第41卷第11期红外与激光工程2012年11月Vol.41No.11Infrared and Laser Engineering Nov.2012 激光水下通讯误码率的影响
沈娜，郭婧，张祥金
(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京210094)
摘要：蓝绿激光水下通信技术是水下激光引信探测技术的研究基础。对蓝绿激光加载数字脉冲信号后在水下的通讯效果进行了研究，分析了引起蓝绿激光水下传输衰减的因素，设计了蓝绿激光水下信号传输实验系统，测试了光发射接收组件在不同水质和不同距离下的通信误码率。实验结果显示信号传输误码率在纯水和空气中的变化并不明显，但水中杂质浓度的增加使得信号传输误码率发生急剧变化。实验证明：悬浮粒子散射是引起激光水下通讯误码的主要原因；通过使用连续型蓝绿激光通信，可以提高通信速率和灵敏度，降低误码率。 关键词：蓝绿激光；水下通信；误码率
中图分类号：TJ43文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)11-2935-05
Influence of bit-error rate in laser underwater communications
Shen Na,Guo Jing,Zhang Xiangjin
(The National Key Lab of Instant Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing210094,China)
Abstract:The blue-green laser underwater communications technology is the research base of the underwater laser fuse detection technology.The light absorption and scattering caused by a wide variety of seawater compositions make the laser attenuation underwater more complex than in air.In this paper, the underwater communication effects of blue-green laser which loads digital pulse signal was studied.
The factors that cause transmission losses were analyzed.It provided the design of the blue-green laser underwater signal transmission experimental system to test the communication error rate of the light emission&receiving components at different distances and under different aqueous media.Experiments show that the bit-error rate almost remains invariable in the pure water and air,but increases with the concentration of the impurity in water.It verifies that the laser underwater communication error is mainly caused by particulate scattering，and the use of continuous laser source can increase the communication speed and sensitivity,and reduce the error rate.
Key words:blue-green laser;underwater communication;bit-error rate
收稿日期：2012-03-05；修订日期：2012-04-03
基金项目：国家自然科学基金(60908037)
作者简介：沈娜(1979-)，女，博士，主要从事探测与制导控制方面的研究。Email:snbox@163
红外与激光工程第41卷
0引言
蓝绿激光引信技术是利用海水的蓝绿窗口光学
特性发展而来的一种新型的水下激光引信技术。由封盾
于在海水中蓝绿激光通讯具有传输效率高、信息容
量大、抗电磁和核辐射干扰、方向性强、隐蔽性好等
超长波通讯无法比拟的优点[1]，所以在水下目标探
测领域有着良好的发展前景。
然而光束在水中传输的特性远比在大气中传输要
复杂得多。水的光学性质取决于纯水、被溶解物（无机
的和有机的）、悬浮物、矿物质和有机物等水质成分。除
此之外，还有气泡、湍流等非均匀性因素。这些因素对
光束的吸收和散射作用使得激光在水中的能量衰减情
况并不明确。由于缺乏能够准确描述蓝绿激光在水中
动态传输的理论模型，使得激光水下动态探测通讯技
术的研究相对滞后，阻碍了蓝绿激光在高速海基装备
上的应用。因此开展蓝绿激光动态传输特性研究是水
下蓝绿激光引信目标探测技术发展的一个重要环节。
1蓝绿激光水下传输衰减因素
蓝绿激光在水中的传输衰减主要由两个因素引
起：一是水分子和水中溶解质(分子、离子)对激光的
吸收而引起辐射通量的损失；二是水中悬浮颗粒对
光线的散射而引起辐射通量的损失。
因此水的体积衰减系数等于其吸收系数与散射
系数之和
μc=μa+μb(1)
对于均匀介质来讲，吸收系数μa的大小主要依
旋转滑梯赖于波长；而散射系数μb主要与水中悬浮颗粒物的
浓度、性状有关。
top技术
文中拟通过蓝绿激光水下信号传输实验探讨蓝
绿激光信号水下传输误码率的影响规律，从中到
提高传输精度的办法。
2蓝绿激光水下信号传输实验系统设计
高效率、高重复率、高功率以及长寿命的蓝绿激
光光源，是开展水下通信研究的必备条件。在此可用
邓特里公式估计通信距离对激光功率的要求。
蒲公英化妆品H r=H0
r +H*
r
=J
R2
e-αR+CJK
4πR
e-KR(2)
式中：H r为总照度；H0
r
为单程照度；H*
r
为多程照度；J
为辐射强度；R为通信距离；α为衰减系数；K为多程
衰减系数；C为实验常数(其值为4.08×10-3)[2-3]。对于
水下通信或探测，可以按照公式(3)估算通信或探测
距离与激光功率之间的关系:
R=2.3log
P
N ep S
!"(3)
式中：R为探测距离；α为衰减系数；P为辐射功率；
N ep为检波器噪声等值输出功率；S/N为信噪比[4]。由
上式可以看出，要提高通信或探测的距离，必须提高
激光功率。
对于蓝绿激光使用的材料，发射带隙在2.7~3eV
左右，光发射波的波长为：
λ=1240
g
(nm)(4)
一般的半导体激光器是由电压很低(E g/e量级)的直 流电源供电的[5]。
光源是光发射机的核心部件，但不是唯一元件，
要实现激光无线通信还需要将输入的电信号加载到
光源的发射光束上变成信息光信号，通过媒体介质
照射到光接收机上，才能完成通信工作。文中电信号
到光信号的调制、发射等功能是由激光发送机来完
高压瓶
成的，光信号的接收、解调、还原成原来信息信号等
功能是由光接收机来完成的。
图1是测试激光器动态性能的发射驱动控制电
路原理图。
图1蓝绿激光发射单元原理图
Fig.1Blue green laser emission unit
阈值电流I th是激光器的一个重要参数，是激光
器产生激光的最小注入电流。在实际应用中要根据
阈值电流的大小来确定激光器的工作电流和预偏置
2936
第11期
电流I b，而后者决定了激光器调制的最高频率。阈值电流I th的大小可以通过实验测出。偏置电流给定电路为半导体激光器LD提供一个适合于阈值电流I th 的偏置电流I b，I b的合适与否影响着半导体激光器的动态特性，一般取
I b=0.94I th(5)
电路中，电阻R10、R11、R12、电位器RPI及二极管D1为组件提供偏置电流(最小工作电流)，使蓝绿激光器工作在偏置电流I b=0.94I th左右，LD_In为测试脉冲信号输入端，采样电阻R13选用金属膜精密电阻，AD_In1和AD_In2两端是测试电信号监视端及组件电功率参数采集点。测试可以得到该两点的电位差，通过计算可以得到组件的工作电流、电压及功率参数。测试时，在LD_In端施加一定频率的方波信号，监视AD_In1和AD_In2两端的波形畸变。
图1中的电路在输入信号为“0”时为激光器组件提供最小为2V(实测值为2.08V)的工作电压(为半导体激光发射器提供偏置电流)；在输入信号为“1”时为激光器组件提供为3.3V(实测值为2.18V)的工作电压(半导体激光发射器发射激光号)。
实验证明，如果电路中没有在输入信号为“O”时的工作电压(2V左右)，激光器激发输出绿激光的相应速度将明显降低，实际测量此时最高工作频率约为2kHz左右。
图2为实验中采用的蓝绿激光数字信号接收实验电路。
图2蓝绿激光数字信号接收试验电路原理图Fig.2Digital signal receiving test circuit of blue green laser
误码率[6]是光接收机的一个重要性能指标，由判决电路判定，判决电路接收到的波动信号如下图所示。判决电路首先在由恢复时钟决定的判决时刻t D 对信号采样，根据接收到的比特是“1”还是“0”，采样值围绕其平均值I1或I0波动。然后将采样值与一个阈值I D比较，若I>I D，称采样值为1，若I<I D，则为0。当考虑噪声影响时，如果对1bit，而若I<I D，则发生错误，同样，如果对0bit，而I>I D则同样发生错误，这两个错误都将引起误码。设P(l)和P(0)分别为接收到“l”和“0”的概率，P(0/l)是收到“1”而错判为“0”的概率，P(1/0)是收到“0”而错判为“1”的概率，总的错判率即误码率(BER)为：
BER=P(l)P(0/l)+P(0)P(1/0)(6)在PCM脉冲编码调制比特流中，“0”和“1”的出现概率是相同的，同为1/2，带入上式，BER可化简为：
BER=1
2
[P(0/l)+P(1/0)](7)光信号数字处理系统中，信号被调制成只包含“0”和“1”的数字比特流，因此，这里的光信号处理实际上是二值化处理。
图3所示的电路通过光敏器件PD检测光信号输入，光强度大于阈值时，Q4集电极输出高电平“1”信号，
光强度小于阈值时，Q4集电极输出电平“0”信号，完成了光信号的二值区分功能，同时为微处理器提供电平接口。
(a)接收机中产生的PCM(b)中心在平均信号I0和I1
比特流响应的高斯分布概率
(a)PCM bit stream response(b)Gaussian distribution probability
generated in the receiver of the signals whase average
center is I0and I1
图3光接收机判决电路收到的波动信号
Fig.3Wave signal received by the decision circuit of the optical receiver
3蓝绿激光水下通讯实验
激光器组件测试电路如图4所示，稳压电源提供恒压5V直流电源，电压表V的指示数据是组件的工作电压，电流表A的指示数据是组件的工作电流，改变可变电阻R的值使激光组件工作电压在
沈娜等：激光水下通讯误码率的影响2937
红外与激光工程第41卷
2~3.5V之间。电路中的二极管在此对激光器组件起续流保护作用，以防测试过程中损坏组件。
图4测试NW-GL-D001型绿光工业激光器组件所用的测量电路
Fig.4Measurement circuit used in testing the NW-GL-D001 type green laser components
实验结果表明：当电压低于2.08V时，器件工作电流小于器件阈值电流，器件无绿激光束输出。电压大于3.36V时，组件电路处于过电压保护状态，器件无绿激光束输出。工作电压在2.07~3.31V之间时，组件正常工作。测试数据如下表所示：
表1NW-GL-D001型绿光工业激光器组件测试表格
Tab.1Test data of the NW-GL-D001type green laser components 表2是测试光发射接收组件误码率的数据。实验中，光接收机和光发射机进行了通信实验，实验中使用计算机在发射机电路输入端加载数字脉冲信号，同时用计算机在接收机端接收信号，比较发送和接收到的数据。
表2测试发射接收误码率实验数据
Tab.2Test data of the bit-error rate experiment
在表2的40m通信测试中，使用了凸透镜作为光学天线进行以收集，此时由于传输距离的增加使光斑面积增大而致使光束能量的衰减。
4结论
根据信号在纯水和空气中的传输误码率对比可知水体吸收对激光水下通讯的传输影响并不明显；根据信号在不同浓度悬浮液的传输误码率变化可知悬浮粒子散射是引起传输误码的主要原因。使用连续型蓝绿激光通信，可以提高通信速率和灵敏度，降低误码率。但是，此方案也要求使用的蓝绿激光器的平均功率较大，这对当前蓝绿激光器的研制水平来说要求过高。随着蓝绿激光器制造水平的提高，蓝绿激光器能够满足系统对发射功率的要求，这一方案应是高效实用的。
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distance/cm
Channel medium
100Atmosphere
100Atmosphere
Exposure
标定板mode
Direct
Direct
BER/%
0 2000Atmosphere Direct0
4000Atmosphere Direct0
50Tap water Direct0
50
Tap water with impurity
(low concentration）
Direct0.1 200Tap water Direct0
200
Tap water with impurity
(low concentration）
Direct0.2 10
Tap water with impurity
(high concentration）
Direct100
Working voltage/V Working current/mA Output power/mW
2.081150.109
2.111200.145
2.141250.200
2.191300.278
2.241350.330
2.281400.390
2.311450.500
2.361500.580
2.401550.670
2.451600.789
2.511650.840
2.561700.960
2.62175 1.070
2.69180 1.180
2.77185 1.300
2.85190 1.420
2.93195.9 1.590
3.09205.6 1.740
3.20210.1 1.980
3.31216.6 2.120 2938
第11期
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沈娜等：激光水下通讯误码率的影响
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三线阵测绘相机交会角在轨监测方法
吕勇1,2，冯其波1，孙世君3，孙鹏2，刘力双2，郎晓萍2
(1.北京交通大学理学院，北京100044；
2.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192；
3.北京空间机电研究所，北京100076)
摘
要：卫星发射和在轨运行期间，三线阵测绘相机交会角受环境影响会发生变化，从而制约了测绘精度。
与现有通过地面控制点反算补偿的方法相比，三线阵测绘相机交会角在轨监测是以上问题实时直接的解决方案，也是无地面控制点摄影测量的关键技术。但其理论上涉及多达36个自由度变化，难以直接实现。为此建立了包含全部自由度变化的测绘相机整体数学模型，推导出完整相机交会角表达式。进一步基于对各参量影响程度的分析，完成了自由度约简，得到简化的相机交会角表达式，并通过仿真验证了简化的合理性，各自由度参量在[0，200μm/(″)]变化范围内，简化误差小于0.05″。分析结果表明：只要重点监测5个关键自由度变化就可以实现三线阵测绘相机交会角的监测，从而大幅降低了系统的复杂程度，并使在轨监测成为可能。
5555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555
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