水下无线光通信中关键技术的研究与进展

由于水下无线光通信（Underwater Wireless Optical Communication,UWOC）具有高速率、低延迟和高保密性等优势,成为了水下无线通信的潜在应用。针对UWOC系统的模型及研究现状进行了简要的总结,重点阐述了UWOC系统所用到的关键技术,包括光源的选择、调制编码、探测、信道建模等关键技术,并介绍了一种UWOC系统的设计方案。最后针对实现水下长距离通信和高速率传输等问题,总结了UWOC未来的发展趋势及所面临的挑战,为UWOC将来的发展方向及实用化提供了参考。     

一种近程水下声光一体化高速通信系统

水下光通信具有高数据速率、低链路延迟等优势，但水体浑浊、对准困难等原因限制了其应用， 声通信则因具有互补性可被用于组成声、光混合通信系统。但考虑到声、光信号不同传播特性，常规上此类声、光混合通信系统均采用声、光用独立调制、解调的方式实现，造成较高的硬件系统开销。因此，提出了近程水下声光一体化高速通信方案，该方案采用 PPM 调制方式，基于同一套调制、解调模块以一体化的方式支持声、光 2 种通信链路，通过声、光 2 种通信模式的一体化实现，以更低的系统硬件实现复杂度提供具有更好的指向特性、水质、环境噪声适应性的近距高速链路。经水池实验验证：该系统在近程通信时，声、光通信链路均可实现 1 Mbps 数据速率的无误码通信。     

基于信号处理的水下无线光通信综述

水下无线光通信(UOWC)具有高带宽、低时延和抗电磁干扰等优势,成为水下数据传输的重要手段之一。简述了 UOWC 的发展史,总结了基于高性能光电器件和数字信号处理(DSP)2 种方案的高速率长距离和高可靠性 UOWC 系统的研究现状。DSP 中的调制技术能够实现通信速率和传输距离的折衷;信道均衡技术能够消除码间干扰,增大调制带宽;信道编码技术能够纠正接收信号中的错误;分集复用技术则能够分别提高系统可靠性和通信速率。除了研究高性能的光电器件以外,引入 DSP 技术能够从软件层面进一步提高系统性能。     

基于扩展单调速率算法的水下平台通信系统

针对水下平台工作环境复杂、通信实时性和可靠性要求高的特点,设计了一套分布式冗余通信系统。该通信系统以西门子PLC S7-400H和工控机为主控制器,基于波分复用技术建立了冗余的光纤传输通路;同时提出了一种新型的扩展单调速率算法,对水下平台的任务进行了优先级分配,并基于此算法进行了通信系统软件设计。经过可靠性分析和半实物仿真试验验证,该通信系统的实时性、可靠性及冗余机制符合设计要求,可以成功应用于水下平台,效果良好。     

基于5G通信技术的网箱养殖在线监测系统设计

针对目前网箱养殖监测技术在数据传输的实时性、连续性以及高带宽影像传输的稳定性等方面存在的不足,本文提出了一种新型的基于5G通信技术的网箱养殖在线监测系统设计方案。本方案采用光伏阵列、蓄电池组和太阳能控制器组合的方式为整个系统提供电源支持,岸基控制系统通过水密电缆与水下监测设备建立连接,并将监测数据和高清视频经5G数据传输系统上传至数据监测中心,同时手机终端App同步在线展示。该系统在海南省陵水黎族自治县清水湾附近网箱养殖海域成功布放和试运行,实现了对海水温度、盐度、深度、溶解氧等常规水文生态要素和水下高清视频的连续、实时、在线监测,这对于网箱养殖的可测、可视、可控具有重要的科学意义和应用价值。     

分层纵向水下无线光信道建模研究

水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)是水下物联网感知层的新兴技术之一。在感知层中,UWOC 技术常被用于支持数据的纵向上行传输。针对几何光学理论无法准确描述 UWOC 链路衰减的问题,研究了基于 MIE 散射理论的纵向 UWOC 信道模型;提出了分层的纵向海水介质模型,在此基础上设计了一种利用蒙特卡洛仿真方法对 UWOC 纵向链路进行评估的方案。该方案考虑了收发装置空间位置的非对齐以及出现位置失配的情况,通过该方案可求得 UWOC 链路冲激响应的数值结果,研究成果对于 UWOC 设计具有重要意义。     

基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统关键技术研究

深入分析了我国海洋环境监测技术的不足与现实需求,提出一种基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统,探讨了系统的组成、架构及其涉及的关键技术。设计了可自主沉浮的水下传感器节点,探讨了水下传感器节点间、系统与控制中心间的通信方式,对网络拓扑结构进行了三维仿真,最后对水下三维传感器网络的应用前景进行了展望。     

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。     

自返式微型海底沉积物地热探针设计

地热探针是进行海底热流调查的专用设备,文中介绍了一种新型自返式微型地热探针的设计。该探针外形设计采用流体力学仿真计算与试验相结合的方式,集成了低功耗数据采集、水下红外通信、电化学腐蚀释放、卫星定位等技术,可实现投弃式布放、热导率原位测量及自返式回收等功能。新型探针的研制,将为海洋热流调查提供一种更加便捷的调查手段。     

深水水下管汇安装方法研究与进展

水下生产系统由于其在开发深水油气田和边际油气田时具有明显的综合经济优势,已被世界上很多国家作为油田开发的一种重要方式广泛研究和应用。基于大量水下生产系统开发方案和工程实例的调研,针对其中水下管汇安装的工程实例,在安装方法的确定、设计和应用方面进行了深入研究,总结了适应不同要求下的多种安装方法,列举和比较各自的优点和限制条件。为油气田开发尤其是深水油气田采用水下生产系统的开发方式时,选择合适的安装方法给出了参考和建议。