科學家20+年做一件事,只為深海的通信方式變得更酷!
2020-12-04 電子工程專輯你很好引
把你引進去
幾十年以來，人類一直充滿著對太空和深海的嚮往。人類對太空的觀察相對來說比較容易，利用天文望遠鏡就可以直接觀察太空的情景，而在海底則不行，傳統的微波通信方式不能適應水下環境，當前的深海無線通信主要以水聲傳輸為主。
但是受聲波帶寬、多路徑效應(考慮信號在傳播過程中，受一些物體的反射，而改變了信號的傳播方向、振幅、極化以及相位等，這些變化了的信號到達接收機，與通過直線路逕到達接收機的信號產生疊加。這種現象稱為多路徑效應。)、水下聲學噪聲的限制，這種方式面臨傳輸速率低的局限性，致使深海無線通信在大容量數據傳輸方面存在速率瓶頸難題。
工作波長位於 450nm~550nm 波段的水下無線光通信具有傳輸帶寬高、重量輕、功耗低、體積小、機動性強等諸多優點，在水下近距離數據傳輸方面具有潛在應用前景。
圖片引自2019年《Nature》期刊的科學報告文章號：14009(2019)
目前水下比較成熟的通信技術是什麼樣的？
海洋是人類生命的起源，以其豐富的水體資源、礦產資源和生物資源支撐人類的永續發展。進入21世紀以來，迫於開採技術限制和陸地資源的日益緊缺，世界各國紛紛加速了對深海的探索和利用，國際競爭也日益激烈。隨著深海探測技術如海底觀測網、載人水下潛器、水下機器人的發展，深海科學研究形成的數據量急劇增加，這對於通信設備的傳輸能力提出了更高的要求。
水下機器人展示圖片
圖片來源：慧營機器人營地
由於海水屏蔽了幾乎所有的無線電波，傳統的微波通信不能適應水下環境。
摘自IEEE，VOL. 19, NO. 1, FIRST QUARTER 2017
談到微波通信，可能大家有些陌生。不過要是說到雷達、衛星電視轉播，就一定不會陌生了。其實，衛星通信、雷達就是藉助於微波來進行遠距離通信以及發現目標的。
微波技術應用實例
其實我們在生活中可能看到過微波通信的天線，有的就在移動通信基站的旁邊。
微波通信天線
由於不能使用微波通信技術增加了深海通信的難度。目前深海中的常用通信手段主要分為兩種：海底光纖通信以及水聲通信。
其中海底光纖通信是將光纜布放到大洋深處，通過有線通信的方式實現數據的傳遞。
海底光纜
由於要考慮到海底的複雜環境，如腐蝕、高壓、自然地震、海嘯等因素。海底光纜不得不被製作成像輸油管道一樣的形狀，來保護通信用的光纖。
鯊魚口中的磨牙棒——海底光纜
光纖通信的通信方式速率較高，可達Gbps量級；但布放纜線成本昂貴、維護困難，並且極大的限制了觀測設備的機動性。
水聲通信是以聲波作為載體，以無線通信的方式傳遞信息。這種通信方式可以實現公裡量級的通信距離，機動性強；但受聲波頻率低、信號延遲大、海底聲學背景噪聲大等因素影響，這種通信方式速率低，僅10Kbps量級。如此低的傳輸速率，實在難以完成傳輸海量探測數據的任務。
水聲通信示意圖
應運而生的無線光通信技術
我們日常看到的光譜，只佔電磁波譜的一小部分。人類通過對不同頻段電磁波的認識和利用，從無線電話到衛星通信創造了很多奇蹟。
如果你能看到所有的電磁波，這可能就是你眼中的世界了：
圖片來自：知乎徐德文科學頻道
因此在電磁波譜中尋找水中透過率高的部分成了科學家們一度研究的目的。1963年，Duntley等人基於20多年理論和實驗研究發現波長位於450-550nm的藍綠光在海水中傳輸時衰減較小。這種無線通信手段與傳統的聲波通信相比，具有通信速率高、體積功耗小、重量輕、延遲小等突出優點；通信距離達到百米量級。雖然百米對於浩瀚的海洋來講可謂是杯水車薪，但卻給未來海洋數據傳輸提供了新的構想。
未來海洋通信構想
了解一下水的吸收頻譜
水分子伴隨旋轉躍遷和分子間振動吸收電磁波輻射的頻帶範圍比較寬泛。水分子間的振動可以吸收波長為1mm~10cm的微波和10微米~1mm的遠紅外線。水分子內振動的吸收在1微米~10微米間的紅外線，水分子的電子躍遷可以吸收波長小於200nm的紫外光。
液相水分子中的旋轉完全由氫鍵控制。使用光標為運動設置動畫，偶極矩沿氧原子的移動方向變化。由於H原子很輕，所以振動的幅度很大（在動圖中被誇大了）。水分子在旋轉時的慣性矩很小，產生了豐富的組合振動-旋轉譜。在液體中，旋轉往往受到氫鍵的限制，從而產生自由基。此外，譜線更寬也導致許多吸收峰的重疊。
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