物和无机物颗粒等对光的散射等。水下衰减的程度在不同 的水体中也不相同。 影响水下光衰减的物质大致可分为四类：( 1 ) 水分子，对光具有吸收和散射的特性；( 2 ) 浮游植物，主要是浮游藻类，它们的细胞中含有色素，同时具有吸收和散射的双重光学特性， 而且还表现为选择性吸收的光谱特点；( 3 ) 由浮游植物死亡而产生的有机碎屑以及陆源或海 洋底泥悬浮而产生的无枫悬浮颗粒，这类物质总称为非色素悬浮质，它们对光也具有吸收和 散射的双重作用；( 4 ) 由棕黄酸、腐殖酸组成的溶解性有机质，通常称为黄质，它使水带有 一定的颜色，黄质对光具有单一的吸收作用“。 1 3 1 纯净海水的影响 1 、纯净海水的吸收 海水的主要成分是心o ，它对红光的吸收极为强烈，另外海水中也溶解了大量的盐，如 n a c i 、m g c i 。、n o , s o 、c a c i 。和k c i 等也吸收特定波长的光“”。纯净海水对光的选择性吸收作 用如图1 5 所示，从图中可以看出：纯净的海水对4 0 0 n m 5 0 0 n m 范围内的光谱几乎没有吸收 作用，而对其它范围内的光谱的吸收作用很强，4 0 0 n m 5 0 0 n m 这个波段即可见光谱中的蓝、 绿光波段。纯净海水的吸收是指每米海水吸收的光量，然而它并不是引起光在水下衰减的主 要因素，引起光在水下衰减的主要因素是叶绿素、水下腐殖质物的吸收和来自悬浮颗粒的散 射等。 1 2 水下短距离可见光通信技术的研究 2 、纯净海水的散射 骝h 幽啦臼m ) 图1 5 纯净海水的吸收系数“2 1 散射可看作是光子重新改变方向而阻碍了光子的轴向传播的结果，它能使光的强度大大 衰减。由于分子的固有散射以及溶解在水里的大量的盐，在计算总的散射系数是应将一定数 量的初始散射考虑进去。图i 6 是纯净海水的散射系数随波长变化的函数，这是一种瑞利散 射模型，散射系数与波长有关，随波长的减小散射作用增强。 暑 耄 著 w _ 豳嚏堪 图1 6 纯净海水的散射系数“ 1 3 2 浮游植物的影响 浮游植物主要生长在透光区，是影响水下光传播的一个重要因素。浮游植物( 主要是浮 游藻类) 含有大量色素能够吸收光照进行光合作用，叶绿素a 是浮游藻类中最丰富的色素， 因而浮游藻类对光衰减主要表现在叶绿素a 对光的衰减，它能够吸收大部分的红光和蓝光， 1 3 水下短距离可见光通信技术的研究 而散射绿光。随着叶绿素a 浓度的增大，吸收的红光和蓝光就会更多。图1 7 所示为不同水体 中叶绿素吸收系数曲线。 函_ 咖恤吣 图1 7 不同水体叶绿素吸收系数曲线“” 浮游植物的另一个重要影响因素是在它的浓度的垂直分布。在大多数海区叶绿素含量的 垂直分布是不均匀的，在透光层叶绿素浓度基本符合如式( 1 - 6 ) 所示的高斯分布n 8 1 ： c = 赤唧 一掣2 m e ， 式中c ( z ) 是叶绿素在深度z ( 脚) 处的浓度，b o 是海面叶绿素浓度，s 是叶绿素浓度的垂直梯 度，h 是总叶绿素，仃是高斯分布平均差，分布曲线如图1 8 所示。在不同的水体中，高斯分 布的峰值的深度也会改变，在i i b 类水体中，基本没有峰值出现，叶绿素浓度分布比较平均， 随着水体变差，峰值会逐渐向海面移动，在沿岸的i i 类水体中，峰值就几乎接近海面了。 z 。 图1 8 叶绿素分布曲线。” 1 4 深度 一毛一奢皇p旨哥jo薯8晷簪星冉吒 水下短距离可见光通信技术的研究 1 3 3 非色素悬浮质的影响 非色素悬浮质主要是由浮游植物死亡而产生的有机碎屑、陆源或海底泥沙悬浮而产生的 无机悬浮颗粒组成，对光具有吸收和散射的双重作用，其中无机颗粒对光的衰减主要是散射 引起的，而有机颗粒则主要表现为对光的吸收。在开放的海域里散射主要是由有机物颗粒引 起的，而在沿岸水域和大陆架区域，无机物颗粒引起的散射要占总散射的4 0 - 8 0 “”。 悬浮颗粒散射是由于它们的几何形状引起外部的反射和衍射，以及内部的反射和折射“”。 颗粒的几何形状通常不是引起散射的主要因素，而是颗粒的大小决定了散射是锐利散射还是 米散射。 1 3 4 黄质的影响 黄质( c d o m - 弋0 1 0 r e dd i s s o l v e do r g a n i cm a t e r i a l s ) 主要是由棕黄酸、腐殖酸组成 的溶解性有机质，它使水带有一定的颜色。黄质对光具有单一的吸收作用，它们主要吸收波 长在4 2 0 - 4 5 0 n m 范围内的蓝光和荧光“”，而对红光和绿光的吸收作用很小，使得含黄质丰富的 水域呈现黄色。在大洋水中，黄质的浓度较低，而沿岸的水体中浓度较高，所以在深海黄质 的影响可以忽略。海水黄质光吸收系数与波长的关系符合式( 卜7 ) 所示的指数函数关系洲： 口( a ) = 口( 厶) e x p 【一s ( 五一九) 】 黄质的吸收系数口( 旯) 随波长减 少而单调增加，不存在波峰与波拿 谷( 如图1 9 所示) 。在蓝紫光波 釜 段海水黄色物质的光吸收与海水 量 自身、海洋叶绿素及海水悬浮粒 墓 子的光吸收相比要大，从而成为 藿 该波段海水中光吸收的主导物 童 质，在i 类海水中尤其如此。 皇 ( i - 7 ) w 捌噎嘲曲( 越m ) 图i 9c d o m 的吸收系数9 1 水下短距离可见光通信技术的研究 1 4 最佳通信波长的选择 通过以上对海水光学特性的分析，可以看出：可见光通信由于受到诸如光的吸收、散射 等各种因素的影响，使得不同波长的光在水下的衰减也不一样，为了保证通信的范围和可靠 性，选择合适波长的光进行水下通信非常重要。 图1 1 0 所示为光在不同水体中的总衰减系数与波长的关系曲线，从该图中可以看出，靠 近红光和紫光部分的光在水下衰减较明显，而波长在4 0 0 n m 5 0 0 n m 范围内的光在水下的衰减 最小，此波段内的光有而绿光( 5 2 5 n m ) ，蓝光( 4 7 5 n m ) 和青色光( 5 0 5 r i m ) 。蓝、绿光波段在 一般水体的透射深度可达1 0 2 0m ，浑浊水体则为i 2 皿，清澈水体甚至可透到1 0 0m 的深度 口1 1 。所以进行水下可见光通信最好选用蓝色、绿色或青色的光作为通信媒介。 1 5 本章小节 图1 1 0 总衰减系数与波长的关系2 1 使用可见光作为媒介进行水下通信必须首先清楚光在水下如何传播，海水的光学特性、 对水下光传播的影响。本章就此问题对海水的光学特性和国际上普遍使用的水体划分作了详 细的讨论，为选择最合适的波长进行通信提供了依据。 1 6 (1，童u崔蕾基p8 g藿譬暑。卜 水下短距离可见光通信技术的研究 2 水下可见光通信系统的硬件设计 本论文提出的水下可见光通信系统是一种主、从站之间的通信，本文只进行从站的设计， 该设备物理层使用i r p h y 标准，即以凌阳s p c e 0 6 1 a 单片机为平台，用红外通信控制器m c p 2 1 5 0 为串行u a r t 数据和光脉冲的转换接口，用大功率发光二极管l u x e o nl l ie m i t t e r 为光源， 用s l d - 7 0 i 姑2 为光电转换器，并用m a x 3 1 2 0 对接收的光脉冲进行放大和滤波，实现硬件平台 的搭建。下面首先对所用的器件进行选型并做简要的概述。 2 1 器件选型 2 1 1 红外通信控制器m c p 2 1 5 0 由于本方案需要使用i r d a 标准协议，数据传输率小于1 1 5 2 k b p s ，所以选择m c p 2 1 5 0 作 为通信控制器啪1 。m c p 2 1 5 0 1 是m i c r o c h i p 公司生产的一种红外通信控制器，它成本低、功耗 低、封装小，并支持i r d a 协议，符合i r d a1 0 标准，封装了数据链路层和传输层的协议， 并且其用户接中是一个9 线串口，模拟m o d e m 的操作，易于和单片机接口，只要接一个红外 收发器就可以工作，传输速率可达1 1 5 2 k b p s 。由于减少了所需系统资源，也不需要拥有i r d a 标准协议堆栈知识，既可以为系统增添新的无线接入功能，也可以节省设计时间。在使用中 的不便之处是它只能作为一个从站使用，且仅支持点对点通信。 砸c p 2 1 5 0 工作时需要外接时钟源( 如图2 1 所示) ，外接晶振的频率为i i 0 5 9 2m l z 。如果 使用晶体振荡器作为外接时钟源，c l 、c 2 的值一般在1 5 p f 3 0 p f 之间选择。 o 1 i 卜一 连接到内都 f l 1i l ，7 ”一逻辑电路 亡j x a t 胙 审t il h c p ，1 5 0i1 ： 一r 0 s c 2 图2 1 外接时钟源 2 1 2m a x 3 1 2 0 m a x 3 1 2 0 嘶1 是m a i x m 公司生产的一种薄型、3 v 、1 2 0 雌i r d a 红外收发器，具有低功耗、 高性能的优点，工作电压为3 v 5 5 v ，静态工作电流仅有1 2 0 址a ，具有关断功能，关断时工作电 1 7 查! 丝堕堕里墨垄望堡垫查塑塑塞 流仅有l o t t a 。在距离i c m i m 时，传输率可在2 4 k b p s