水下无线光通信技术与应用

本书面向水下海洋科考平台对水下大容量数据无线传输的需求，针对水下无线光通信技术进行原理、模型、器件、系统的分解阐述，开展技术预测与展望。首 先，概述激光的海洋传输特性，对水下无线光通信信道特性进行仿真。然后，面向水下光通信需求，探讨了水下无线光通信系统组成，重点阐述了水下无线光通信光源、水下光电探测和信息获取等关键技术，并进一步结合实际需求，详细介绍了水下长距离高速无线光通信系统的设计与案例。最后，对水下无线光通信技术在深海大洋以及空间组网等方面的应用与展望进行了探讨。 　　本书适合希望了解水下无线光通信技术的 人士阅读，不仅可作为水下无线光通信系统研究、开发和维护人员的专业参考书，也可以作为高等院校高年级本科生、硕士研究生与博士研究生的参考资料。同时，对于未来可能对水下无线光通信技术感兴趣的人员，本书内容也具有参考价值。

陈卫标 中国科学院上海光学精密机械研究所党委书记/副所长、中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室主任。主要研究方向为空间全固态激光器及空间激光雷达、激光通信系统研究。现为中国光学工程学会常务理事、中国光学学会环境光学委员会副主任委员，中国光学学会空间光学和激光技术专业委员会委员等，国家某创新主题专 家组成员。作为学术带头人，在我国率先研制出机载高分辨率海陆测绘激光雷达，为我国南海岛礁绘制高精度海底地图，率先突破跨介质、大深度蓝绿激光通信技术。在机载蓝绿激光海洋立体遥感探测及信息传输方面获2019年度上海市技术发明一等奖。获国内外授权专利50余项，在国内外光学主流期刊发表高水平论文200余篇。 周田华 中国科学院上海光学精密机械研究所科技管理部部长，上海市红外与遥感学会理事，主要研究方向为蓝绿激光海洋传输特性及其在通信和探测中的应用，已持续开展相关研究近廿载，已发表相关论文50余篇，已授权发明专利6项。获2019年度上海市技术发明一等奖（第 二完成人），2019年度上海市科技系统青年五四奖章（个人），2020年度上海市青年五四奖章（个人）。 毛忠阳 海军航空大学航空通信教研室主任。享受国务院政府特殊津贴专 家，军队高层次科技创新人才工程学科拔尖人才，全军重点建设学科负责人，全军十四五预先研究论证专 家组成员，军事科学学会会员，海军通信系统工程建设专 家。主要研究方向为海上无线光通信技术、新体制通信理论研究与应用、智能化组网；先后承担了国家重大基础加强、973、863、国防预研、型研项目共20余项；获山东省科技进步一等奖一项，军队科技进步二等奖3项，三等奖1项；授权发明专利12项，发表论文60余篇，公开出版教材和专著3部。

第1章 概述 001 1.1 背景 001 1.2 水下无线光通信技术现状 004 1.2.1 国外研究进展 004 1.2.2 国内研究进展 007 参考文献 011 第2章 激光的海洋传输特性 017 2.1 海水的组成及其一般传输特性 017 2.2 水下光传输的光学特性 018 2.3 光在海水中的衰减 020 2.4 水下光信道的研究方法 021 2.4.1 海洋光学实地测量 021 2.4.2 辐射传输方程计算解析法 026 2.4.3 MC方法 028 2.5 透明度反演水质参数 029 2.5.1 遥感数据反演透明度模型 029 2.5.2 透明度反演衰减系数模型 031 2.6 黄海海域蓝绿光传输特性 032 2.6.1 黄海海域蓝绿光衰减系数分析 033 2.6.2 黄海海域蓝绿光能量衰减分析 035 参考文献 038 第3章 水下无线光通信信道特性的仿真 041 3.1 MC方法 041 3.1.1 仿真假设和近似 044 3.1.2 仿真参数设置 044 3.1.3 远端光场分布特性分析 046 3.1.4 固定视场角和接收机半径时的接收特性分析 049 3.2 改进的半解析半MC方法 052 3.2.1 半解析半MC方法原理 052 3.2.2 与实验结果的对比 056 3.3 新型马尔可夫链MC仿真 059 3.3.1 马尔可夫链 059 3.3.2 状态转移矩阵 060 3.3.3 角度分布 061 3.3.4 接收面上的能量 062 3.3.5 接收面上的时域分布 064 参考文献 069 第4章 水下无线光通信系统 071 4.1 UWOC系统架构 071 4.2 发射机 073 4.2.1 发光二极管 073 4.2.2 激光二极管 074 4.2.3 激光器 076 4.2.4 光源对比 078 4.3 接收机 078 4.3.1 PIN型光电二极管 079 4.3.2 APD 079 4.3.3 PMT 080 4.3.4 探测器比较 081 4.4 调制技术 081 4.4.1 数字脉冲调制 082 4.4.2 正交振幅调制 087 4.5 编码技术 089 4.5.1 RS码 089 4.5.2 LDPC码 091 4.5.3 Polar码 093 4.5.4 DB编码 098 4.5.5 NLTCP编码 099 参考文献 100 第5章 水下无线光通信光源 102 5.1 固体蓝绿光激光器概述 102 5.1.1 腔内倍频蓝绿光激光器技术 103 5.1.2 腔外倍频蓝绿光激光器技术 104 5.1.3 腔内和频蓝绿光激光器技术 105 5.1.4 光参量振荡蓝绿光激光器技术 105 5.2 全固态蓝光激光器技术 106 5.2.1 基于钛宝石的蓝光激光器技术 107 5.2.2 基于准三能级0.9 m波长的蓝光激光器技术 108 5.2.3 基于1.3μm波长的蓝光激光器技术 110 5.3 全固态绿光激光器技术 112 5.3.1 基于Nd:YLF晶体的绿光激光器技术 113 5.3.2 基于Nd:YAG晶体的绿光激光器技术 122 5.3.3 基于Nd:YVO4晶体的绿光激光器技术 130 5.4 全固态蓝绿光激光器技术展望 133 参考文献 134 第6章 水下光电探测和信息获取 137 6.1 光电探测器概述 137 6.1.1 光电探测器原理 137 6.1.2 水下光通信常用探测器 139 6.1.3 探测器主要参数 141 6.1.4 探测器主要性能比较 143 6.2 探测器噪声分析 144 6.3 分集接收技术 146 6.3.1 分集接收理论 146 6.3.2 分集增益分析 149 6.4 光子计数接收技术 150 6.4.1 单光子探测接收 150 6.4.2 多光子计数接收 152 参考文献 154 第7章 水下长距离高速无线光通信系统 157 7.1 总体方案 157 7.2 系统参数设计 159 7.3 光源选择 161 7.4 探测器选择 165 7.5 调制方式选择 168 7.6 系统研制与集成 170 7.7 室内外实验 173 参考文献 176 第8章 水下无线光通信应用与展望 177 8.1 水下大容量无线光通信 177 8.2 水下长距离无线光通信 180 8.3 通信测距照明多功能一体化 184 8.4 深海综合应用 185 8.5 空间跨介质应用 188 8.6 空天地海立体通信网络体系构建 189 参考文献 190 名词索引 193