水下无线通信技术VIP专享VIP免费

水下无线通信技术海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且还包含了有关气候的信息，以及大量急待开发的资源。水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合下面分别进行说明。一、水下电磁波通信（一）水下电磁波传播特点无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大。水下实验表明:MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50〜120cm。低频长波无线电波水下实验可以达到6〜8m的通信距离。30〜300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米，但需要很长的接收天线，这在体积较小的水下节点上无法实现。因此，无线电波只能实现短距离的高速通信，不能满足远距离水下组网的要求。除了海水本身的特性对水下电磁波通信的影响外，海水的运动对水下电磁波通信同样有很大的影响。水下接收点相移分量均值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水下接收点相移分量的均值随着接收点的平均深度的增加而线性增大，电场相移分量的均方差大小受海浪的波动大小影响，海浪运动的随机性导致了电场相移分量的标准差呈对数指数分布。（二）传统的水下电磁波通信电磁波作为最常用的信息载体和探知手段，广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追溯至第一次世界大战期间，当时的法国最先使用电磁波进行了潜艇通信实验。第二次世界大战期间，美国科学研究发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通信进行了研究，但由于水中电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通信一度被认为无法实现直至60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被各国海军大量研究。甚低频的频率范围在3〜30kHz,其虽然可覆盖几千米的范围，但仅能为水下10〜15米深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通信系统投入研制。SLF系统的频率范围为30〜300Hz，美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对水下超过80米的潜艇进行指挥通信，因此超低频通信承担着重要的战略意义。但是，SLF系统的地基天线达几十千米，拖曳天线长度也超过千米，发射功率为兆瓦级，通信速率低于lbp,仅能下达简单指令，无法满足高传输速率需求。（三）水下无线射频通信射频（Radiofrequency,RF）是对频率高于10kHz，能够辐射到空间中的交流变化的高频电磁波的简称。射频系统的通信质量有很大程度上取决于调制方式的选取。前期的电磁通信通常采用模拟调制技术，极大地限制了系统的性能。近年来，数字通信日益发展。相比于模拟传输系统，数字调制解调具有更强的抗噪声性能、更高的信道损耗容忍度、更直接的处理形式（数字图像等）、更高的安全性，可以支持信源编码与数据压缩、加密等技术，并使用差错控制编码纠正传输误差。使用数字技术可将-120dBm以下的弱信号从存在的严重噪声的调制信号中解调出来，在衰减允许的情况下能够采用更高的工作频率，因此射频技术应用于浅水近距离通信成为可能。这对于满足快速增长的近距离高速信息交换需求，具有重大的意义。对比其他近距离水下通信技术，射频技术具有多项优势①通信速率高。可以实现水下近距离，高速率的无线双工通信。近距离无线射频通信可采用远高于水声通信（50kHz以下）和甚低频通信（30kHz以下）的载波频率。若利用500kHz以上的工作频率，配合正交幅度调制（QAM）或多载波调制技术，将使100kbps以上的数据的高速传输成为可能。②抗噪声能力强。不受近水水域海浪噪声、工业噪声以及自然光辐射等干扰，在浑浊、低可见度的恶劣水下环境中，水下高速电磁通信的优势尤其明显。③水下电磁波的传播速度快，传输延迟低。频率高于10kHz的电磁波，其传播速度比声波高100倍以上，且随着频率的增加，水下...