近年來(lái)在海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略指導(dǎo)下，我國(guó)加快了“透明海洋”計(jì)劃實(shí)施，加強(qiáng)了海洋觀測(cè)裝備的研發(fā)，已逐步構(gòu)建起新一代全球海洋高時(shí)空分辨率立體觀測(cè)網(wǎng)。伴隨著大量分布式預(yù)置水下長(zhǎng)期值守觀測(cè)站的建立，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，如何進(jìn)行水下大容量數(shù)據(jù)高速交互及回收的問(wèn)題日益凸顯。

水下機(jī)動(dòng)式裝備呈現(xiàn)系列化快速發(fā)展，包含自主水下航行器(AUV)、水下遙控航行器(ROV)以及水下仿生航行器等，具有無(wú)人化和智能化作業(yè)的特點(diǎn)。2022年，美國(guó)波音公司研制出超大型無(wú)人水下航行器(UUV)“虎鯨”號(hào)(見(jiàn)圖1)，并進(jìn)行了海試。同年，我國(guó)首艘智能型無(wú)人系統(tǒng)母船“珠海云”號(hào)(見(jiàn)圖2)在廣州下水，具備遠(yuǎn)程遙控和自主航行功能，甲板上能夠搭載數(shù)十臺(tái)空、海、潛無(wú)人系統(tǒng)裝備，可在目標(biāo)海域進(jìn)行批量化布放。

圖1 “虎鯨”號(hào)超大型無(wú)人水下航行器

圖2 “珠海云”號(hào)無(wú)人系統(tǒng)母船

可以看出，未來(lái)海洋無(wú)人智能型裝備具有網(wǎng)絡(luò)化、集群化的發(fā)展趨勢(shì)，海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互、高速傳輸成為制約透明智能化海洋建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)水下傳統(tǒng)聲通信傳輸速率較低的問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在水下光通信領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，旨在發(fā)展基于光通信的高帶寬、高速率和高隱蔽性的水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。文中調(diào)研了聲通信和光通信在UUV組網(wǎng)中應(yīng)用的特點(diǎn)，提出了基于激光二極管(LD)窄束長(zhǎng)距離高速激光通信和發(fā)光二極管(LED)準(zhǔn)全向藍(lán)綠光通信的水下移動(dòng)式局域組網(wǎng)方案，以期為水下察打一體觀測(cè)網(wǎng)和水下末端突防系統(tǒng)的研制提供技術(shù)支撐。

水下通信組網(wǎng)是以各類UUV智能控制和協(xié)同編隊(duì)技術(shù)為基礎(chǔ)，以聲通信或光通信設(shè)備為核心載體，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)間的互聯(lián)互通，已成為海洋觀測(cè)探測(cè)的重要手段。

水聲通信是水下中遠(yuǎn)距離上，應(yīng)用于無(wú)線通信、探測(cè)、定位的主要手段。自1998年開(kāi)始，美國(guó)麻省理工學(xué)院就開(kāi)展了水下探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的通用海洋陣列技術(shù)系統(tǒng)(GOATS)研究，并在1998—2014年開(kāi)展了一系列的水聲組網(wǎng)探測(cè)試驗(yàn)。美國(guó)海軍于2006年開(kāi)始研制水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)(PLUSNet)，并以巡航導(dǎo)彈核潛艇為母節(jié)點(diǎn)，以核潛艇攜帶的UUV為移動(dòng)子節(jié)點(diǎn)，以水下潛標(biāo)、浮標(biāo)和水聲探測(cè)陣為固定子節(jié)點(diǎn)而構(gòu)成的一種潛布式海底固定加機(jī)動(dòng)的水下網(wǎng)絡(luò)，可獲取海洋環(huán)境信息和水下目標(biāo)信息，為水下作戰(zhàn)提供信息化支撐。自我國(guó)在“863”計(jì)劃的自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題中首次立項(xiàng)支持聲通信機(jī)研制，到我國(guó)載人深潛“蛟龍?zhí)枴睂?shí)現(xiàn)在8～10km距離內(nèi)以最高10kb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖像，中科院聲學(xué)所已經(jīng)完成了多型聲通信機(jī)設(shè)備研制。此外，國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展了水聲通信與組網(wǎng)技術(shù)的理論研究、樣機(jī)研制和湖海試驗(yàn)，發(fā)展迅速。可見(jiàn)光通信(VLC)是一種利用波長(zhǎng)在380～790nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無(wú)線傳輸技術(shù)，具有不受無(wú)線電干擾、無(wú)電磁輻射、高度保密性的高速通信方式。

2015年，美國(guó)肯尼迪航天中心簽署了太空行動(dòng)協(xié)議，其主要面向VLC網(wǎng)絡(luò)在照明系統(tǒng)和協(xié)同全球定位系統(tǒng)改善通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的研究。2021年4月，英國(guó)PureLiFi公司宣布向美國(guó)陸軍提供新一代的無(wú)線光通信組網(wǎng)產(chǎn)品——Kitefin，說(shuō)明了VLC組網(wǎng)技術(shù)未來(lái)在國(guó)防中將占據(jù)重要地位。2013年，復(fù)旦大學(xué)設(shè)計(jì)了一套全雙工VLC系統(tǒng)，進(jìn)行了低誤碼率和高速率的可行性研究，并在2014年對(duì)VLC接入網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了光纖和可見(jiàn)光的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以支持32個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行高速通信，證明了VLC組網(wǎng)的能力。2019年，清華大學(xué)提出了一種基于LD和LED混合組成的水下無(wú)線光通信組網(wǎng)技術(shù)，該技術(shù)能夠通過(guò)混合通信系統(tǒng)來(lái)提升受限節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的通信周期和信息容量。

⒈國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水下VLC技術(shù)利用海水的透光窗口對(duì)藍(lán)綠波段可見(jiàn)光吸收損耗極小的特性，采用光波長(zhǎng)為450～570nm的藍(lán)綠光束為載波，在水下中近距離進(jìn)行高速信息傳輸，可實(shí)現(xiàn)跨域跨介質(zhì)通信，從而進(jìn)一步完善水下信息傳輸體系的保障能力，在未來(lái)海洋開(kāi)發(fā)中基于水下光通信技術(shù)構(gòu)建的新型立體通信網(wǎng)絡(luò)，將在民用/國(guó)防等通信、探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2016年，英國(guó)的水下技術(shù)公司Sonardyne向韓國(guó)船舶和海洋工程研究所(KRISO)提供了水下通信設(shè)備BlueComm200，其速率達(dá)20Mb/s，距離達(dá)100m，可完成水下高清圖像的傳輸。2017年，日本海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAMSTEC)開(kāi)展了水下雙向無(wú)線光通信試驗(yàn)，在800m水深海域中，實(shí)現(xiàn)了20Mb/s傳輸速率、100m距離上的可靠通信。

2019年，西安光機(jī)所在三亞半山半島帆船港口開(kāi)展了光通信設(shè)備性能測(cè)試，采用藍(lán)光大功率LED和大面積光電倍增管(PMT)探測(cè)器，設(shè)計(jì)出“大角度發(fā)射—寬視場(chǎng)接收”的光通信機(jī)，實(shí)現(xiàn)了20m通信距離下，傳輸速率為20Mb/s的全雙工高速通信。此后，西安光機(jī)所又研制了一型全海深光通信機(jī)，并于2020年11月搭載在“奮斗者”號(hào)載人水下航行器和“滄海號(hào)”著陸器上，在馬里亞納海溝成功實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)米海底的4K超高清畫(huà)面直播。2023年1月，西安光機(jī)所在丹江口水域?qū)尚凸馔ㄐ艠訖C(jī)進(jìn)行了湖上試驗(yàn)，無(wú)線光通信機(jī)依靠固定工裝下潛到指定水位，由吊機(jī)調(diào)整相對(duì)距離，分別在相對(duì)靜止和相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行了通信性能測(cè)試。同年3月，在中國(guó)南海陵水進(jìn)行了海試以驗(yàn)證光通信機(jī)功能及性能指標(biāo)的可靠性，通過(guò)中繼器搭載上述光通信設(shè)備，由吊機(jī)垂直吊放，與船舷外伸固定桿端搭載光通信機(jī)進(jìn)行垂直通信，試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 海上試驗(yàn)

⒉典型水下高速光通信工程樣機(jī)

近年來(lái)，西安光機(jī)所針對(duì)水下準(zhǔn)全向一對(duì)多光通信機(jī)技術(shù)和水下長(zhǎng)距離窄束激光通信技術(shù)展開(kāi)了深入研究，相繼開(kāi)發(fā)出了可應(yīng)用于2000、6000和11000m不同海深的系列化工程樣機(jī)。水下無(wú)線光通信機(jī)產(chǎn)品從光源形式上主要分為L(zhǎng)D和LED兩大類，從結(jié)構(gòu)形式上主要分為收發(fā)一體和收發(fā)分離式2種，如圖4所示。

(a)收發(fā)一體式通信機(jī)

(b)收發(fā)分離式通信機(jī)

圖4 水下無(wú)線光通信樣機(jī)

一般來(lái)講，水下無(wú)線光通信機(jī)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大功能模塊組成。發(fā)射系統(tǒng)具體包含供電單元、信號(hào)處理單元(調(diào)制)和光發(fā)射單元；接收系統(tǒng)包含供電單元、信號(hào)處理單元(解調(diào))和光接收單元。水下無(wú)線光通信機(jī)具體功能組成如圖5所示。

圖5 水下無(wú)線光通信機(jī)功能組成

⑴收發(fā)一體式光通信機(jī)

收發(fā)一體式光通信機(jī)采用帶平面光學(xué)窗口的密封艙結(jié)構(gòu)，接收單元布置在中心區(qū)域，外圍布置環(huán)形LED發(fā)射陣列。在一類水質(zhì)中最高通信速率20Mb/s，最遠(yuǎn)通信距離100m，支持最大工作水深6000m，質(zhì)量6kg，單機(jī)尺寸為Φ120mm×300mm，采用藍(lán)梭水密式接插件，具有1個(gè)供電接口和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口。

⑵收發(fā)分離式光通信機(jī)

收發(fā)分離式光通信機(jī)單個(gè)終端由2個(gè)密封艙體構(gòu)成，一個(gè)密封艙體裝有發(fā)射單元，另一個(gè)密封艙體裝有接收單元，二者由外部線纜連接進(jìn)行供電及數(shù)據(jù)交互，構(gòu)成一個(gè)整體。密封艙體具有半球形密封窗口，視場(chǎng)角可達(dá)120°，具有較高的收發(fā)隔離度，在一類水質(zhì)下最大通信速率可達(dá)25Mb/s，通信距離150m，最大工作水深6000m。

水下光通信按照發(fā)射光源類型一般可分為L(zhǎng)D窄束激光通信和LED準(zhǔn)全向通信兩類。LD窄束激光通信一般需要捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤(APT)系統(tǒng)滿足強(qiáng)對(duì)準(zhǔn)條件，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高速通信。LED準(zhǔn)全向光通信利用大發(fā)散角光束來(lái)降低終端對(duì)準(zhǔn)要求，能夠獲得良好的動(dòng)中通性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，母艇工作水域一般較深，水質(zhì)較好，母艇自主布放UUV與母艇間初始指向不確定區(qū)域較小，適合使用激光建立防區(qū)外高速長(zhǎng)距離通信鏈路。機(jī)動(dòng)平臺(tái)與固定基站，或機(jī)動(dòng)平臺(tái)之間，由于相對(duì)定位復(fù)雜，初始指向不確定區(qū)域較大，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)廣播式多對(duì)多通信，適合用LED準(zhǔn)全向光通信。

文中針對(duì)水下機(jī)動(dòng)式平臺(tái)和預(yù)置式長(zhǎng)期值守平臺(tái)的典型應(yīng)用場(chǎng)景(如圖6所示)，設(shè)計(jì)了水下移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖7。

圖6 UUV光通信組網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

圖7 移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖

最小局域組網(wǎng)單元由母艇、中繼UUV、海底基站以及集束式AUV構(gòu)成。母艇負(fù)責(zé)布放回收和全局控制；中繼UUV由母艇釋放，自身攜帶多枚集束式AUV，通過(guò)中繼UUV延伸母艇的作業(yè)半徑，同時(shí)中繼UUV執(zhí)行自適應(yīng)巡航，對(duì)指定區(qū)域的海底基站進(jìn)行巡視，完成海底基站的指令下發(fā)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回收，最終回傳母艇，實(shí)現(xiàn)特定海域的態(tài)勢(shì)感知；海底基站是預(yù)置式長(zhǎng)期值守裝備，用于海洋信息監(jiān)測(cè)和收集；集束式AUV由動(dòng)力單元、主控單元、通信單元和任務(wù)單元構(gòu)成，與中繼UUV進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由中繼UUV進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和分配，也可實(shí)現(xiàn)各AUV節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交互，集束式AUV側(cè)重于高效協(xié)同和高速機(jī)動(dòng)能力，適用于分布式信息搜集和集群化末端突防等任務(wù)。

基于水下裝備平臺(tái)搭載相應(yīng)的光通信機(jī)，建立移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)，具體由3層子網(wǎng)拓?fù)浣M成，第1層：母艇與中繼UUV由掛載的水下長(zhǎng)距離激光通信機(jī)建立高速光通信鏈路，通信距離達(dá)到1km以上，保障母艇作業(yè)安全；第2層：中繼UUV與海底基站或集束式AUV之間由LED準(zhǔn)全向光通信機(jī)建立局域光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)中繼UUV對(duì)下一級(jí)裝備的控制和數(shù)據(jù)交互；第3層：集束式AUV在分離之后，個(gè)體之間采用LED準(zhǔn)全向光通信機(jī)建立局域光通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)編隊(duì)協(xié)同。該移動(dòng)式局域光通信網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)具體任務(wù)規(guī)劃布設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)高速光通信進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(包含語(yǔ)音、圖片和視頻等)交互，提高水下各平臺(tái)的信息共享和協(xié)同控制能力。

文中介紹了基于水聲通信和無(wú)線光通信的UUV組網(wǎng)通信技術(shù)現(xiàn)狀，著重介紹了水下藍(lán)綠光通信的研究進(jìn)展和工程應(yīng)用水平，并提出了根據(jù)不同型號(hào)UUV的特點(diǎn)，分別搭載基于LD窄束長(zhǎng)距離激光通信機(jī)和LED準(zhǔn)全向光通信機(jī)，從而建立水下高速信息傳輸?shù)囊苿?dòng)式局域組網(wǎng)方案。

水下光通信技術(shù)雖已取得多項(xiàng)重要成果，但距離成熟的工程應(yīng)用還有差距。主要表現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信和多對(duì)多隨機(jī)接入兩方面。后續(xù)將針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展深入研究，著眼于水下光場(chǎng)調(diào)控理論研究、水下準(zhǔn)全向光通信技術(shù)和多址隨機(jī)接入等3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升國(guó)產(chǎn)水下光通信機(jī)性能，結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)水下光通信組網(wǎng)并進(jìn)行示范應(yīng)用。

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END

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