水下无线通信系统的设计与性能分析

高有效深度水下无线通信

在人类历史的很长一段时间内，水下通信一直是困扰着人类的难题。但是，在现代科技的发展下，高有效深度水下无线通信终于得以实现。这种无线通信技术可以在水下环境中传输数据和信息，包括声音、图像、视频和其他形式的电子数据。它被广泛应用于海洋勘探、海底资源开发、海洋军事、深海科学研究和水下文化遗产保护等方面。本文将介绍高有效深度水下无线通信的原理、应用和前景。

一、原理

高有效深度水下无线通信一般基于声波传播的原理。声波信号是一种横波，具有很好的穿透力和传播距离。水的密度比空气大约800倍，因此声波在水中的传输速度大约是空气中的4倍。而水的吸收噪声也相对较小，因此水下通信系统可以使用低频声波加密信息传输。

这种无线通信技术主要包括两个部分：声波信号发射器和声波信号接收器。声波信号发射器将数字信号转换成声波信号，然后利用水下声学发射技术将声波信号发送到接收器。声波信号接收器接收声波信号，然后将其转化为数字信号，解码并下载到计算机或移动设备上。

二、应用

高有效深度水下无线通信技术广泛应用于以下方面：

1. 海洋勘探

海洋勘探是这种技术的主要应用之一。利用高效的声音传输技术，地球物理学家可以探测到地质结构和海洋资源，包括油、气和矿物质。它还可用于确定海洋中的生物和水文学数据，以及揭示海底地貌和地震海啸的预警。

2. 深海科学研究 高有效深度水下无线通信技术在深海科学研究中也是不可或缺的。研究人员可以借助这种技术在深海中收集数据，并将其传输到地面或船上的计算机上进行分析和处理。这样就可以更好地了解深海生态系统的复杂性和深海环境的多样性，促进深海科学研究的进展。

3. 海底文化遗产保护

高有效深度水下无线通信技术可以提供一种新的方式来保护水下文化遗产，如沉船、古城废墟和其他人类历史的遗产。使用这种技术，考古学家和保护者可以快速获取有关文物和遗址的图像、视频和其他信息，从而更好地保护和保存它们。

《计量ｓ溺试技￣）２０１１年第８８誊第１ｏ期　

水下蓝绿激光无线通信系统设计　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｕｎｄｅｒｓｅａ　Ｇｒｅｅｎ　ａｎｄ　Ｂｌｕｅ　Ｌａｓｅｒ　

邵祥兵　盛党红　林健　

（南京工程学院自动化学院，江苏南京２１１１６７）　

摘要：针对蓝绿激光引信在海洋武器中应用，介绍了蓝绿激光发射机与接收机的结构和设计原理；阐述了设计过程中应注意的事项，分析了蓝绿激　光发送机的驱动原理，以及蓝绿激光器的保护措施。　关键词：水下；蓝绿激光；通信系统　

１　引言　蓝绿激光器出现在２０世纪７０年代，在短短的几十　

年内便广泛的应用到水下目标探测和水下通讯领域。蓝　

绿激光器以其波长短、能量高、易于水下传输、抗干扰能　

力强等特点已经在军事领域里崭露头角。蓝绿激光水下　

目标探测技术，是充分利用海水的蓝绿窗口发展起来的　

一种水下激光引信技术。当前全球军事战略调整有一个　共同的趋向，即各海洋大国和军事强国都纷纷利用世界　

战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向的　战略空间。在此背景下，基于蓝绿激光通信的水下目标　

探测技术研究具有重要的现实意义和战略意义。　

水下蓝绿激光通信技术是水下蓝绿激光引信目标探　测技术中的一个重要环节，在蓝绿激光目标探测应用系　

统中起桥梁连接作用。应用蓝绿激光通信技术于引信装　

置中，可望能够实现水上舰艇和水下潜艇之间，舰艇、潜　

艇和鱼雷、水雷等海洋武器装备之间，鱼雷或智能水雷个　体之间等的通信，构成具有交互式信息共享功能的智能　

武器系统。　

２激光通信的基本原理　

激光是一种方向性极好的单色相干光。利用激光来　

有效地传送信息，即称为激光通信。激光通信既具有微　

波通信机动灵活的特点，又具有通信容量大、波束隐蔽、　

接收天线小、通信速率高、抗干扰和保密性强、结构轻便，　设备经济等诸多优点，且具有光纤通信码率高的优点，其　

误码率比微波通信要低。　

龙源期刊网

水下无线多点通信系统研究

作者：朱晓明,程 恩,伊锦旺

来源：《现代电子技术》2009年第20期

摘 要:随着世界各国海洋开发和海洋军事领域的飞速发展,对水下传感网络、水下监视系统、水声预警网络的需求越来越迫切。这里讨论一种采用跳频通信方式,以凌阳16位单片机SPEC061A为控制核心,通过主节点向各分节点发送信息或指令,实现水下无线多点通信。分析了通信节点的硬件和软件设计。通过水池实验证明该系统能够可靠稳定的工作,具有良好的性能。

关键词:水声通信;SPEC061A;节点;DC/DC转换

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-184-03

Study of Underwater Wireless Multi-point Communication System

ZHU Xiaoming,CHENG En,YI Jinwang

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information

Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen,361005,China)

Abstract:Along with exploiture of the ocean resources all over the world,it is necessary to cry for

research of underwater sensor network,underwater monitoring system and underwater acoustic

prewarning system.A way of frequency-hopping communication using 16 b MCU SPEC061A as the

水下无线通信系统方案

Version 1.00

成都信息工程学院科技处

2014年3月20日

一、几种水下通信方式比较及选择

水下通信主要采用声、电磁波、光几种方式，各种通信方式有其特点及应用范围，各有利弊，现分析如下：

1、在水中传播的各种波中，以纵波(声波)的衰减最小，因而声纳技术和水声信息传输技术被广泛采用和关注。目前，水下无线通信广泛使用的是声学通信技术，水声通信技术具有通信距离远、通信可靠性高等优点，声学通信技术在浅海和深海的水下无线通信领域中得到了广泛的应用。但是，水下声学通信也有诸多的局限性。（1）水声信道传输延时长、传输速率低。水中声波的传播速度约为1500m/s，其数据传输速率随着距离增大而降低。（2）可用带宽有限。水下声学通信中的传输带宽是时变的，一般水下链路的容量比陆地上的无线链路的容量低很多，如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低许多。（3）功耗高、体积大。由于其波长相对较长，所以其耗能大，对于水下来说其能源补给很是困难。（4）通信质量易受环境影响。水下声信号的传输质量与水温、盐度、压力等环境因素的变化密切相关，在恶劣海洋环境下极易导致通信的失败。（5）安全性差等。水下声信号容易被监听，在军事战争和一些重要机密信息传输中会带来严重的后果。

2、采用电磁波进行水下无线通信，由于电磁波是横波，由于水是良导体，趋肤效应将严重影响电磁波在水中的传输，以致在陆地上广为应用的无线电波在水下几乎无法应用。电磁波在有电阻的导体中的穿透深度与其波长直接相关，短波穿透深度小，而长波的穿透深度要大一些，因此，长期以来，超大功率的长波通信成为了水下通信的主要形式。不过，即使是超长波通信系统，穿透水的深度也极其有限(最深仅达80m)，而且超低频系统耗资大，数据率极低，易遭受干扰，难以得到好的效果。

3、目前也有采用水下激光通信，原理是采用一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。其主要由三大部分组成：发射系统、水下信道和接收系统。水下无线光学通信的机理是将待传送的信息经过编码器编码后，加载到调制器上转变成随着信号变化的电流来驱动光源，即将电信号转变成光信号，然后通过透镜将光束以平行光束的形式在信道中传输；接收端由透镜将传输过来的平行光束以点光源的形式聚集到光检测器上，由光检测器件将光信号转变成电信号，然后进行信号调理，最后由解码器解调出原来的信息。但其也有明显缺点，通信方向性要求较高（要求发射及接收对准），偏离角不能太大，通信距离也有限（数百米），同时功耗也较大，应用受到限制。