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內(nèi)容簡介

　　本書介紹了水下無線光通信的應(yīng)用背景及系統(tǒng)構(gòu)成，描述了通信系統(tǒng)收發(fā)端光電器件和動態(tài)信道特征，詳細闡述了水下無線光通信的信道仿真、多域調(diào)制、強弱信號檢測、收發(fā)端動態(tài)跟瞄等關(guān)鍵技術(shù)，并深入討論了采用不同類型光源時的通信系統(tǒng)設(shè)計方法與性能，同時介紹了新興的基于光量子的水下安全無線光通信技術(shù)，支撐未來海洋信息系統(tǒng)及其廣闊應(yīng)用。本書是一本簡明易懂的教科書籍，其內(nèi)容豐富、圖文并茂、實用性強，適合高等院校和研究機構(gòu)相關(guān)專業(yè)的師生參考，也可供從事海洋信息、海洋裝備與工程、海洋能源、電子工程技術(shù)人員和科研人員閱讀。

作者簡介

　　徐正元中國科學技術(shù)大學教授、博士生導師，中國科學技術(shù)大學無線光通信與網(wǎng)絡(luò)研究中心主任，中國科學院無線光電通信重點實驗室主任，國家特聘專家，國家973計劃首席科學家，科學中國人2011年度人物。于1989年和1991年分別獲得清華大學學士和碩士學位，于1999年獲得斯蒂文斯理工學院博士學位。擔任國家自然科學基金重點項目群“無線通信大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究”項目協(xié)調(diào)人和項目負責人，國家科研項目和人才計劃會評專家，SCI期刊Photonics Research、 IEEE Transactions on Signal Processing、 IEEE Transactions on Vehicular Technology、IEEE Communications Letters副編輯，中國光學工程學會常務(wù)理事，多次擔任國際學術(shù)會議技術(shù)委員會主席。主要從事無線與拍赫茲領(lǐng)域的理論和實驗研究，包括寬光譜無線光通信、寬帶移動通信、定位導航、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)、智能感知、無線大數(shù)據(jù)、人工智能等。在國際期刊和會議上發(fā)表論文380余篇，出版英文專著1本、中文專著1本，自2014年起連續(xù)入選愛思唯爾（Elsevier）中國高被引學者榜單。徐敬浙江大學教授、博士生導師，浙江大學先進技術(shù)研究院院長助理，浙江省“萬人計劃”青年拔尖人才，唐仲英基金會仲英青年學者。2007年獲得暨南大學學士學位，2011年獲得香港中文大學博士學位。2011—2012年在基爾大學電子與信息工程研究所擔任博士后研究員。主要從事水下無線光通信與深海觀測技術(shù)研究，在光通信領(lǐng)域權(quán) 威SCI期刊和國際會議發(fā)表論文90余篇，并在知名國際會議上做特邀報告15次。主持國家自然科學基金項目3項、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項子課題1項，作為項目骨干參與國家重點研發(fā)計劃項目2項。目前擔任SCI期刊Chinese Optics Letters的專題編輯（Topical Editor），同時擔任IEEE Photonics Technology Letters、Optics Letters等多個SCI期刊的審稿人。以第一發(fā)明人身份獲得授權(quán)美國發(fā)明專利1項、中國發(fā)明專利7項。曾獲得浙江大學校級先進工作者榮譽稱號，并在知名國際會議IEEE ICOCN 2017上獲得“青年科學家獎（Young Scientist Award）”。劉偉杰2015年獲得合肥工業(yè)大學電子信息科學與技術(shù)學士學位，畢業(yè)后于中國科學技術(shù)大學信息科學技術(shù)學院攻讀信息與通信工程碩士學位，并于2018年開始攻讀信息與通信工程博士學位。在校期間連續(xù)獲得研究生優(yōu) 秀學業(yè)一等獎學金，曾獲得2016年光華獎學金，合肥工業(yè)大學校級優(yōu) 秀畢業(yè)生，2014年安徽省大學生電子設(shè)計競賽三等獎，2014年全國大學生電子設(shè)計競賽TI杯模擬電子系統(tǒng)設(shè)計專題邀請賽三等獎。共發(fā)表論文10余篇，其中以第一作者身份發(fā)表SCI期刊論文2篇，EI會議論文3篇。主要研究方向為無線光通信、可見光收發(fā)機設(shè)計、數(shù)字信號處理、攝像頭通信等。杜子豪2019年獲得浙江大學海洋工程與技術(shù)學士學位，畢業(yè)后于浙江大學海洋學院攻讀海洋信息科學與工程博士學位。在校期間，獲得2018年浙江大學本科生優(yōu) 秀學業(yè)一等獎學金，2018年浙江大學本科生省政府獎學金和2019年博士研究生新生獎學金。曾獲得第十一屆國際水中機器人大賽自主視覺組冠軍和浙江大學第二屆大學生水下機器人設(shè)計競賽三等獎。主要研究方向為水下無線光通信中的信號處理技術(shù)。

圖書目錄

第 1章　概述 001
1．1　水下無線光通信背景介紹　002
1．2　研究與應(yīng)用現(xiàn)狀　004
1．3　水下無線光通信鏈路及系統(tǒng)組成　010
1．4　水下無線光通信的主要技術(shù)挑戰(zhàn)　011
1．5　本章小結(jié)　012
參考文獻　012
第　2章光電收發(fā)器件及特性　017
2．1　LED與激光光源　018
2．1．1　LED光源　018
2．1．2　激光光源　021
2．2　光電探測器件及陣列結(jié)構(gòu)　022
2．2．1　光電二極管　022
2．2．2　光電倍增管　025
2．2．3　SPAD　027
2．2．4　圖像傳感器　029
2．2．5　混合光傳感器　032
2．3　濾光片與光學系統(tǒng)　033
2．4　本章小結(jié)　035
參考文獻　036
第3章　水下寬光譜傳輸信道特性　039
3．1　水下傳輸鏈路的輸入/輸出功率關(guān)系　040
3．2　水體的寬光譜散射吸收效應(yīng)　041
3．2．1　海水的吸收效應(yīng)　043
3．2．2　海水的散射效應(yīng)　045
3．3　跨水面與分層水體信道特性　048
3．3．1　跨水面信道特性　049
3．3．2　分層水體信道特性　051
3．4　近水面太陽背景的縱深衰減特性　053
3．5　光子追蹤和蒙特卡洛仿真方法　055
3．5．1　蒙特卡洛仿真方法簡介　056
3．5．2　仿真流程　056
3．5．3　初始條件設(shè)置　057
3．5．4　光子運動與光子接收　059
3．6　水下湍流信道隨機特性　061
3．6．1　常用湍流分布模型　062
3．6．2　湍流下的閃爍因子　065
3．6．3　湍流下的光強分布　066
3．7　水下氣泡信道隨機特性　069
3．7．1　微米級氣泡　070
3．7．2　動態(tài)氣泡　071
3．8　本章小結(jié)　073
參考文獻　074
第4章　水下無線光通信調(diào)制技術(shù)　077
4．1　波長域調(diào)制　078
4．2　角動量域調(diào)制　079
4．3　頻率域調(diào)制　081
4．4　相位域調(diào)制　083
4．5　傳統(tǒng)強度及脈沖調(diào)制　084
4．6　本章小結(jié)　085
參考文獻　085
第5章　水下無線光通信信號檢測技術(shù)　087
5．1　光信號的檢測方法簡介　088
5．1．1　直接檢測　088
5．1．2　外差檢測　089
5．2　基于PMT的弱信號檢測　090
5．2．1　隱馬爾可夫模型　090
5．2．2　基于HMM的信號檢測　093
5．2．3　基于HMM的檢測算法性能對比　094
5．3　基于SPAD的弱信號檢測　095
5．3．1　數(shù)字SPAD泊松信道下的信號檢測　095
5．3．2　泊松高斯混合信道下的信號檢測　097
5．3．3　考慮SPAD死時間下的信號檢測　098
5．3．4　采用SPAD陣列的信號檢測　099
5．4　基于CMOS傳感器的光信號檢測　101
5．5　本章小結(jié)　103
參考文獻　103
第6章　收發(fā)端動態(tài)跟瞄技術(shù)　107
6．1　動態(tài)跟瞄系統(tǒng)簡介　108
6．1．1　動態(tài)跟瞄系統(tǒng)框架　108
6．1．2　國內(nèi)外動態(tài)跟瞄技術(shù)研究現(xiàn)狀　109
6．2　陣列接收跟瞄技術(shù)　111
6．3　光斑搜索與光源定位算法　113
6．3．1　基于相機的光源定位原理　113
6．3．2　光斑中心估計方法　115
6．4　跟瞄實驗系統(tǒng)與性能驗證　119
6．4．1　動態(tài)跟瞄系統(tǒng)基本原理　119
6．4．2　跟瞄實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)　119
6．4．3　光源跟瞄的技術(shù)方法　120
6．4．4　跟瞄實驗系統(tǒng)的性能驗證　124
6．5　本章小結(jié)　128
參考文獻　129
第7章　水下無線光通信系統(tǒng)與性能分析　133
7．1　基于LED的水下無線光通信性能分析　134
7．1．1　LED頻率特性　134
7．1．2　基于LED的均衡技術(shù)　136
7．1．3　帶限信道信號設(shè)計　139
7．1．4　接收端信噪比與信號調(diào)制帶寬的依賴關(guān)系　140
7．1．5　考慮水體衰減下的信噪比　143
7．2　基于LED的水下無線光通信系統(tǒng)設(shè)計與實驗驗證　145
7．2．1　基于LED的水下無線光通信系統(tǒng)實驗設(shè)置　145
7．2．2　系統(tǒng)傳輸參數(shù)優(yōu)化　146
7．2．3　實驗性能分析　148
7．3　基于激光的水下無線光通信性能分析　149
7．3．1　激光光強分布特性　150
7．3．2　激光非線性補償　151
7．3．3　基于激光的水下傳輸性能仿真　152
7．3．4　基于激光的水下傳輸特性理論仿真　154
7．4　基于激光的水下無線光通信系統(tǒng)設(shè)計與實驗驗證　158
7．4．1　實驗方案與裝置　158
7．4．2　實驗性能分析　159
7．5　跨水面激光通信實驗系統(tǒng)設(shè)計與性能驗證　161
7．5．1　實驗方案與裝置　161
7．5．2　實驗結(jié)果與分析　162
7．6　本章小結(jié)　164
參考文獻　164
第8章　水下安全無線光通信　167
8．1　安全通信發(fā)展簡介　168
8．2　水下量子信道　169
8．3　量子密鑰分發(fā)　172
8．4　量子加密下的水下無線光通信　176
8．5　信息安全傳輸技術(shù)　177
8．5．1　光斑擴散導致的信息泄露　177
8．5．2　非視距散射信道導致的信息泄露　178
8．5．3　光通信安全傳輸技術(shù)概述　179
8．6　本章小結(jié)　182
參考文獻　182
中英文對照表　187
名詞索引　189