最新刊期
      2023 年 第 卷 4 期

        专题：水下光通信技术

      • 满仲麒,谭玉彬,刘显著,王天枢
        2023(4): 1-6. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.001
        摘要：水下无线光通信（UWOC）系统可以实现最高Gbit/s量级的信号传输速率，对于现代水下应用具有重要意义。文章简述了UWOC系统的发展过程，对不同种类的UWOC系统进行了比较，对高速UWOC系统的研究现状进行了综述，从高速UWOC系统的光源、接收机以及信号处理3个部分进行了总结与讨论。希望文章可以为未来高速UWOC系统的研究与发展带来帮助。  
        关键词：水下无线光通信;光接收机;数字信号处理;调制技术   
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        发布时间：2023-08-14
      • 孔美巍,袁鹤翔,王梦奇,潘妍妍,周辉,杨群慧
        2023(4): 7-10,67. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.002
        摘要：非视距（NLOS）水下无线光通信（UWOC）主要利用空气—海水界面反射或海水中微粒对光的散射进行通信，可以有效地解决视距（LOS）UWOC的链路对准问题。文章总结了NLOS UWOC技术在信道模型、模拟仿真和实验研究方面的研究进展。目前，国内外学者主要探索了水质、波浪、湍流、调制技术和收发端配置等因素对NLOS UWOC链路性能的影响。很少有学者研究复杂的水动力和水质综合因素、光源的非线性、探测器的非线性、灵敏度以及噪声等对NLOS UWOC性能的影响以及有效解决方案。为此，未来需要展开更加深入的信道模型、仿真和实验研究，从而推动NLOS UWOC技术的发展。  
        关键词：水下无线光通信;非视距;信道模型;蒙特卡洛仿真   
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        发布时间：2023-08-14
      • 刘润芃,佟首峰,张鹏,王天枢
        2023(4): 11-13,78. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.003
        摘要：水下光通信是一种新兴且可行的水下通信技术，近年来发展迅速。建立高性能、实用的水下光通信系统，需要从器件到系统，从内部调制到外部环境的综合考虑和优化设计。文章从水下光通信系统的发射机和接收机、调制格式和水下信道等方面综述了水下光通信目前面临的难题，对提高水下光通信的通信距离、通信速率和通信稳定性3个方面关键技术进行了分类和总结，并提出了可以实现的解决方法，为后续系统设计和实验研究提供了参考。  
        关键词：水下光通信;通信技术;激光通信;单光子探测器   
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      • 张立妍,蒋锐,张龙,唐昕柯,董宇涵
        2023(4): 14-20,72. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.004
        摘要：水下无线光通信（UWOC）具有大容量和高速率等优势，然而受水下复杂环境和光学器件带宽的影响，实际通信范围和传输速率受到制约。多输入多输出（MIMO）技术将空间单流数据转换为多流数据并行传输，可以扩展UWOC的通信距离，缓解水下吸收、散射效应和湍流引起的通信性能下降，因而受到广泛关注。基于此，文章围绕UWOC中的MIMO技术，分析和总结了MIMO-UWOC的信道模型、研究现状、实验装置与原型以及发展趋势与展望。  
        关键词：水下无线光通信;多输入多输出;空间分集;误码率;空间复用   
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      • 林显浩,迟楠
        2023(4): 21-27. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.005
        摘要：水下可见光通信（UVLC）具有高传输速率、大容量、低延时和低成本等优势，已成为水下通信领域可行且很有吸引力的替代方案，应用前景广阔。然而，UVLC性能受到带宽、各种线性或非线性效应等瓶颈问题的局限。为了缓解这些问题，文章研究了基于几何整形的振幅移相键控（APSK）调制和编码映射，提出了基于双向循环神经网络（BRNN）的波形级后均衡器。此外，文章还提出了用基于深度神经网络（DNN）的波形到符号接收机来代替传统的匹配滤波、下采样和后均衡等操作。实验表明，与传统接收机相比，基于BRNN后均衡电压动态范围提升了170 mV（69%），基于DNN的波形到符号接收机电压动态范围提升了245 mV（100%）。实验结果证明，基于BRNN后均衡和基于DNN的波形到符号接收机能有效提升系统性能，是未来UVLC中很有前景的技术方案。  
        关键词：水下可见光通信;振幅移相键控;双向循环神经网络;后均衡;深度神经网络   
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        发布时间：2023-08-14
      • 王杰,范婷威,申玲菲,黄志伟,迟楠,周田华
        2023(4): 28-33. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.006
        摘要：针对全双工水下无线光通信（FD-UWOC）系统中存在的自干扰限制系统通信性能的问题，文章提出了一种双波长收发分离的方法。基于Monte Carlo数值仿真方法，在Jerlov I、Jerlov IB和Jerlov II 3种典型水质下，分析了自干扰对450 nm单波长、525 nm单波长和双波长FD-UWOC系统性能的影响情况。仿真结果表明，水质越差，自干扰越强，并且自干扰的增强会显著降低FD-UWOC的光信噪比（OSNR），进而限制了系统的最远传输距离；采用双波长收发分离方法的FD-UWOC系统相较于单波长FD-UWOC系统能带来约60 dB的OSNR提升，从而可以实现更远的传输距离，其中，在Jerlov II类水质下传输距离提升了80 m，并能在Jerlov I和Jerlov IB类水质下实现大于100 m的有效传输距离。这些结果在FD-UWOC系统设计中具有一定的参考意义。  
        关键词：全双工水下无线光通信;Monte Carlo方法;自干扰;后向散射;双波长   
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        发布时间：2023-08-14
      • 易湘,班堃,刘欢欢,程明建
        2023(4): 34-41. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.007
        摘要：海洋湍流引起的到达角（AOA）起伏是影响水下通信和成像系统性能的关键因素。基于通用的海洋湍流光功率谱（OTOPS），文章采用适用于弱湍流条件的Rytov近似方法推导出高斯光束的波结构函数（WSF）以及AOA起伏方差的全区间解析解，并就上述物理量及空间相干半径（SCR）在大间距（ρ≫η，其中，ρ为间距，η为Kolmogorov微尺度）和小间距（ρ≪η）渐近区间内的近似解进行了讨论。数值结果表明，当ρ≫η时，现有结果在菲涅尔比Λ0=1附近存在较大偏差。在此基础上还分析了AOA起伏方差与ρ/η的关系。在渐近区间ρ≪η内，AOA起伏方差几乎不变；当处于区间ρ≈η时，AOA起伏方差急剧减小；当处于渐近区间ρ≫η时，AOA起伏方差的下降速度变得逐渐平缓。文章推导得到的结果更加准确并且适用范围更广，利用这些结果可以更好地研究高斯光束在弱海洋湍流中的传播特性。  
        关键词：到达角起伏;海洋湍流;高斯光束;Rytov近似   
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        发布时间：2023-08-14
      • 陈庆瑞,李燕龙,吕伟超,宋广斌,徐敬
        2023(4): 42-52. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.008
        摘要：水下无线光通信（UWOC）是一种新兴的高速水下通信技术，因其拥有传输带宽高、抗电磁干扰能力强、功耗低和体积小等优点，在学术界和工业界逐渐引起广泛关注。尽管光作为信息载体在水下传输时存在较大衰减，但其传输距离仍然可达百米级别，足以满足传感器数据传输的距离要求。然而，目前UWOC技术仍处于早期发展阶段，大部分UWOC系统的实验仅在实验室水箱开展，且性能测试方法各不相同，缺乏统一的性能测试模型和方法。为更客观地评估UWOC系统的性能，文章尝试提出UWOC系统的一般测试方法，建立测试模型，并总结系统评价指标，以促进UWOC技术的发展。  
        关键词：水下无线光通信;测试模型;评价指标;测试方法;水下测试   
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      • 韩笑天,廖佩璇,李鹏,汪伟,谢小平,李怀亮,魏佳广,冯晓伟,徐善志
        2023(4): 53-59. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.009
        摘要：针对海洋港湾海水强吸收和高散射的特性，文章利用蒙特卡洛方法仿真研究了激光在浑浊港湾海水中的传输特性。文章在一定的光波长、光能量和发散角下，量化分析了水质参数和传输距离对激光的功率、脉冲响应以及光斑质量的影响。研究结果表明，激光在浑浊港湾海水中传输时，随着衰减长度的增加，光功率的衰减特性保持一致，且光功率的衰减速度不符合比尔定律所描述的线性关系。在相同的水质条件下，光脉冲的宽度和光斑的尺寸随着传输距离的增加而增大，但是当传输距离从20个衰减长度传输至30个衰减长度时，光脉冲宽度基本不变，光脉冲展宽量的变化小于1 ns，此时光斑尺寸持续增大。另外，在相同的衰减长度处，光脉冲和光斑的展宽量随着水质衰减系数的增大而减小。  
        关键词：水下无线光传输;蓝绿光;蒙特卡洛;脉冲响应;光斑变化   
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        发布时间：2023-08-14
      • 申玲菲,范婷威,胡谷雨,王杰,张大伟,周田华
        2023(4): 60-67. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.010
        摘要：水下光通信系统在工作时需要及时获取与接收端的距离信息并进行高速通信。文章提出在水下蓝绿激光通信系统中加入单目测距功能，实现短距离视觉测距和长距离激光测距的水下光通信测距一体化研究。使用蒙特卡洛方法进行仿真，建立激光信号水下信道传输模型，模拟不同目标尺寸、不同距离和不同水质下的水下激光光斑图片，分析以上3种因素对水下单目测距精度的影响。考虑仿真图片光斑弥散和对比度降低对测距精度的影响，文章针对性地提出了一种对水下小尺寸光源目标、结合图像增强和Zernike矩亚像素点边缘检测的单目测距算法以提高单目测距算法的精度。通过实验室水池实验验证，文章所提算法精度达到了使用要求。  
        关键词：水下激光通信测距;蒙特卡洛方法;小尺寸目标;图像增强;亚像素点边缘检测   
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      • 刘杰徽,马麟,朱森荣,何祖源
        2023(4): 68-72. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.011
        摘要：在水下移动可见光通信系统中，当传输距离改变时，因水具有较大固有吸收，接收光功率会发生显著变化。文章提出了一种基于增益反馈控制（GFC）的水下移动可见光通信技术，拓展了通信距离和视场角（FOV）的动态范围。在移动速度为0.13 m/s条件下，实现了通信距离0.9~5.2 m任意可调速率5.0 Mbit/s、像素为800×600且帧率（FPS）不为零的实时双工视频传输。与没有使用GFC方法的系统相比，其通信距离和FOV的动态范围分别增长了5.3和2.8倍。为了进一步验证该系统的性能，文章还测试了不同移动速度下系统的平均闪烁指数、数据传输中断概率及误码率（BER）。在通信距离的动态范围内，随着移动速度增大，平均闪烁指数及BER相应增大，但即使移动速度达到系统可实现的最大速度0.83 m/s时，通信仍未中断，说明该系统具有良好的鲁棒性，在水下移动可见光通信领域具有良好的应用前景。  
        关键词：可见光通信;移动通信;视频通信;动态范围   
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      • 朱佳伟,漆宝梁,王行健,唐荣欣,余礼苏,王正海,邓辉,吴之旭,夏勇,王玉皞
        2023(4): 73-78. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.04.012
        摘要：可见光通信（VLC）由于其传输速度快和保密性强等诸多优势已成为了一种行之有效的水下通信技术。光在水下传播时容易发生散射现象，导致光传播的能量随传输距离的增大而减少，因此改善接收端响应度是实现水下VLC的关键和核心。为此，文章首先针对探测器前端设计了一种新型的全息波导聚光系统，可有效提升水下探测器的信噪比；然后，构建了具有弱光探测能力的低成本硫化锑薄膜探测器。在上述基础上搭建VLC系统，实验结果显示，其接收端探测器的暗电流仅为10-7 A/cm2，3 dB带宽为220 kHz，响应度达0.2 A/W，且在蓝绿光波段的外量子效率超过70%。因此，新型硫化锑薄膜探测器结合全息波导聚光系统可以实现针对可见光的弱光探测，是一种十分有效的水下可见光接收系统。  
        关键词：水下可见光通信;硫化锑;探测器;全息光栅;光波导   
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