第 1 章 绪 论
海洋是生命的摇篮，约占地球表面积的三分之二，不但包含了大量的资源,而且对全球的气候及环境有重大影响。近年来，随着对海洋研究的深入，目前的水下无线通信技术已经逐渐满足不了人们的需求。目前的水下无线通信方式可分为三类：水下长波无线电通信、水下无线声通信和水下无线光通信[1]。传统的无线电通信技术，因海水的导电特性而使电磁波在海水中衰减很大，因此陆地上广泛使用的电磁波通信技术在海水里基本无法使用。在目前的水下无线通信技术中水声技术最为成熟。水声技术具有可靠性高、通信距离远等优点[2]，在很低的频率（200Hz）下，声波可在海洋中传播几百公里。863 计划重大专项“蛟龙号”的通信技术就是利用水声通信来实现。在军事方面，特别是在海上战争过程中，水下潜艇、水面舰艇、监测传感器之间的声音、图像、综合数据等信息的无线交换速率更为重要，而传统的水声通信技术虽然具有传输距离远、性能可靠等优点，但是水声通信技术存在着传输速率低、带宽窄、延时较长、功耗和体积大等缺陷，即使在近距离范围内，也难以达到 Mbps 的传输速率。因此，发展高效的近距离水下信息传输技术已成为海洋监测亟待解决的问题。与水声技术相比，水下光通信技术的优点可以克服水下声通信的不足。首先，光信息承载能力强，光波频率高[3-6]。能进行大容量的水下数据传输；其次，受海水盐度和湿度的影响小，抗干扰能力强，水下电子对抗特性强；第三，光波保密性好，安全度高。由于光波的方向性好，在信号被拦截时会及时反馈给用户，能及时发现问题，高效安全。第四，光波的波长相对短，使用的收发天线尺寸小。
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第 2 章 激光在海水中的传输特性
2.1 水下无线光通信系统的基本工作原理
其基本工作原理是：调制系统首先将需要传输的信息调制，并加载到调制解调器，电源驱动变化的信号，激励激光器。激光器出射带有信息变化的光波，即电信号转化成光信号。扩束镜将传输的光信号准直扩束，经过海水通信信道的传播，到达光接收端。接收端接收到光信号，由透镜聚焦，光电倍增管接收聚焦光线，将接收信号传递到光电检测器上，进行光电转换。控制系统对接收的信号信息处理，调制解调，分析接收信号。
2.2 海水的光学参数
海水介质对光波的作用主要有两个：海水中各成分对光的吸收和散射。海水中含有悬浮体、溶解物质和各种有机生物体，是一个复杂的物理、化学、生物系统。海水中的物质即纯海水、黄色物质、浮游植物、非色素悬浮粒子等，它们决定了海水的性质[34]。除此之外还有气泡、湍流等一些非均匀性因素。影响水下光脉冲传输效果的主要是海水的不均匀性因素。其中各个成分对光束的影响特征见表 2-1 中所示。海水具有固有光学性质和表观光学性质两种光学属性[35]。固有光学特性由海水本身的物理特性决定。固有光学参数有：衰减系数 C(m-1)、吸收系数 A(m-1)、散射系数 B(m-1)、体散射函数 β(θ)(m-1sr-1)。表观光学特性与海洋环境有关，取决于海洋中辐射场的分布。辐射通量、辐照度、辐亮度等是描述海水的固有、表观光学性质时会用到一些光学参数：
第3 章菲涅尔透镜聚光系统的设计与理论研究...............................27
3.1 引言 .................... 27
3.2 菲涅尔透镜介绍 .................... 27
第 4 章 菲涅尔聚光系统建模及聚光仿真......................................... 42
4.1 引言 ............................ 42
4.2 菲涅尔透镜建模三维建模 .............................. 42
4.3 Lighttools 软件聚光仿真 ...................................... 43
第 5 章 菲涅尔聚光系统的实验研究............................................ 58
5.1 引言 .................................................... 58
5.2 太阳光聚光实验 .......................................... 58
第 5 章 菲涅尔聚光系统的实验研究
5.1 引言
前章的仿真结果表明用菲涅尔透镜聚光系统作为水下无线光通信接收端的光学聚焦设备的设计方案是可行的，为了对菲涅尔透镜聚光系统的性能和它对水下传输的散射光的聚焦能力，搭建实验平台，进行实验验证。
5.2 太阳光聚光实验
菲涅尔透镜的设计是基于对平行光的聚焦。菲涅尔透镜对太阳光的聚焦实验主要是为了验证菲涅尔透镜的最佳聚光能力。透镜参数为：平板朝内型菲涅尔透镜，透镜材料采用 PMMA。折射率为 1.494，设计参数为：透镜口径 300×300mm2，焦距为 210mm，环距为 0.5mm，透镜厚度取 2mm。透镜实物图如图 5-1 所示。将菲涅尔透镜正对太阳的直射方向固定，用功率计测量其聚焦光斑处的光功率，图 5-2 为菲涅尔透镜的聚焦实验装置图。菲涅尔透镜光面与太阳光方向垂直，功率计探头位于焦点处位置，测得聚焦后的光斑光功率为 22.12W。未了解太阳光入射的能量大小，撤掉菲涅尔透镜，直接测试太阳光的光功率。实 验 测 得 太 阳 光 均 匀 功 率 为 （ 辐 通 量 ） Ф=0.21W ， 太 阳 光 均 匀 辐 照 为E=Ф/S=406.15W/m2，菲涅尔透镜前方光功率为 Ф（辐通量）=36.55W。（S 为功率计光探测头光敏面面积）。
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结 论
本文研究了应用于水下无线光通信系统的菲涅尔透镜光学接收系统。在理论分析设计菲涅尔透镜的基础上，软件模拟了菲涅尔透镜聚光系统在对水下传输光的聚焦情况，并通过实验验证了理论分析结果。本文主要工作及结论总结如下：根据海水的吸收和散射特性，在 Lighttools 软件中模拟了激光在海水中传输及散射特性。通过设置三维实体的材料属性来定义海水的相关性质，再设置一定的仿真条件（如光源类型、波长、相对折射率、接收器、粒子大小及密度等）来仿真蓝绿激光在海水中的散射规律。模拟结果表明所模拟的散射体环境符合一般条件下的海水散射体模型。在菲涅尔透镜基本设计方法的基础上，根据水下光通信接收端及玻璃实验箱的技术要求，通过几何光学方法设计了大尺寸短焦距菲涅尔透镜，其中主要设计参数：透镜尺寸 300×300mm2、焦距 210mm、环距 0.5mm、厚度 2mm，并计算得到透镜楞元的楞高和顶角数据。用 Lighttools 软件模拟了激光通过海水散射体后菲涅尔透镜的聚焦情况，计算得出聚光效率为 31.13%，光斑均匀度为 4.5%。另外模拟了聚焦激光经过二次聚光器的光强分布，二次聚光后光斑辐照度均值增加了 12倍，并进一步增加了聚光能力。
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参考文献（略）