水域光通信湍流干扰性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

本课题的现状及发展趋势：目前，人类对海洋中通信的研究大都是海平面以上的，对于水下探索非常有限，而水下的通信方式又大致可分为三种：水声通信，射频通信和光通信。其中，水声通信可实现几百海里以上的远距离传输，但由于其可用带宽被限制在20khz的低频范围内，其传输速率被限制在几十kb/s左右。及声波信号频率低，导致其传输速率低，传输容量小，这与当今的高速率、大容量的传输不匹配。同时其传输时延长、安全性能低、设备体积大、搭建成本高等，都制约着水声通信技术的发展。而射频通信可实现速率达到几百kb/s的水下通信，但由于其在水下传输时存在趋肤效应，传输距离受到限制，仅适合应用于浅水的近距离通信。因此，水声通信和射频通信都不能同时满足高速率，高质量，长距离传输的要求。

在光通信中，由于蓝绿光的波长位于水的透射窗口，水对蓝绿光的吸收系数小，使得蓝绿光通信可在水下传输相对较远的距离，且可获得较高的传输速率．当前水下可见光通信主要分为激光通信和基于蓝绿光led的可见光通信．激光通信功率大，可在水下传输较远的距离，但存在相干闪烁的问题，且实现通信需要精准对准，为实际操作、应用造成困难。基于蓝绿光led的水下可见光通信使用非相干光，集聚照明与通信功能为一体，且无需严格对准，为“动中通”的实现提供方案，因此，基于蓝绿光led的水下可见光通信将是未来高速水下通信网络的核心技术之一。

水域光通信在湍流干扰下的研究实质上就是研究蓝绿光通信技术，光波以其高速率传输的特点适合短距离水下通信，短距离水下通信的应用很广，包括军事和民业都有涉及。例如：潜艇可以在工作深度或更深的海水中接收岸上发的报文，提高了潜艇的机动性和隐蔽性，保障潜艇的实时、保密通信，增强了潜艇的顽存力。 20 世纪 70 年代，水下光通信技术开始受到重视。1977 年，美国开始提出战略激光通信计划。从 1980 年起，美国通过一次次的实验，证实蓝绿激光能够在各种海洋条件下和几乎全天候气象条件的进行高速通信。1983 年年底，前苏联完成了把蓝色激光束发送到空间轨道反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。2008 年，美国 f．hanson 等人在实验室中首次实现了传输速率高达1 gb / s的水下光通信。2010 年 2 月， 美国伍兹霍尔海洋研究所实现100 m范围内，水下光通信速率达到 10 ～ 20 mb / s的能力。2017年，chen等人建立了水下到机载终端信道的光通信，发送端采用单模尾纤绿光激光二极管光源进行32正交幅度调制（quadratureamplitude modulation，qam），然后通过正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，ofdm）实现5.3gb/s传输距离达26米的通信。同年，liu等人利用绿光激光二极管进行开关键控（on-off keying，ook）调制方式实现2.7gb/s速率传输34.5m的水下无线通信方案。然而，到目前为止，商用的水下光通信技术还不成熟。

2. 研究内容和问题

基本内容：

当代，短距离水下通信系统在海洋领域的应用日益增加。然而相比于陆地通信，水下通信环境复杂多变，通信难度更大。水下通信系统干扰因素很多，其中最主要的干扰是由海水中盐度和温度的变化导致的海洋湍流的变化。这会对水下光波产生散射、吸收和折射效应，从而导致光波产生很大衰减。

通过学习水下短距离光通信特征，以轨道角动量水下光通信为研究基础，分析水下湍流干扰oam态复用光波传输的机理，研究短距离光通信水下湍流信道模型。研究分析水下湍流频谱特性，建立水下湍流信道模型，并根据模型分析水下湍流对oam态复用系统干扰性能，给出系统误码率和接收信号功率特性。

3. 设计方案和技术路线

研究方法：

本课题的研究需要采用理论与实践相结合的方法，理论分析与labview软件和matlab软件仿真相结合的方法，而且要注意检查理论结果与仿真结果的吻合程度检验。

4. 研究的条件和基础

拥有丰厚的理论知识，熟知通信原理，信号与系统等专业基础理论课程，对于Matlab编程运用自如，不足是要学习使用Labview编程，学习OAM技术和水下通信知识，以及要掌握水下光传输检测的方法。