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摘要：本文在深海勘探的背景基礎(chǔ)上，簡要闡述了水下激光通信技術(shù)的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上概述了近幾年水下激光通信技術(shù)的國內(nèi)外科研方向、發(fā)展情況。闡明了水下激光通信技術(shù)在深海勘探中發(fā)揮的重要作用。

關(guān)鍵詞：水下激光通信；水下移動運載平臺；載人潛水器

海洋面積占地球表面積的71%，海洋中蘊含著遠未為人類所知的油氣、礦產(chǎn)和生物基因等資源，而近年來，隨著陸地資源的日益枯竭和人類未來發(fā)展空間需求的增長，各國更加重視海洋科學(xué)方面的研究工作，海洋探測、海底資源開發(fā)已成為海洋科學(xué)研究的熱點。未來誰能夠擁有和控制更為廣闊的海洋，誰就掌握了未來發(fā)展中更多的資源和生存空間，因此，進入深海、勘探深海和開發(fā)深海是實現(xiàn)中國偉大復(fù)興夢的必由之路。載人潛水器（HOV）、遙控潛水器（ROV）等水下移動式運載平臺的普遍使用，將科學(xué)家及探測設(shè)備運抵至深海海底現(xiàn)場進行原位的探測取樣研究，大大提高了水下探測的效率。介于水下移動式運載平臺為搭載設(shè)備及作業(yè)工具預(yù)留的電氣接口有限，海底探測設(shè)備的探測數(shù)據(jù)不能實時反饋到運載平臺當中，這就導(dǎo)致只能在海底探測設(shè)備回收至支撐船舶后才能進行數(shù)據(jù)處理。水下激光通信設(shè)備為科學(xué)家提供了一種可以實時獲取海底地質(zhì)、水文、熱液噴口硫化物等探測數(shù)據(jù)的作業(yè)模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的原位分析判斷，提供有針對性的采樣依據(jù)，提高潛次作業(yè)效率。

1水下激光通信技術(shù)的特點

傳統(tǒng)的水下聲學(xué)通信受傳播能量損失大、環(huán)境噪聲影響大、受水體折射與發(fā)射的多徑效應(yīng)等方面的嚴重影響，使得聲學(xué)通信質(zhì)量差、通信效率低下。而水下激光通信技術(shù)在近距離水下信息傳輸方面，表現(xiàn)克服了水聲通信的諸多局限性，性能表現(xiàn)優(yōu)越，使得水下激光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在海水中，采用波長范圍在470～525nm之間的藍綠激光，可以最為有效的降低海水對光波的吸收，有效提高激光的傳播效率。激光投射到自容式水下傳感器外置的光敏傳感器，光敏傳感器感受不同頻率的激光，從而實現(xiàn)通斷，進而實現(xiàn)水下短距離非接觸式控制指令、數(shù)據(jù)信息的傳遞。激光在水下傳播過程中表現(xiàn)的這些物理特性，為水下激光通信設(shè)備的應(yīng)用提供了可能。水下激光通信技術(shù)應(yīng)用于水下移動式運載平臺中主要體現(xiàn)出以下3方面的優(yōu)點。（1）通信速度快。與傳統(tǒng)的聲學(xué)通信僅為bt/s的速率相比，水下激光通信采用高頻率信息傳輸，傳輸速率可以輕松達到Kbit/s、Mbit/s，甚至是Gbit/s。（2）水下無線連接信息傳輸。介于水下移動式運載平臺為搭載設(shè)備及作業(yè)工具預(yù)留的電氣接口有限，因此，實現(xiàn)水下探測設(shè)備與水下移動式運載平臺無線連接信息傳輸，有利于提高深海勘探作業(yè)的效率。（3）實時性強。水下激光通信技術(shù)的高傳輸速率，可以保證探測裝備的測量數(shù)據(jù)能夠通過無線連接的方式，傳輸至周邊的移動運載平臺上，解決了尤其是搭載人潛水器下潛勘探的科學(xué)家實時獲取探測裝備測量數(shù)據(jù)的技術(shù)難題。水下激光通信技術(shù)的應(yīng)用同樣存在以下缺點。（1）易受水體環(huán)境干擾。水下激光通信的信道是水體。因此，水質(zhì)、水流等環(huán)境因素對激光通信的性能起到?jīng)Q定性的作用。尤其是深海海底作業(yè)過程中，近底揚塵對通信效果的影響顯著。（2）發(fā)射器與接收器的點對點傳輸。水下激光信息需要進行點對點傳輸，接收端與發(fā)射端的精確對接才能建立有效的通信。這就要求水下探測設(shè)備與移動式運載平臺之間要保持一段時間的相對位置不變。在復(fù)雜的水下環(huán)境中，保持兩者之間的相對位置不變具有一定的操作難度。

2國外水下激光通信技術(shù)的發(fā)展情況簡介

國際上，美國、澳大利亞、日本等國很早便開展了水下激光通信技術(shù)研究，已經(jīng)在水下激光通信領(lǐng)域取得了比較突出的成績。尤其是近年來，國外對于水下激光通信技術(shù)的發(fā)展勢頭迅猛，日本、美國等相繼突破水下激光高速率信息傳輸技術(shù)，為水下激光通信技術(shù)在水下裝備中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2015年，日本山梨大學(xué)利用405nm波長的LD光源，在4.8m的清水中成功實現(xiàn)了1.45Gbit/s的信息傳輸，誤碼率為9.1×10-4。2016年，美國克萊姆森大學(xué)利用445nm波長的LD（laserdiode，激光二極管）光源，在模擬海水的環(huán)境下使用OOK-OAM調(diào)制技術(shù)完成了2.96m距離的高速率水下數(shù)據(jù)無線傳輸，數(shù)據(jù)傳輸達到了3Gbit/s，誤碼率僅為2.073×10-4，在使用OAM-WDM-PDM技術(shù)后，實現(xiàn)了10Gbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸。同年，波蘭TopGaN公司，在模擬海水的環(huán)境中，利用直接調(diào)制氮化鎵激光二極管的方式，完成了1m距離內(nèi)2.5Gbit/s速率的數(shù)據(jù)傳輸。同樣在2016年，南加利福尼亞大學(xué)使用OOK-OAM信號調(diào)制技術(shù)，使用1064nm激光器生成532倍頻激光，在1.2m距離的清水中實現(xiàn)了速率高達40Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST，KingAbdullahUniversityofScienceandTechnology)的AbdullahAl-Halaf在2015～2016年，通過多次對比試驗，取得了不同波長的光波、不同距離以及不同海水水質(zhì)等條件下的多組對比數(shù)據(jù)，驗證了同等波長的光波在不同傳播距離下的傳輸速率及誤碼率變化規(guī)律。

3水下激光通信技術(shù)在我國的發(fā)展概況

我國在水下激光應(yīng)用領(lǐng)域起步較晚，國內(nèi)主要有清華大學(xué)、中科院自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海光機所、浙江大學(xué)以及桂林電子科技大學(xué)等單位從事水下激光的研究。2013年清華大學(xué)的董宇涵，建立了一種新型的水下理論鏈路模型，并用數(shù)學(xué)模型建立起系統(tǒng)的鏈接范圍、發(fā)射功率、誤碼率、海水特性和風速等各種因素之間的關(guān)系。2016年，浙江大學(xué)采用了波長為685nm的紅色激光進行了水下激光通信實驗，在使用128-QAMOFDM調(diào)制模式下，僅有7.32bit/s的傳輸速率，而更換成32-QAMOFDM調(diào)制模式后速率提升至4.883Gbit/s，誤碼率為3.2×10-3。2016年，西北工業(yè)大學(xué)的黃愛萍博士采用532nm波長的藍綠激光，分析了典型海水中的信道脈沖影響，通過蒙特卡洛仿真實驗進行了驗證，發(fā)現(xiàn)清澈水域中的無碼間干擾信道，并驗證了信道傳輸效率隨接收視角和發(fā)散角的增大而減小。2017年，杭州電子科技大學(xué)的蔡文郁老師帶領(lǐng)張軍等學(xué)生，研制了一款水下激光高速通信系統(tǒng)。采用DPIM（DigitalPulseIntervalModulation）信號調(diào)制技術(shù)，對研制的該系統(tǒng)進行了實驗驗證，成功實現(xiàn)了水下50m距離，點對點的高速率、低誤碼率信息傳輸，傳輸速度到達1Mbit/s。2015～2017年，臺灣大學(xué)使用GaNLD激光器，利用16QAM-OFDM調(diào)制技術(shù)生成450nm波長的藍光，通過對比試驗，驗證了在海水中使用這種調(diào)制技術(shù)進行水下激光傳輸速率達到7.2GBit/s時，信號傳輸距離不會低于6.8m。

4結(jié)語

在水下可移動式運載平臺上應(yīng)用水下激光通信技術(shù)，可以提高運載平臺的作業(yè)效率和作業(yè)安全，進而提高我國在深海熱液活動區(qū)等典型海底礦區(qū)的探測技術(shù)水平，為深海熱液硫化物/富鈷結(jié)殼/多金屬結(jié)核成礦作用礦區(qū)分布規(guī)律的研究以及資源勘探提供科學(xué)技術(shù)支持，同時也對于增加我國戰(zhàn)略資源儲備，拓展戰(zhàn)略發(fā)展空間，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有更重要的技術(shù)支撐和保障作用。

作者:沈鵬 楊磊 陳云賽 單位:國家深海基地管理中心