- 孙林;毛萌;张璐;王伟业;刘宁;沈纲祥;
【目的】现阶段超过99%的国际数据正在海底光缆中传输，海缆系统主要存在供能受限与物理空间受限的难题，多芯光纤（MCF）被认为是下一代海缆系统的潜在解决方案。耦合多芯光纤（CC-MCF）因其具备更高的空间复用密度，适用于物理空间受限的海缆系统以作为扩容的关键传输媒介。针对制约CC-MCF传输性能提升的关键损伤之一——模式依赖损耗（MDL），文章聚焦于CC-MCF跨洋传输中的MDL机理与抑制技术，旨在探究异质MCF的空间模式色散（SMD）对MDL估计与抑制的性能影响。【方法】具体地，通过建立基于耦合薛定谔方程的4芯CC-MCF跨洋传输模型，并基于仿真模型进行自洽验证，探究了不同链路SMD条件下，基于多输入多输出（MIMO）抽头的MDL估计的准确度演变规律。同时，探究SMD影响下基于Hadamard变换的空时编码（STC）技术方案的MDL抑制性能。【结果】结果表明，低于10 ps/km的SMD系数有助于实现准确的MDL估计，同时实验验证了采用基于Hadamard变换的STC技术在4芯CC-MCF传输系统中，当存在10 dB MDL时可以带来超过5.5 dB的Q值增益。【结论】文章研究结果基于理论仿真与实验验证，综合分析了CC-MCF链路的损伤估计与抑制，有望为下一代高空间复用密度的CC-MCF海缆通信技术提供重要参考。
2025年04期 No.250 5-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 1737K] - 闫红强;江明;
【目的】随着通信网络技术向第六代移动通信技术（6G）快速演进发展，未来构建空天地海一体化的万物互联网成为可能。其中，跨水面可见光通信（VLC）技术已成为支撑上述新型网络的关键使能技术之一。【方法】文章针对现有跨介质水对空（W2A）VLC系统研究的不足，基于所构建的扩展W2A(eW2A)VLC信道模型，针对无人机（UAV）与自主水下载具（AUV）之间通信的W2A-VLC应用场景，提出了一种基于深度学习（DL）的链路对准（LA）方案，可实现收发机通信链路之间的对准。在完成光链路对准的基础上，文章进一步针对未知风速的信道环境设计了一种基于风速估计和信道分类的信号检测方案，可以有效提高W2A-VLC系统在不同水体及风速条件下的信号检测性能。【结果】计算结果显示，基于Lognormal和Gamma分布的拟合eW2A信道模型与蒙特卡洛信道仿真的数据匹配度较高，可以较好地模拟跨水面VLC信道的建模。仿真结果表明，在高信噪比区间及不同风速条件下，UAV位于2～30°之间4个角度层的角度估计准确率均可达到100%，具有较好的收敛性，可有效支持DL-LA方案实现UAV移动路径决策。此外，在1～10 m/s的风速区间内，文章所提基于风速估计（WE）和信道分类（CC）的符号检测（SD）方案，即WE-CC-SD方案，可在未经训练的未知风速条件下获得较高的WE准确率及接近理想信道状态条件下的比特误码率（BER）性能。【结论】上述结果证明了文章所提DL-LA和WE-CC-SD两种解决方案相比传统方案的优越性，该研究成果可为跨水面VLC技术的完善与发展提供有益参考。
2025年04期 No.250 11-18页 [查看摘要][在线阅读][下载 1801K] - 韩彪;刘彬;张宇;马琳;刘禹彤;康永强;
【目的】光在水中传输时的后向散射是影响双向水下无线光通信（UWOC）传输稳定性的主要因素之一，在全双工UWOC系统中，可以利用接收机内部的滤光片抑制这种噪声。然而，滤光片的透射波长随着光束入射角度会发生“蓝移”现象，因此后向散射噪声的角度分布特征会对这种通信体制的噪声抑制能力产生影响。【方法】针对这一问题，文章利用蒙特卡洛方法构建了仿真模型，定性研究了后向散射噪声的角度分布特征，并结合光学滤光片的角度特性分析了其对通信系统性能的影响。【结果】结果表明，对于大角度发射和接收的全双工UWOC系统，后向散射噪声的角度分布比较分散，这对UWOC系统中发射波长小于接收波长的通信设备影响较大。工程应用中，在不影响UWOC系统链路建立效率、设备结构复杂度和有效通信距离等指标的前提下，可以通过适当减小通信发射角、接收孔径和视场，增大通信设备中发射机和接收机的间距以及双向光信号的波长间隔等方法抑制这种影响。利用这种设计思路，文章采用450和520 nm的蓝绿光搭建了发射角和接收视场约为50°的全双工UWOC系统，在2.2～13.2 m的距离内，两个链路分别实现了89.6和84.8 Mbit/s的文件传输速率。【结论】文章研究结果对于设计大角度发射和接收的全双工UWOC系统具有参考意义。
2025年04期 No.250 19-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 1666K] - 牛学超;陆建佳;陈紫薇;谢书鸿;顾春飞;孙杰;陈珍珍;冒兵;
【目的】脐带缆是海洋科学考察的核心装备之一，通常采用高强度钢丝作为承力单元，然而钢丝密度较高，随着应用水深增加，脐带缆自重占据安全工作载荷的比例增大，超深水应用安全载荷裕度减少。因此需要进行脐带缆轻量化设计。【方法】轻量化脐带缆采用低密度、高硬度的芳纶纤维复合材料（FRP）在其最内层全部取代钢丝，在中间层间隔取代钢丝，最外层保持全钢丝结构来提升整体耐磨性能且有利于海水浸入承力层间隙散热。为了减缓层间磨损，在FRP表面挤塑耐磨层，增加长期使用的耐疲劳性能。【结果】首先，与钢丝脐带缆相比，轻量化脐带缆在空气中单位重量减少30.50%，海水中单位重量减少37.29%，静态使用水深提升27.6%，拓展了脐带缆的应用场景。其次，采用有限元方法对轻量化脐带缆和钢丝脐带缆的刚度、拉伸和散热性能等进行分析对比，发现轻量化脐带缆的拉伸刚度降低了16.7%，弯曲刚度降低了20.0%；两种缆均能达到理论断裂拉伸载荷，两种材料应力均小于断裂强度，此时缆的延伸率均为1.45%；在同等电流的海水环境中，轻量化脐带缆缆芯温度高0.7℃，相较于钢丝脐带缆增加了2.9%。最后，完成样缆制造，基于常见失效模式进行断裂拉伸测试、交变载荷疲劳测试和张力弯曲疲劳测试，测试结果证实，经历2 000次疲劳后，轻量化脐带缆仍具有较高的强度，并且层间磨损较为轻微。【结论】在外径不变的前提下，轻量化脐带缆可以较大幅度地提升应用水深，两种不同特性的承力材料可以同时发挥最大的拉伸性能，经过测试证实轻量化脐带缆具有较高的可靠性。
2025年04期 No.250 26-31页 [查看摘要][在线阅读][下载 1654K] - 万欣;王浩川;叶洋;曾志宏;刘敏;冷敏;陈晨;
【目的】基于光波的逆反射光通感一体化（RO-ISAC）系统具有通信容量大和感知精度高的优势，能够为日益频繁的水下活动提供通信和感知能力。然而，水下RO-ISAC系统中角立方反射器（CCR）的有限视场角（FOV）严重限制了系统的有效感知范围，如何增大CCR的FOV来扩大系统有效感知范围是一个亟待解决的课题。另外，水下湍流对RO-ISAC系统通信与感知性能的影响也有待进一步探究。【方法】针对CCR的FOV有限问题，文章提出了一种基于角度分集结构的CCR阵列方案，该阵列由一个中心CCR单元和若干个呈圆周分布的边CCR单元组成，各个边CCR单元具有一定的倾斜角度。在基于角度分集CCR阵列的水下RO-ISAC系统中，采用正交频分复用（OFDM）作为通感融合波形，并通过Matlab软件仿真研究了该系统在水下湍流信道中的通信与感知性能。【结果】仿真结果表明，在相同等效反射面积情况下，角度分集CCR阵列能够显著增大CCR的FOV，并且随着角度分集CCR阵列中边CCR单元数量的增加，等效FOV随之增大，水下RO-ISAC系统的感知（即测距）性能也随之变好。同时，角度分集CCR阵列中边CCR单元的倾斜角度存在最佳区间，并且最佳倾斜角度区间与光信号的入射角度相关。另外，在基于OFDM通感融合波形的水下RO-ISAC系统中，水下湍流对系统的通信误码率（BER）性能影响较大，湍流越强，BER性能越差，而水下湍流对系统的测距性能并无明显影响。【结论】文章所提角度分集CCR阵列能够显著扩大水下RO-ISAC系统的有效感知范围，提升系统感知精度，同时，基于OFDM通感融合波形的水下RO-ISAC系统能够有效克服水下湍流对感知性能的不利影响。
2025年04期 No.250 32-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1636K] - 王佳乐;郑凯文;廉杰;
【目的】随着海洋经济的迅速发展，水下物联网（IoT）面临着智能化和便捷化的迫切需求。传统通信与感知模块的分离导致设备体积庞大和成本高昂，制约了整体系统性能，从而促使通信与感知一体化（ISAC）系统，尤其是基于水下无线光通信（UWOC）的光学ISAC(OISAC)系统成为了当前研究热点。尽管OISAC系统具有高频谱利用率和低延迟的优势，但在实际应用中仍面临时钟同步及硬件实现的挑战。【方法】针对这些问题，文章提出了一种基于扩频信号的一体化双工水下光通信测距（OICAR）系统。文章采用扩频通信体制传输通信信息，这种通信方式能够有效地对抗发射光源和传输信道导致的信道衰落，保证了通信信息的成功传输。同时，文章在双工扩频信号码片中添加时间戳信息，利用主从机时间戳信息、扩频码自相关特性以及频率控制字（FCW），实现了异步收发机水下高精度测距。并且文章采用发光二极管（LED）阵列和现场可编程门阵列（FPGA）处理系统搭建了实时硬件实现系统，为水下OICAR系统的发展提供了硬件验证系统。【结果】随后，在拖曳水池对OICAR实时系统进行了通信与测距实验，验证了文章设计系统水下最远通信距离可达63.5 m，且测距精度保持在±0.25 m以内。【结论】这一结果表明，文章所设计OICAR系统能够实时实现高效的水下通信与精确测距功能。
2025年04期 No.250 39-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 1773K] - 戴炜杰;苏晓凤;刘晓谦;张立妍;卫天阔;宋健;董宇涵;
【目的】大气和海洋湍流会导致光学轨道角动量（OAM）的模式扩散，是造成OAM自由空间光通信（FSOC）系统性能恶化的主要因素之一。抑制湍流效应是OAM-FSOC领域研究人员长期以来追求的目标。【方法】在基于OAM模式的大容量光无线通信背景下，湍流导致OAM谱发生对称扩散，传统的湍流抑制方案需要复杂的波前感知和合并方案。而部分相干光场中扭曲相位和涡旋相位的共存会导致OAM谱具有非对称的扩散行为，为抑制湍流提供了新的切入点。文章强调了这种非对称OAM谱启发的信息传输范式转变，旨在利用扭曲因子造成的可控OAM非对称性扩散进行模式增广，并基于此制定新的发射端模式编码与接收端模式合并方案。【结果】文章所提方案给OAM-FSOC系统的平均容量、聚合容量和误码率（BER）方面的性能带来了显著提升。数值结果显示了与理论预测一致的显著性能提升，包括湍流信道中的实际容量、容量上限、可用链路距离以及抑制湍流的能力。【结论】文章所提方案不仅是扭曲部分相干光场在OAM-FSOC系统中的应用，也是对OAM谱的可控非对称扩散这一物理事实的利用。文章展示了以扭曲相位部分相干光场调控为例的光波物理前沿理论在下一代光无线通信中的重要应用潜力。
2025年04期 No.250 46-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 2026K] - 吕晶晶;师庆;王冰洁;刘丽;
【目的】水下光子计数无线通信（UPCC）能够实现微弱信号探测，有效缓解复杂水下环境造成的光信号衰减影响，延长通信距离。水下信道对光的吸收和散射会造成信号衰减，湍流会引起信号幅度起伏变化，两者都会降低UPCC系统误码率（BER）性能。基于同时考虑吸收、散射和湍流效应的水下联合信道模型，合理评估这些因素对UPCC系统误码性能的综合影响至关重要。【方法】文章用随机相位屏模型模拟湍流效应对传输光束的影响，将湍流相位屏模型拓展至蒙特卡洛（MC）水下信道数值模拟框架中，构建海水环境影响更为全面的吸收散射湍流联合信道模型。并基于单光子雪崩二极管（SPAD）和开关键控（OOK）调制方式，搭建了UPCC系统。【结果】基于文章所构建的联合信道模型对UPCC系统在不同水质条件、链路距离和湍流强度等参数条件下的误码性能进行对比分析。【结论】仿真实验结果表明，在水质较好的纯净海水和干净海水环境下，湍流对系统通信性能的影响不可忽略，通信距离显著衰减，系统BER增加。例如，在纯净海水且无湍流的理想条件下，系统通信距离最远可达约500 m，弱湍流下缩减至约400 m，强湍流下进一步缩减至约200 m。随着水质的恶化，吸收和多重散射成为影响系统通信性能的主要因素。在水质最差的港口海水中，不同湍流强度下，系统通信距离最远均约为25～30 m，不同湍流强度对系统BER的影响几乎可以忽略不计。
2025年04期 No.250 54-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 1592K] - 吴坤;吴明埝;陈青青;吴正明;谢书鸿;王道根;李松林;
【目的】传统依赖外部设备离散式测量海缆埋深的模式，存在监测成本高昂、空间覆盖离散和时效性滞后，难以实时获取海缆线路埋深状态的痛点，以及基于热传导方程的物理建模方法受限于海底多相介质耦合传热的难题，文章旨在开发一种基于布里渊光时域分析（BOTDA）的海底电缆埋深分析与计算方法，以实现更高效和便捷的海缆埋深状态监测。【方法】文章提出了一种融合BOTDA与反向传播神经网络（BPNN）的智能化监测方法，研究将海底电缆内置通信光纤重构为分布式温度传感器阵列，结合机器学习技术突破传统技术框架。利用BOTDA设备采集24 km海缆的布里渊散射中心频率偏移量数据，经频移-温度/应变耦合方程转换获得全线路温度分布数据并建立标准化数据集，以此构建一个BPNN模型，通过机器学习自动挖掘温度分布特征以实现海缆温度与埋深状态之间的映射关系。该模型以实测温度数据作为输入，通过现场实验和历史数据校准模型参数，经过训练和优化后，输出预测的埋深状态。【结果】文章所提BPNN模型能够有效捕捉海底电缆温度变化与埋深之间的非线性关系，获取线路海缆的埋深状态随距离变化的关系，以此来实现海缆埋深状态的预测。【结论】研究表明，基于分布式光纤温度应变传感技术和BPNN的埋深测量方法可以实现海底电缆埋深状态的精准监测，其中检测的准确率可达97%。
2025年04期 No.250 62-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 1588K] - 张鸿;吴明埝;王道根;穆章健;谢书鸿;吴正明;李松林;陈青青;
【目的】文章提供了一种使用光纤和分布式声学传感（DAS）技术来监测海缆锚害事件的算法，用于在缺乏数据的场景中基于特征阈值识别锚害事件，避免了高成本的锚害数据获取，同时增强了算法的广泛适用性。【方法】文章所提算法基于锚害事件的高强度、长距离和长时间作用特性，采用DAS测量海缆光纤得到的二维时空振动数据，基于平均功率特征掩模得到事件数据的轮廓，并计算轮廓面积和锚害置信度用于过滤轮廓，然后在等间隔时间段上计算轮廓形态学特征曲线，通过形态学特征曲线的强度和时间分布来识别锚害入侵事件。【结果】锚害模拟实验结果表明，文章所提算法计算出的形态学特征曲线在正常干扰和模拟锚害事件中差别明显，不同特征曲线的组合计算值可区分出事件轮廓的缺陷等特点，通过设定形态学特征阈值可快速识别出锚害事件。在模拟的1组锚害数据和两组非锚害数据中，算法通过对特征曲线强度和持续时间的过滤以及基于特征曲线的轮廓缺陷排查，成功识别出了锚害数据。【结论】文章所提海缆锚害监测算法在实现时主要采用OpenCV计算机视觉计算框架，计算速度快，准确率高，能满足海缆锚害监测的实时监测要求。形态学特征曲线在算法中能很好地表现出事件轮廓在时间上的分布情况，作为锚害算法的核心特征，扩展了形态学特征的应用场景，具有较高的应用价值。
2025年04期 No.250 69-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 1824K] - 张涛;刘昊;张培蕾;刘哲恒;时光蕤;范希评;
【目的】针对海底电缆振动信号研究中特征提取效果不佳以及故障诊断效率较低的问题，文章提出了一种基于能量熵特征和灰狼优化（GWO）算法优化极限学习机（ELM）的海缆故障诊断方法。【方法】首先，采用有限元仿真软件模拟得出不同工况的海缆光单元振动速度信号；然后，结合经验模态分解（EMD）算法将振动信号分解为4个含有固有特征的本征模函数（IMF）分量，提取计算各个IMF分量的能量熵，将其作为指标构建特征向量；最后，将不同工况下的特征向量样本输入采用GWO-ELM方法的分类器中进行工作状态的判断。【结果】在足量样本以及多次计算求平均值的情况下，通过数据总结得出该方法对海缆不同状态的识别准确率能够达到97.4%，分类算法识别时间低至0.968 5 s，并设置了多个算法对比组，结果表明，文章所提方法在提取信号特征以及故障诊断方面有着良好效果。【结论】目前海缆在线监测常采用温度和应力分析，文章所提方法在大大降低测量难度的同时，故障特征提取效果较好，能够准确识别海缆的实时工作状态。
2025年04期 No.250 75-82页 [查看摘要][在线阅读][下载 1794K] - 李学华;郗童;王鑫;黄翔;
【目的】随着近海区域业务量的快速增长，带宽需求呈现出指数级增长趋势，承载业务的第五代移动通信技术（5G）及后5G(B5G)下一代无线接入网络（NG-RAN）资源即将枯竭，波分复用无源光网络（WDM-PON）因其高带宽等优势，成为支持5G/B5G NG-RAN的有效承载方案。然而，近海复杂多变的环境为WDM-PON的网络部署带来了严峻挑战，如高昂的部署成本、大规模的路径损耗以及恶劣的水下环境等，亟需通过优化网络部署策略降低成本、风险和传输损耗等，以构建适应近海环境的网络。【方法】文章提出了一种多头注意力增强的多智能体深度Q网络（MHA-MAD）算法，通过多头注意力机制高效提取网络环境的关键特征，并为不同特征赋予动态权重，从而提升建模精度。同时，采用多智能体框架，使多个智能体在共享网络环境中协作与同步决策，实现网络部署的全局优化。【结果】与现有基准方法相比，MHA-MAD算法在网络部署中使性能提高了近42%，其结果接近理论最优解。此外，与未利用多头注意力机制的多智能体深度Q网络（DQN）算法相比，MHAMAD算法在最小化网络部署总成本、节点功耗、链路衰减和网络风险的联合优化目标上，性能提高了近8%。【结论】MHAMAD算法为面向近海场景5G/B5G NG-RAN的WDM-PON部署与优化提供了新思路。
2025年04期 No.250 83-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 1768K] - 陈学永;夏仁善;孙晓军;宗晓明;曹育良;
【目的】在构建大型海底工程水下互联项目时，水下湿插拔光电混装连接器是其核心器件，为了打破国外技术和产品垄断，实现自主可控，文章对其关键技术进行了分析并进行了产品研制。【方法】文章采用等压平衡、旋转密封、充油缆密封连接、多级引导精准对接与到位识别、非接触式光接触件和光纤调芯等关键技术，研制出了水下湿插拔光电混装连接器，并对其进行了高压水下插拔试验、充油缆的振荡飞线和飞线拉力试验以及最大偏移插拔试验。同时，对水下湿插拔连接器的关键静、动密封问题以及动态插拔过程中的接触压力进行了仿真分析。【结果】高压水下插拔试验结果表明，静水压力为45 MPa时，水下湿插拔连接器的插头和插座在插拔100次后，连接器的插入损耗（0.5 dB）及绝缘电阻（≥50 GΩ）均合格；充油缆锥面密封结构抗拉能力及端接可靠性均能满足要求。仿真分析结果表明，水下湿插拔连接器在动态插拔过程中滚轴的接触压力始终大于水压，能始终保持动密封，不发生泄漏。对于静密封结构，当水压为70 MPa时，不会造成海水泄漏进设备内部，但随着间隙的增大，O形圈变形、所受应力及其与壁面的接触压力均呈增大趋势，对于动密封结构，插针运动速度越快，海水压力越大，其泄漏量也越大，试验验证结果与仿真情况具有较好的一致性。【结论】文章所得结果可为水下湿插拔光电混装连接器的设计提供理论指导。
2025年04期 No.250 90-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 1881K] - 孙云鹏;胥国祥;许人东;康慧灵;王畅;印炜;
【目的】海底光缆作为全球互联互通的关键载体，承载着99%以上的通信数据流量，随着国际通信业务的持续增长和海洋数字经济的蓬勃发展，跨洋通信容量面临着严峻挑战。目前，随着高阶调制、波分复用（WDM）和偏振复用（PDM）等扩容技术的成熟，传统光纤传输容量瓶颈问题日益显现。200μm细径光纤作为新一代空分复用（SDM）光纤，在满足未来皮比特级容量需求的同时能够降低海底光缆系统单比特成本。【方法】文章针对细径光纤关键技术展开研究攻关，结合光纤自身特点建立了细径光纤余长模型，求解了细径光纤海底光缆余长边界条件。同时，利用3因素4水平正交试验设计优化了细径光纤熔接参数，通过定义光纤熔接一次合格率，获得细径光纤最优熔接参数组合。【结果】文章最终完成了细径光纤海底光缆成缆关键技术的开发，细径光纤成缆附加衰减低于0.003 dB/km，实现了成缆附加衰减与可靠性寿命的平衡控制，同时控制细径光纤熔接一次合格率在90%以上，满足超长距跨洋通信需求。文章所研制海底光缆通过了国际电信联盟-电信标准分局（ITUT）G. 976建议的海底光缆关键性能试验和5 km深海海试试验验证，光透射性能变化远低于0.05 dB。【结论】文章研制的大芯数和低附加损耗细径光纤海底光缆性能指标满足海底光缆通信系统的技术要求，为未来新一代细径光纤海洋通信系统的发展提供了重要技术支撑。
2025年04期 No.250 98-104页 [查看摘要][在线阅读][下载 1671K] - 赵丽;牟春波;
国际通信海缆是连接各国信息通信网络的全球性公共基础设施，近年来建设需求与安全风险都在不断增加。文章系统盘点了全球主要国家和地区的海缆政策动向，阐述了监管和发展政策变化对海缆建设和维护合作的影响，为我国国际通信海缆建设的发展提供了参考。
2025年04期 No.250 105-109页 [查看摘要][在线阅读][下载 1003K] - 王一凡;刘利田;刘俊源;
随着人类对海洋探索需求的不断增长，构建空天地海一体化网络变得十分重要。然而，由于空气与海水两种介质的不同特性以及海上环境复杂多变的影响，实现空海跨域通信面临诸多技术挑战。为了深入探究空海跨域通信的创新现状及未来发展趋势，文章基于专利检索结果构建了数据集，研究了专利整体态势、全球地域分布和重要创新主体，分析了空海跨域链路级直接通信、空海跨域中继通信和空海跨域通信组网3个技术分支的核心专利及技术演进，并在核心技术攻关和专利保护运用方面向我国创新主体提出了发展建议。
2025年04期 No.250 110-117页 [查看摘要][在线阅读][下载 1366K] 下载本期数据