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2025年第4期

专题：海洋通信与传感网络
耦合多芯光纤跨洋传输中的模式依赖损耗研究（特邀）

孙林, 毛萌, 张璐, 王伟业, 刘宁, 沈纲祥

DOI：10.13756/j.gtxyj.2025.240262

摘要：【目的】现阶段超过99%的国际数据正在海底光缆中传输，海缆系统主要存在供能受限与物理空间受限的难题，多芯光纤（MCF）被认为是下一代海缆系统的潜在解决方案。耦合多芯光纤（CC-MCF）因其具备更高的空间复用密度，适用于物理空间受限的海缆系统以作为扩容的关键传输媒介。针对制约CC-MCF传输性能提升的关键损伤之一——模式依赖损耗（MDL），文章聚焦于CC-MCF跨洋传输中的MDL机理与抑制技术，旨在探究异质MCF的空间模式色散（SMD）对MDL估计与抑制的性能影响。【方法】具体地，通过建立基于耦合薛定谔方程的4芯CC-MCF跨洋传输模型，并基于仿真模型进行自洽验证，探究了不同链路SMD条件下，基于多输入多输出（MIMO）抽头的MDL估计的准确度演变规律。同时，探究SMD影响下基于Hadamard变换的空时编码（STC）技术方案的MDL抑制性能。【结果】结果表明，低于10 ps/km的SMD系数有助于实现准确的MDL估计，同时实验验证了采用基于Hadamard变换的STC技术在4芯CC-MCF传输系统中，当存在10 dB MDL时可以带来超过5.5 dB的Q值增益。【结论】文章研究结果基于理论仿真与实验验证，综合分析了CC-MCF链路的损伤估计与抑制，有望为下一代高空间复用密度的CC-MCF海缆通信技术提供重要参考。
关键词：空分复用;耦合多芯光纤;跨洋传输;海底光通信;模式依赖损耗

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更新时间：2025-08-16
跨水面VLC链路对准与信号检测技术研究（特邀）

闫红强, 江明

DOI：10.13756/j.gtxyj.2025.250001

摘要：【目的】随着通信网络技术向第六代移动通信技术（6G）快速演进发展，未来构建空天地海一体化的万物互联网成为可能。其中，跨水面可见光通信（VLC）技术已成为支撑上述新型网络的关键使能技术之一。【方法】文章针对现有跨介质水对空（W2A）VLC系统研究的不足，基于所构建的扩展W2A（eW2A）VLC信道模型，针对无人机（UAV）与自主水下载具（AUV）之间通信的W2A-VLC应用场景，提出了一种基于深度学习（DL）的链路对准（LA）方案，可实现收发机通信链路之间的对准。在完成光链路对准的基础上，文章进一步针对未知风速的信道环境设计了一种基于风速估计和信道分类的信号检测方案，可以有效提高W2A-VLC系统在不同水体及风速条件下的信号检测性能。【结果】计算结果显示，基于Lognormal和Gamma分布的拟合eW2A信道模型与蒙特卡洛信道仿真的数据匹配度较高，可以较好地模拟跨水面VLC信道的建模。仿真结果表明，在高信噪比区间及不同风速条件下，UAV位于2~30°之间4个角度层的角度估计准确率均可达到100%，具有较好的收敛性，可有效支持DL-LA方案实现UAV移动路径决策。此外，在1~10 m/s的风速区间内，文章所提基于风速估计（WE）和信道分类（CC）的符号检测（SD）方案，即WE-CC-SD方案，可在未经训练的未知风速条件下获得较高的WE准确率及接近理想信道状态条件下的比特误码率（BER）性能。【结论】上述结果证明了文章所提DL-LA和WE-CC-SD两种解决方案相比传统方案的优越性，该研究成果可为跨水面VLC技术的完善与发展提供有益参考。
关键词：跨水面通信;可见光通信;深度学习

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更新时间：2025-08-16
后向散射角度对水下全双工无线光通信的影响（特邀）

韩彪, 刘彬, 张宇, 马琳, 刘禹彤, 康永强

DOI：10.13756/j.gtxyj.2025.250003

摘要：【目的】光在水中传输时的后向散射是影响双向水下无线光通信（UWOC）传输稳定性的主要因素之一，在全双工UWOC系统中，可以利用接收机内部的滤光片抑制这种噪声。然而，滤光片的透射波长随着光束入射角度会发生“蓝移”现象，因此后向散射噪声的角度分布特征会对这种通信体制的噪声抑制能力产生影响。【方法】针对这一问题，文章利用蒙特卡洛方法构建了仿真模型，定性研究了后向散射噪声的角度分布特征，并结合光学滤光片的角度特性分析了其对通信系统性能的影响。【结果】结果表明，对于大角度发射和接收的全双工UWOC系统，后向散射噪声的角度分布比较分散，这对UWOC系统中发射波长小于接收波长的通信设备影响较大。工程应用中，在不影响UWOC系统链路建立效率、设备结构复杂度和有效通信距离等指标的前提下，可以通过适当减小通信发射角、接收孔径和视场，增大通信设备中发射机和接收机的间距以及双向光信号的波长间隔等方法抑制这种影响。利用这种设计思路，文章采用450和520 nm的蓝绿光搭建了发射角和接收视场约为50°的全双工UWOC系统，在2.2~13.2 m的距离内，两个链路分别实现了89.6和84.8 Mbit/s的文件传输速率。【结论】文章研究结果对于设计大角度发射和接收的全双工UWOC系统具有参考意义。
关键词：水下无线光通信;后向散射;滤光片

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更新时间：2025-08-16
轻量化脐带缆设计（特邀）

牛学超, 陆建佳, 陈紫薇, 谢书鸿, 顾春飞, 孙杰, 陈珍珍, 冒兵

DOI：10.13756/j.gtxyj.2025.250100

摘要：【目的】脐带缆是海洋科学考察的核心装备之一，通常采用高强度钢丝作为承力单元，然而钢丝密度较高，随着应用水深增加，脐带缆自重占据安全工作载荷的比例增大，超深水应用安全载荷裕度减少。因此需要进行脐带缆轻量化设计。【方法】轻量化脐带缆采用低密度、高硬度的芳纶纤维复合材料（FRP）在其最内层全部取代钢丝，在中间层间隔取代钢丝，最外层保持全钢丝结构来提升整体耐磨性能且有利于海水浸入承力层间隙散热。为了减缓层间磨损，在FRP表面挤塑耐磨层，增加长期使用的耐疲劳性能。【结果】首先，与钢丝脐带缆相比，轻量化脐带缆在空气中单位重量减少30.50%，海水中单位重量减少37.29%，静态使用水深提升27.6%，拓展了脐带缆的应用场景。其次，采用有限元方法对轻量化脐带缆和钢丝脐带缆的刚度、拉伸和散热性能等进行分析对比，发现轻量化脐带缆的拉伸刚度降低了16.7%，弯曲刚度降低了20.0%；两种缆均能达到理论断裂拉伸载荷，两种材料应力均小于断裂强度，此时缆的延伸率均为1.45%；在同等电流的海水环境中，轻量化脐带缆缆芯温度高0.7 ℃，相较于钢丝脐带缆增加了2.9%。最后，完成样缆制造，基于常见失效模式进行断裂拉伸测试、交变载荷疲劳测试和张力弯曲疲劳测试，测试结果证实，经历2 000次疲劳后，轻量化脐带缆仍具有较高的强度，并且层间磨损较为轻微。【结论】在外径不变的前提下，轻量化脐带缆可以较大幅度地提升应用水深，两种不同特性的承力材料可以同时发挥最大的拉伸性能，经过测试证实轻量化脐带缆具有较高的可靠性。
关键词：脐带缆;遥控潜水器;芳纶纤维复合材料;疲劳测试;超深水应用

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更新时间：2025-08-16