水下视频无线传输技术：带宽高、质量好、成本低！

导读

最近，沙特阿卜杜拉国王科技大学的研究人员开发了一种灵活、低成本的技术，用于在水下传输高质量的视频图像，它通过提高带宽达到了更好的图像质量。

关键字

通信、海洋、光学

背景

海洋覆盖了我们地球的三分之二以上的区域，它是生物多样性、食品和药物的主要来源，同事也蕴含大量的石油、天然气和海洋集料，可以用于许多工业生产过程。

通过无线通信技术产生出实时视频，将进一步促进海洋的探索和监测。这些技术对于检修海上石油与天然气田的水下管道和电缆，都非常有帮助。笔者曾经介绍过一种称为“Eelume”的机器人，它能够在水下滑行完成各种检修任务，例如：视觉检查，清洗，调整阀门和阻气门。

（图片来源于：康斯伯格海事公司）

但是，海洋下面水较浅的地方，不太适合使用远程遥控的水下机器人；而让潜水员来进行检修，既不切实际又昂贵。

然而，笔者还曾介绍过美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员利用声波在传输过程中产生的动态旋转，也称为“轨道角动量”，在单个频率上包装更多的信道，显著增加信息传输量。在扩充水下通信容量以后，甚至可以传输高清电影，带来水下高速通信的新方式。

（图片来源：Chengzhi Shi/Berkeley Lab and UC Berkeley）

也许，上述的“轨道角动量复用”技术可能算是一个特例。一般来说，现有的声学通信或者低频无线电波技术，通常还是会受制于窄带宽，并且需要大型天线和高传输功率，从而不适合高质量的实时视频流。

创新

然而，今天我们又要介绍一项有关高质量的水下视频图像传输的新技术。最近，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员开发了一种灵活、低成本的技术，用于在水下传输高质量的视频图像，它通过提高带宽达到了更好的图像质量。

（图片来源：KAUST）

博士生 Abdullah Al-Halafi 及其导师 Basem Shihada 以及他同事协力开发了水下无线光学通信（UWOC）系统，其功耗显著降低，且具有更高的带宽，可满足实时视频流的需要。Al-Halafi 解释道：

“首先我们构造了实时视频传输系统，然后将它集成到UWOC装置中。尽管系统的设计和开发非常具有挑战性，但是它的可编程性让我们能够将系统配置为不同的组合。”

技术

为了提高检测到的信号精度，研究人员首先使用一项称为“正交幅度调制”的技术，增加了给定带宽的信号所携带的信息表述，然后将它与相移键控相比较，从而改变载波信号的相位，优化每个配置的传输。

为了检查系统的执行状况，团队开发了一种创新算法测量传输过程中发生的错误，也称为“比特误码率”。同时，他们通过含有不同浑浊度的水的5米水槽传输信号，测试不同类型的海水中传输的视频质量。

该系统配置的实际示意图如下：(a) 激光驱动器装置 (b) 准直透镜 (c) 衰减器  (d) 绿色激光束 (e) 镜子 (f) 镜子 (g) 聚焦透镜 (h) 雪崩光电二极管 (APD)

（图片来源：参考资料【2】）

水下视频流系统的示意图如下：（该系统具有可重新配置的无线光学链接，SMA：超小型版本的A连接器，SDR：软件定义的无线电。）

（图片来源：参考资料【2】）

价值

对于这项研究的价值，Al-Halafi 的一段表述非常经典和精辟：

“我们的系统能生产出目前在 UWOC 系统中达到的高质量视频，提供一种可重配置和划算的用于水下直播视频流媒体的通信系统。它将推进潜水研究和新资源的开发。”

参考资料

【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/409/no-strings-attached-for-underwater-video-system

【2】Al-Halafi, A., Oubei, H. M., Ooi, B. S. & Shihada, B. Real-time video transmission over different underwater wireless optical channels using directly modulated 520 nm laser diode. Journal of Optical Communications and Networking. 9 (10) 826-832 (2017). | https://www.osapublishing.org/jocn/abstract.cfm?uri=jocn-9-10-826

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