海洋光信道：光谱衰减特性分析

光信号在海洋水下传输的过程远比其在大气中传输复杂得多，海水是一种复杂的物理、化学、生物系统，它含有溶解质、悬浮体以及各种海洋生物，激光在海水传输过程中必然与水分子和这些粒子相互作用，发生光学吸收、散射，对激光信号传输产生影响，这种影响体现为光信号强度效应、空间效应和时间效应。强度效应表现为信号强度变化，包括强度衰减、强度波动等；空间效应表现为光子传输方向改变、光束扩展等；时间效应是针对脉冲信号而言的，其表现为光脉冲发生时间展宽效应。此外，海洋中有些湍流效应会严重阻碍通信系统正常设计性能的发挥。总的来说，上面提到的各种效应限制了海水下光通信的有效传输距离。

（一）海洋光信道的光谱衰减

同时考虑信道对光的散射及吸收作用，一般采用物理量消光系数表示光信号在其中传输的衰减性能，图2-48是同时考虑海水对光的吸收和散射时的光谱衰减趋势。

图2-48　海水信道的光谱衰减

由图2-48可以看到，海水的光学衰减效应在光谱波段400～600 nm之间最小，即通常所称的海水蓝绿光窗口。经实验验证，超过该光谱区间的消光系数可达103／m以上，因此，除了光波长400～600 nm之间的蓝绿光，其他波长的光束在海水中传输很困难。

（二）光学传输时间特性

图2-49是光脉冲通过Ⅰ类海水的不同水深下的时间特性曲线。从图中可以看出，海水在不同水深下的时间特性曲线有着相同的形状，时间分布有着相对较陡峭的上升沿和较舒缓的下降沿，而下降沿基本上是指数衰减的。随着海水深度的增加，接收到光信号的时延不断增大。时延在水深为10 m时只有45 ns，而在深度为40 m时达到了190 ns，而且对于等深度间隔的光脉冲，时间延迟呈现线性特征。下降沿的衰减也随海洋深度的增加而变缓，这是由于随着传输距离的增加，多次散射的光子增多的原因。

图2-49　时间特性

（三）光学传输空间特性

光信号在海水信道传输路径上受到散射作用，光脉冲在传输过程中会发生多次散射，每一次散射都会带来脉冲光传输方向改变，结果将导致光束空间分布发生变化，光斑尺寸扩大。图2-50为光信号通过不同海洋水深后的空间分布，光脉冲在空间分布上近似服从高斯分布，光信号强度由光斑中心向外递减。由于光学散射作用，随着海洋深度增加，光斑尺寸在慢慢变大；同时，由于光学吸收作用，光斑变化在一定的海洋深度处慢慢趋于平缓。

图2-50　光信号通过不同海洋深度后的空间分布

分布形状表明海水对绝大多数光束发生空间扩展现象，在相同散射特性下，随目标海洋水下深度的增加，光斑分布形状的峰值随之减小，宽度则随之增大。说明光束的扩展效应随目标通信深度增加而逐渐恶化。同时，在相同有效光散射厚度条件下，不同海水特性和不同目标深度，高斯激光光束水下的扩展效应基本相同，可以认为空间扩展效应主要与有效散射厚度有关。(www.zuozong.com)

（四）激光在海洋界面上的传输

海洋水下激光通信系统的信道是由大气、空-海界面和海-空界面以及海水组成；激光由海-空界面和空-海界面分别进行上、下行传输。通常海水界面不是平静的水平面，容易受到风力或其他外力的影响，产生随机起伏，降低接收端接收到的激光信号功率，由此也提高了对接收机的要求；同时，光在不同介质中的传播特性不同，而且激光通过海-空界面和空-海界面作上行和下行的传输并不是简单的可逆关系。

当激光从大气入射到海水界面时将在这里发生反射和折射，一部分激光从界面反射回大气，另外一部分激光进入海水继续往里面传播。在界面上的反射率和透射率与激光入射角有关，当入射角为零，即正入射时的反射率为零，透射率接近100%；随着入射角由小增大，反射率增大，透射率减少，当激光束入射角增大到90度，即掠入射时，透射率接近零。

如果激光束是从海水里面往大气传播，由于海水的折射率比大气折射率大（大气折射率大约为1，海水折射率大约为4／3），即海水相对大气是光密介质，因而激光束在传输到海水-大气分界面上时，不仅产生反射和折射，当入射角达到一定值（大约48．59°）时，将产生全内反射，透射出海水界面的激光能量便很少，造成通信传输光信号能量严重损耗。

（五）海浪对光信号传输的影响

海浪是海水的波动现象，最常见的是由风形成的海浪即风浪，此外还有涌浪和近岸波。由于海浪的存在，海面将不是一个静止光滑海平面，而是倾斜角度变化着的反射面，倾斜角度变化，激光束穿过海面时其束中心将发生漂移，如图2-51所示。同样，在接收端的激光光斑直径也随倾斜角度变化，如图2-52所示。总的来说，由于波浪的影响，到达信号接收系统所在位置的激光光束将发生扩散，光斑也不再是规则的圆形，光斑内的光强分布也发生改变，图2-53为接收端记录的光斑照片。不过，在光斑中心附近，光强度基本上还是很大的，这意味着利用激光束中心还是能够有效地进行通信的，只是通信质量下降了。此外，水下激光通信的传输环境相对大气恶劣，海水的急速流动可能会引起水体光学传输特性局部发生改变，从而引起光束瞬间偏离原来的传输方向，影响到通信的可靠性。

图2-51　光束中心漂移量随倾斜角变化

图2-52　光斑直径随倾斜角度变化

图2-53　在接收端记录的光斑

通过在发送端使用合适扫描模式可以提高通信的成功率，并提高通信有效距离。发送端进行的扫描模式是指其发送的激光束中心的偏移角按照一定的规律变化，使发出的激光信号在较短的时间内能够覆盖较大的海面范围，从而可以提高通信的可靠性。不过，扫描方式需要根据具体海面情况选择，在风浪较小时使用扫描机制后会使得光束中心漂移变化过快，反而会降低通信的可靠性。