随着人类探索与应用海洋的脚步的加快，对水下通讯技术的要求也越来越高。相对于水下电磁波或声波的高衰减性，通过适当的光传输窗口选择，水下无线光通信系统，在通信质量、可靠性和系统应用的灵活性等方面，具有较大的优势。本文根据水的光学特性，分析蓝绿光的在水中的传输特性及性能指标，证明其为最优光源。以OOK调制方式编解码，51单片机作为为核心控制系统进行数据传输接收。具体装置包括接收天线，光电转换器，信号处理电路等，最终能够和发射端进行有效交互。关键词 无线光通信，蓝绿光，解调方式，信号处理
目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究方向 1
1.3 水下通信研究的难点 2
1.4 本论文主要的研究内容 2
2 水信道的光学特性分析 3
2.1 引言 3
2.2 光源的基本光学参数 3
2.2 水体光学特性 4
2.3 水体的衰减效应 4
2.4 水下通信的模型 8
2.5 本章小结 8
3 水下无线光通信调制 8
3.1 引言 9
3.2 无线光调制 9
3.3 调制干扰的解决 9
3.4 水下无线通信误码率 10
3.5 本章小节 10
4 水下光通信系统（接收端系统）设计 10
4.2 光学天线 11
4.3 光电探测器 12
4.3.光电倍增管(PMT)原理 13
4.4 信号处理电路模块 14
4.5 串口通信 16
4.6 本章小节 19
5 水下光通信系统实验 20
5.1 接受装置 20
5.2 程序调试 20
5.2 实验结果与分析 21
5.3改进方法 23
总 结 24
致谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
课题研究背景
在地球上百分之七十以上的地方被水覆盖，尤其是海洋。作为自然界的宝库，人类对其开发与研究甚少。在陆地 *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: ^351916072# 
资源日益匮乏的今天，对海洋开发程度决定了一个国家未来发展的潜力与前景。距离比较远的地方实现通信，发射端提供信号源，发射装置（光学天线），而接收端需要灵敏的接收装置（检测器）。在如今广泛的通信是有线光纤通信，和无线电磁波通信。有线通信受到地形等不确定因素影响，导致光纤毁坏或者无法布线[1]。而无线电磁波在水中收到水纹和水质影响衰减易衰减，信号易于被水中噪声淹没。
相对于其他两种水下通信方式，光通信具有以下特点：
(1)传输速率高
(2)传输距离较远
(3)带宽高
(4)体积小、功耗低、成本低
(5)保密性好，安全性高
基于水下无线光通信的以上优点，使其在商业与军事领域具有很大的应用前景。所来无线水下光通信的研究可以填补水下通信的空白，研究水下无线光通信是具有实际意义的。然而水下无线光通信也具有一些制约因素，如水的强吸收和散射作用，使其在传输距离上受到一定的干扰；不同的水质也会对光信号造成一定的影响[2]。
课题研究方向
水下光通信一般从三个方向研究：
(1)寻找最优的光源：水对不同波长的光，表现出的吸收不同。水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收，在可见光谱区段，吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光谱区域。纯净水和清的大洋水在光谱的蓝绿区域透射比量大，其中波长为462475 nm的蓝光衰减最少。在光的波长确定的情况下，用何种方法产生，何种类型的光成为研究热点。因为激光具有a)方向性好b)能量集中c）相干性好的特点，激光被认为是水下通信的良好选择。同时基于氮化镓半导体产生的更是水下无线通信已经成为研究热点[34]。
(2)提高光信号的能量利用率：提高利用率就是通过编码的方式使得信号源，发亮状态尽可能短，即能量尽可能的用于发亮。同时为了加强信息的可靠性，需要怎加校验码，而这些不携带信息的码则会浪费能量，因此在研究水下光通信时要兼顾可靠性和利用率。
(3)增加接收端的灵敏度：选择合适的材料作为光电检测装置。在发射端不改变的情况下，接收装置越灵敏，能对水中噪声中的少量有用信号产生明显反应，那么可以大大提高水下光通信的可能性及可靠性。目前常用的材料为雪崩二极管，由于该二极管在电场的作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成的自由电子。
1.3 水下通信研究的难点
光虽然相对于电磁波在水中的效果要好，但是同光在空气中传播比，其效果差很多，因此即使是用衰减最少的光，依然需要考虑两个方面，即光在水中衰减及光在水中散射。
吸收：光在水中传播的强度要比在空气中小，因此接收信号比较困难。
衰减：即使是蓝绿光（波长462475 nm）在水中强度每米衰减约百分之四而其它颜色的光被吸收得更多，几米之外几乎完全消失了。因此在研究过程中发射端光源很难有明显的优化，此方向难以继续[5]。
散射：水中散射是指光在水中传播时，受到介质微粒的作用，偏离原来直线传播的方向。所以光经过散射后最终传到接收端的光束很少，而且散射与光强有关光强度越大，光的散射越大，所以增加发射端的光强度，并不能使接收端的光强增加。在衰减特性与散射特性无法避免的情况下，研究的方向可以从传播途径与接端入手。遵循同等条件下尽可能大的功率发射光，尽可能优化编码，减少发光时间及使灵敏度高的材料制作接收端的原则。
1.4 本论文主要的研究内容
本论文是对水下通信系统的接收端系统进行设计与分析研究。
本论文的具体安排如下：
第1章为绪论部分，介绍了本课题的研究背景，研究的目的与意义；并且详细叙述了当前的研究的主要方向，以及一些技术上的难点。
第2章分析了水下无线光通信中衰减，综合浮游生物，有机物，悬浮颗粒考虑，通信的最优波长在500 nm左右，属于蓝绿光范围，因此本论文采取绿光作为光源。
第3章介绍了水下光通信中的一些在本课题中需要涉及的重要知识点，主要分析了调制技术、异步通信弱光干扰、水下通信的误码率。
第4章介绍了水下无线光通信接收端系统的设计，对水下无线光通信接收端的原理和各个模块的功能进行了详细的说明分析，为本课题的系统设计提供了可靠的理论依据。
第5章对实验装置进行了具体分析，对理论进行了实践性的验证。
第6章总结了本课题的主要研究内容，所获的一些成果以及不足之处，为以后研究进一步明确的方向。

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