水下LiFi应用
2022.04.25
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大多数遥控水下航行器(ROV)是由有线连接控制的。他们的电缆长度对他们的操作范围是一个硬性限制,其他潜在的因素,如电缆的重量和脆弱性可能是有限性的。无线电波在水中会迅速被吸收,阻碍了水下的无线电通信。由于光可以穿过水,因此基于Li-Fi的通信提供了更大的流动性。Li-Fi的效用受限于光能穿透水的距离。大量的光不会穿透超过200米。超过1000米,就没有光可以穿透。


在适当的条件下,进入水中的阳光可进入海洋约1000米(3280英尺),但很少有超过200米(656英尺)的明显光线。海洋根据深度和光照度被分为三个区域。上方200米(656英尺)的海域被称为亲水区,即 "阳光区"。这个区域包含了绝大多数的商业渔业,也是许多受保护的海洋哺乳动物和海龟的家园。只有少量的光线可以穿透这个深度。200米(656英尺)和1000米(3280英尺)之间的区域通常被称为 "黄昏 "区,但正式名称是 "呼吸困难区"。在这个区域,随着深度的增加,光的强度迅速消散。深度超过200米时,只有极少量的光可以穿透,光合作用已不可能。

蚜虫区,或称 "午夜",存在于1,000米(3,280英尺)以下的深度。阳光无法穿透到这些深度,该地区沐浴在黑暗之中。


Hydromea水下通信的LiFi解决方案


在水下连接设备可能是一项困难的任务。无线电波在水下不好用,因为它们容易被水吸收。这意味着无线电波在水下不能超过一米的距离。许多传感器只提供有线连接,但它们是不切实际的,因为你必须把设备从水中取出来才能读取其数据。

Hydromea公司的工程师们想出了一个解决方案:用光来传输海洋或湖面以下的数据。他们已经开发了一种名为LUMA的水下调制解调器,通过快速闪烁的蓝光进行通信。该调制解调器将数据转换为它所发出的光脉冲,或者反过来,将它所接收的光脉冲转换为数据--所有这些都在眨眼之间完成。


"我们选择蓝光是因为尽管水对电磁波来说通常是不透明的,但对蓝光和绿光有一个小的透明带。这就是我们的系统能够远距离发送和接收数据的原因,"该公司的首席技术官Felix Schill说。虽然水很容易吸收大多数波,特别是红外波,只有蓝光和绿光可以穿过它。太阳的红色和黄色光波在几米内就会被吸收。

开发LUMA最困难的部分是确保它能在足够长的距离内发送数据,并在各种条件下可靠地工作。"Schill说:"由于光在水下通常会迅速扩散,找到一种在50或100米距离内发送通信的方法是很困难的。"我们花了很长时间才开发出一个足够敏感的接收器,即使从很远的地方也能捕捉到微小的光脉冲。"


LUMA被设计为可在高达6000米的水下工作。它是一个完全包含在塑料外壳中的装置,完全被透明的塑料包裹着,因此在极端的水压下不会崩溃。该系统已经由德国阿尔弗雷德-魏格纳极地和海洋研究所的科学家在太平洋海平面以下4280米处进行了测试。巴尔说:"后来,一些在近海作业的公司与我们联系,他们对我们的技术感兴趣,希望我们能铺设水下管道或为海上风电场建造地基"。

Bahr和Schill早在2004年在他们还是澳大利亚的学生时就开始研究水下Wi-Fi系统。多年来,他们充实了设计的细节,并在EPFL的博士后工作期间最终完成了设计。今天,他们仍然与学校合作。例如,他们正在帮助LéXPLORE开发机器人和通信系统,这是一个位于普利维迪附近的日内瓦湖岸边的研究平台。


在那里,湖泊学家正在使用LUMA定期检查水下收集的数据,并确保测量仪器的正常工作,因为传感器需要在水下停留数月之久。一个调制解调器安装在数据记录器上,该记录器收集来自水下传感器的科学数据,另一个调制解调器安装在一个海底机器人上,该机器人潜到传感器所在的地方,即时收集传感器的数据。"巴尔说:"LéXPLORE的科学家们向我们反馈了他们的具体需求,这有助于我们进一步提高调制解调器的性能。