鉴于目前普遍选用的水下弱湍流模型无法准确拟合实测数据的缺陷，选取经实验测试验证的广义Gamma分布来表征海洋弱湍流，以期合理评估受湍流等因素影响的水下无线光通信系统的误码性能。提出一种包含广义Gamma分布弱湍流、零/非零视轴指向误差以及无衰落信道冲激响应隐路径损耗和多径效应的混合衰落信道模型，据此推导混合衰落串行中继无线光通信系统平均误码率的数学闭型表达；通过数值仿真验证所推导的误码率理论表达式的准确性，并考察不同系统核心参数对误码率的影响。研究结果表明：串行中继节点的引入可有效提高系统的误码性能，以零视轴指向误差、最终传输距离达45 m、误码率需求10^-3为例，引入1至3个串行中继节点后，系统从一开始的无法工作，变为所需的发射功率分别降低至24 dBm、12 dBm和6 dBm；而光源初始发散角增大导致的无衰落信道冲激响应时延扩展，即符号间干扰，则会严重降低此性能改善。

In order to alleviate the impact of turbulence on the performance of underwater wireless optical communication (UWOC) in real time, and achieve high-speed real-time transmission and low cost and miniaturization of equipment, a 2×2 real-time multiple-input and multiple-output (MIMO) high-speed miniaturized UWOC system based on a field-programmable gate array (FPGA) and a high-power light-emitting diode (LED) array is designed in this Letter. In terms of multiplexing gain, the imaging MIMO spatial multiplexing and high-order modulation for the first time are combined and the real-time high-speed transmission of PAM-4 signal based on the LED array light source in 12 m underwater channel at 100 Mbps rate is implemented, which effectively improves the throughput of the UWOC system with a high-power commercial LED light source. In light of diversity gain, the system employs the diversity of repeated coding scheme to receive two identical non-return-to-zero on-off keying (NRZ-OOK) signals, which can compensate the fading or flickering sublinks in real time under the bubble-like simulated turbulence condition, and has high robustness. To our knowledge, this is the first instance of a high rate and long-distance implementation of a turbulence-resistant real-time MIMO miniaturized UWOC system based on FPGA and high-power LED arrays. With spatial diversity or spatial multiplexing capabilities, its low cost, integrity, and high robustness provide the system with important practical prospects.

针对水下高速无线激光通信发射功率较低，通信距离受限的问题，该研究采用非线性光学中二次谐波理论，将1064 nm的高速外调制与放大技术和非线性晶体的准相位匹配技术相结合，通过光学设计和系统参数研究，设计了一种532 nm的高速大功率无线激光调制发射系统，并建立了基于温度和角度变换的波长转换效率模型。然后通过仿真分析的方法得到了不同温度下，最大转换效率对应的角度范围。最后对系统的性能进行了系统搭建和实验分析，验证了该系统在常温下可实现1 W大功率532 nm绿光无线输出，且频率大于1 GHz的模拟信号和速率大于500 Mbps的数字信号调制。实验结果表明：常温下，该系统输出的光斑光强分布均匀，光束质量显著好于调制后的基频光模式。系统输出的方波信号上升沿宽度和下降沿宽度会发生压缩，但随着脉冲宽度的减小压缩现象会发生收敛，上升沿宽度收敛于0.27，下降沿宽度收敛于0.06，系统输出的正弦信号随着频率的增加没有发生明显的畸变。研究结果可以为未来水下长距离高速无线光通信应用提供理论和技术支撑。

针对功率谱反演法模拟的海洋湍流相位屏中缺乏外尺度对光学特性影响的模型，基于Nikishov海洋湍流功率谱模型，提出一种指数型外尺度的Nikishov谱的修正模型，并通过功率谱的收敛性质及标准化光谱对该模型进行验证。相比于已有的包含外尺度参量的功率谱模型，该修正谱形式较为简单，便于分离变量，可在后续的研究中基于波动光学理论借助超几何函数对光学参量理论公式进行推导。基于该功率谱修正模型建立复合海水信道湍流相位屏仿真模型，针对功率谱反演法生成的相位屏存在低频信息不足的缺陷采用低频次谐波进行补偿，通过光线追踪的蒙特卡洛统计方法分析了湍流外尺度对高斯光束光学特性以及信号时域扩展特性的影响。波动理论数值计算与基于相位屏的仿真结果一致表明：在弱湍流条件下，海洋湍流外尺度对准直高斯光束光束扩展、质心漂移特性的影响较大，对光强闪烁的影响较小；海洋湍流外尺度对时域展宽影响较小，湍流影响下的信号时域扩展与传输距离近似呈现二次函数关系。

In this paper, an optical pulse amplitude modulation with 4 levels (PAM-4) using a fiber combiner is proposed to enhance the data rate of a field-programmable gate-array-based long-distance real-time underwater wireless optical communication system. Two on–off keying signals with different amplitudes are used to modulate two pigtailed laser diodes, respectively, and the generated optical signals are superimposed into optical PAM-4 signals by a fiber combiner. The optical PAM-4 scheme can effectively alleviate the nonlinearity, although it reduces the peak-to-peak value of the emitting optical power by 25%. A real-time data rate of 187.5 Mbit/s is achieved by using the optical PAM-4 with a transmission distance of 50 m. The data rate is increased by about 25% compared with the conventional electrical PAM-4 in the same condition.

海水信道对光的吸收和散射造成信号衰减，海水湍流造成信号幅度起伏变化，两者都会降低水下无线光通信(UWOC)系统误码率(BER)性能。将两个信道特性对信号性能的影响综合考虑，提出了一种将传输距离和湍流概率密度函数等效为系统信噪比(SNR)和湍流噪声的方法，然后将信号衰减和湍流噪声同时作用在信号波形中，建立水下复合信道信号传输模型。依据实验系统参数，模拟复合信道下高斯最小频移键控(GMSK)调制的信号传输波形，采用一比特差分解调算法，对比解调波形与原始波形，分析复合信道对系统误码率性能的影响关系。模拟实验结果显示，与开关键控调制(OOK)、脉冲位置调制(PPM)相比，仅在海水衰减系数为 ${\text{0}}{\text{.151}}\;{{\text{m}}^{-1}}$的衰减信道下，GMSK系统分别可获得 ${\text{4}}{\text{.8}}$、 $ 3.3{\text{ dB}} $的信噪比增益。在复合信道下，GMSK调制性能明显优于OOK调制和PPM调制，当海水衰减系数为 ${\text{0}}{\text{.151}}\;{{\text{m}}^{-1}}$、湍流对数强度方差小于0.16时，GMSK调制系统无误码率极限，系统误码率由信道的衰减、湍流特性和高斯噪声共同决定，GMSK调制相比于PPM调制获得 $4.35{\text{ dB}}$的信噪比增益；当湍流对数强度方差大于0.16时，系统存在误码率极限，极限值由湍流对数强度方差决定，且随着湍流对数强度方差的增加，系统极限误码率非线性递增。

水下无线光通信受到海水信道中吸收、散射和湍流的影响而降低了系统性能。目前的研究多独立地考虑衰减信道和湍流信道对信号特性影响，或者从理论公式上分析系统性能。本文采用更加符合真实信道特性的指数-广义伽马分布湍流信道模型，研究海水湍流信道下无线光通信偏移四相相移键控调制系统的误码率理论，建立了海洋湍流和衰减信道协同作用下的复合信道模型，通过模拟信号波形，统计误码率，对系统性能进行分析。结果表明，σI2=2的强湍流下，具有载波特性的模拟信号优于开关键控调制的数字信号，且与二进制移相键控相比，偏移四相相移键控可获得约3 dB信噪比增益。σI2=0.2的弱湍流下，水质衰减系数为c=0.151 m^-1的偏移四相相移键控系统在接收信号信噪比为20 dB时，可实现误码率在10-3以下的50 m可靠通信。相同湍流条件下，误码率随链路距离增加成线性劣化。同时，海水水质对系统BER影响很大，湍流强度为σI2=0.2，湍流相干时间τ0=10 ms的纯海水信道中，接收信号信噪比为10 dB左右时，可实现误码率在10-3以下的40 m可靠通信，而在沿海海水无法正常通信。