科学家20+年做一件事,只为深海的通信方式变得更酷!

传感器技术 2020-04-07




几十年以来,人类一直充满着对太空和深海的向往。人类对太空的观察相对来说比较容易,利用天文望远镜就可以直接观察太空的情景,而在海底则不行,传统的微波通信方式不能适应水下环境,当前的深海无线通信主要以水声传输为主。


但是受声波带宽、多路径效应(考虑信号在传播过程中,受一些物体的反射,而改变了信号的传播方向、振幅、极化以及相位等,这些变化了的信号到达接收机,与通过直线路径到达接收机的信号产生叠加。这种现象称为多路径效应。)、水下声学噪声的限制,这种方式面临传输速率低的局限性,致使深海无线通信在大容量数据传输方面存在速率瓶颈难题


工作波长位于 450nm~550nm 波段的水下无线光通信具有传输带宽高、重量轻、功耗低、体积小、机动性强等诸多优点,在水下近距离数据传输方面具有潜在应用前景。 


图片引自2019年《Nature》期刊的科学报告文章号:14009(2019)






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目前水下比较成熟的通信技术是什么样的?


海洋是人类生命的起源,以其丰富的水体资源、矿产资源和生物资源支撑人类的永续发展。进入21世纪以来,迫于开采技术限制和陆地资源的日益紧缺,世界各国纷纷加速了对深海的探索和利用,国际竞争也日益激烈。随着深海探测技术如海底观测网、载人水下潜器、水下机器人的发展,深海科学研究形成的数据量急剧增加,这对于通信设备的传输能力提出了更高的要求。


水下机器人展示图片

图片来源:慧营机器人营地


由于海水屏蔽了几乎所有的无线电波,传统的微波通信不能适应水下环境。


摘自IEEE,VOL. 19, NO. 1, FIRST QUARTER 2017


谈到微波通信,可能大家有些陌生。不过要是说到雷达、卫星电视转播,就一定不会陌生了。其实,卫星通信、雷达就是借助于微波来进行远距离通信以及发现目标的。


微波技术应用实例


其实我们在生活中可能看到过微波通信的天线,有的就在移动通信基站的旁边。


微波通信天线


由于不能使用微波通信技术增加了深海通信的难度。目前深海中的常用通信手段主要分为两种:海底光纤通信以及水声通信


其中海底光纤通信是将光缆布放到大洋深处,通过有线通信的方式实现数据的传递。


海底光缆


由于要考虑到海底的复杂环境,如腐蚀、高压、自然地震、海啸等因素。海底光缆不得不被制作成像输油管道一样的形状,来保护通信用的光纤。


鲨鱼口中的磨牙棒——海底光缆


光纤通信的通信方式速率较高,可达Gbps量级;但布放缆线成本昂贵、维护困难,并且极大的限制了观测设备的机动性


水声通信是以声波作为载体,以无线通信的方式传递信息。这种通信方式可以实现公里量级的通信距离,机动性强;但受声波频率低、信号延迟大、海底声学背景噪声大等因素影响,这种通信方式速率低,仅10Kbps量级。如此低的传输速率,实在难以完成传输海量探测数据的任务。


水声通信示意图



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应运而生的无线光通信技术


我们日常看到的光谱,只占电磁波谱的一小部分。人类通过对不同频段电磁波的认识和利用,从无线电话到卫星通信创造了很多奇迹。



如果你能看到所有的电磁波,这可能就是你眼中的世界了:


图片来自:知乎徐德文科学频道


因此在电磁波谱中寻找水中透过率高的部分成了科学家们一度研究的目的。1963年,Duntley等人基于20多年理论和实验研究发现波长位于450-550nm的蓝绿光在海水中传输时衰减较小。这种无线通信手段与传统的声波通信相比,具有通信速率高、体积功耗小、重量轻、延迟小等突出优点;通信距离达到百米量级。虽然百米对于浩瀚的海洋来讲可谓是杯水车薪,但却给未来海洋数据传输提供了新的构想。


未来海洋通信构想



3

了解一下水的吸收频谱


水分子伴随旋转跃迁和分子间振动吸收电磁波辐射的频带范围比较宽泛。水分子间的振动可以吸收波长为1mm~10cm的微波和10微米~1mm的远红外线。水分子内振动的吸收在1微米~10微米间的红外线,水分子的电子跃迁可以吸收波长小于200nm的紫外光。


水分子的振动模式


液相水分子中的旋转完全由氢键控制。使用光标为运动设置动画,偶极矩沿氧原子的移动方向变化。由于H原子很轻,所以振动的幅度很大(在动图中被夸大了)。水分子在旋转时的惯性矩很小,产生了丰富的组合振动-旋转谱。在液体中,旋转往往受到氢键的限制,从而产生自由基。此外,谱线更宽也导致许多吸收峰的重叠。


水中光衰减的“透明窗口”

如上图所示,虽然液体水在宽频带范围内对电磁波有吸收,但是在蓝绿光处存在“透明窗口”。这为深海领域无线光通信提供了便利条件。

参考资料:

IEEE期刊文章:A Survey of Underwater Optical Wireless Communications

知乎

水结构与水科学(英文)

Nature期刊:14009(2019)

https://twitter.com/AkiyoshiKitaoka

https://www.reddit.com/r/pics/comments/px2j3/made_a_gif_of_the_munkerwhite_illusion_for_class/

https://twitter.com/NovickProf/status/1139342022551191553

https://www.youtube.com/watch?v=nTOTmED9EzU                                                        面向深海应用的水下双向无线光通信研究


   

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