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面向UUV集群应用的水下无线光通信关键技术

朱云周 胡旭娟 王晓波 杨祎 张建磊 贺锋涛

朱云周, 胡旭娟, 王晓波, 等. 面向UUV集群应用的水下无线光通信关键技术[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0120
引用本文: 朱云周, 胡旭娟, 王晓波, 等. 面向UUV集群应用的水下无线光通信关键技术[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0120
ZHU Yunzhou, HU Xujuan, WANG Xiaobo, YANG Yi, ZHANG Jianlei, HE Feng-tao. Key Technologies of Underwater Wireless Optical Communication for UUV Cluster Applications[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0120
Citation: ZHU Yunzhou, HU Xujuan, WANG Xiaobo, YANG Yi, ZHANG Jianlei, HE Feng-tao. Key Technologies of Underwater Wireless Optical Communication for UUV Cluster Applications[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0120

面向UUV集群应用的水下无线光通信关键技术

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0120
详细信息
    作者简介:

    朱云周(1983-), 男, 博士, 研究员, 主要研究方向为水下通信技术

  • 中图分类号: TJ630.34; U675.7

Key Technologies of Underwater Wireless Optical Communication for UUV Cluster Applications

  • 摘要: 无人水下航行器(UUV)集群协同是未来海洋作战的核心能力, 其实现高度依赖于稳定、高效的水下通信技术。水下无线光通信(UWOC)以其高带宽、低延迟等优势, 成为中近距离水下互联的理想解决方案, 然而UUV高速运动引起的动态对准困难与信道衰落问题严重制约了其实际应用。针对上述问题, 文中面向UUV集群的“动中通”需求, 提出了一种集成化UWOC系统框架, 通过宽角域周视大功率发射与多路分集高灵敏度接收的协同设计, 突破运动条件下链路维持与信号稳定接收的技术瓶颈。基于该框架研制原理样机, 并开展系列实验验证。结果表明: 在15.5 m距离、衰减系数约0.54 m−1的水质中, 系统可实现2 Mbit/s速率的稳定通信(比特误码率小于10−3); 在10 m距离、衰减系数约0.85 m−1水质及5 kn 航速条件下, 丢包率低于2%。研究结果实现了UWOC技术在高机动、多自由度回转体UUV平台上的初步应用, 为UUV集群协同控制与高速信息交互提供了有效的技术支撑。

     

  • 图  1  搭载所研制无线光通信段的UUV实物图

    Figure  1.  Physical image of the developed UUV equipped with the wireless optical communication module

    图  2  矩形均匀光斑自由曲面透镜实体模型

    Figure  2.  Entity model of the freeform lens for rectangular uniform spot

    图  3  接收面辐照度分布(左)与轮廓(右)

    Figure  3.  Irradiance distribution (left) and profile (right) on the receiving plane

    图  4  全向发射天线结构示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of the omnidirectional transmitting antenna

    图  5  大功率LED发射系统组成框图

    Figure  5.  Block diagram of the high-power LED transmission system

    图  6  大功率LED发射机实物图

    Figure  6.  Physical image of the high-power LED transmitter

    图  7  高灵敏度探测系统框图

    Figure  7.  Block diagram of the high-sensitivity detection system

    图  8  高灵敏度接收机实物图

    Figure  8.  Physical image of the high-sensitivity receiver

    图  9  握手通信协议流程图

    Figure  9.  Flow chart of the handshake communication protocol

    图  10  陆上通信实验场景

    Figure  10.  Photo of the terrestrial test scenario

    图  11  水池通信实验场景

    Figure  11.  Photo of the pool test scenario

    图  12  搭载于UUV的移动端通信样机

    Figure  12.  Mobile terminal communication prototype mounted on UUV

    图  13  固定端通信样机

    Figure  13.  Fixed terminal communication prototype

    图  14  搭载UUV的发射样机布放

    Figure  14.  Deployment of the transmitting prototype mounted on UUV

    图  15  UWOC系统测试方案

    Figure  15.  Schematic of the UWOC test system

    表  1  动静信道下传输特性仿真比较

    Table  1.   Comparison of transmission characteristics under static and dynamic channels

    序号发射功率
    /dB·mW
    静态接收功率
    /dB·mW
    动态接收功率
    /dB·mW
    1−40.0−45.1−45.4
    2−37.0−42.2−42.4
    3−35.0−40.1−40.2
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    表  2  不同合并算法优缺点比较

    Table  2.   Comparison of different combining algorithms

    序号算法性能复杂度
    1SC无合并增益
    2EGC合并性能稍差中等
    3MRC合并性能最佳
    下载: 导出CSV

    表  3  陆上通信实验结果

    Table  3.   Terrestrial communication test results

    序号通信距离/m比特误码率
    1300
    2400
    3500
    4600
    5700
    6801×10−8
    下载: 导出CSV

    表  4  动态通信测试结果

    Table  4.   Dynamic communication test results

    序号运动速度/kn通信丢包率/%
    130.5
    23.51
    352
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-04
  • 修回日期:  2025-09-11
  • 录用日期:  2025-09-12
  • 网络出版日期:  2025-09-16

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