高质量发展调研行｜福州：科技助力“海洋牧场”提质增效

新华社福州8月10日电 题：福州：科技助力“海洋牧场”提质增效

新华社记者陈弘毅

在福州市连江县定海湾广袤的海面上，一台长92米、宽36米的“大块头”引人注目。它就是半潜式渔旅融合深远海养殖平台“闽投1号”，也是我国海水养殖业向深远海、机械化、智能化转变的“探路者”。

图为8月9日拍摄的“闽投1号”。新华社记者姜克红 摄

记者9日在连江县筱埕镇定海村码头登船，向着外海行驶10多分钟后，登上了“闽投1号”。只见平台下方是一口巨大的深海养殖网箱，自动投料设备正在给大黄鱼喂食，身形饱满、鳞片金黄的大黄鱼在水面跃动，引得众人纷纷举起手机拍照。

“闽投1号”运营方福州福鱼荟海洋科技有限公司总经理许航介绍说，与传统网箱7至8米的养殖深度不同，“闽投1号”采用海工平台半潜式结构设计,具有更好的抗风浪能力，养殖深度可达25米。由于离岸较远，海水的溶解氧含量更高，大黄鱼有了更宽敞的“住宅”和可以“深呼吸”的环境，成品鱼品质较传统网箱也更优。

自2022年投产以来，“闽投1号”带动了周边养殖户共建“海洋牧场”，进行大黄鱼中幼苗接力养殖，去年共销售成品大黄鱼100余吨，合作养殖户每斤的收益提升了7元，实现了“海洋牧场”提质增效。

“闽投1号”是福州向海发展新质生产力的缩影。从2018年开始，福州推动鲍鱼、大黄鱼等海水养殖业从内湾逐渐向深远海、智慧养殖转变。截至目前，福州全市已成功下水深远海养殖平台12台（套），成为全国规模最大的智慧“海洋牧场”之一。“闽投1号”等多个深远海养殖平台实现了“福州造”，海洋装备制造水平不断提升。

图为8月9日拍摄的“闽投1号”。新华社记者姜克红 摄

福建省闽投深海养殖装备租赁有限责任公司有关负责人说，“闽投1号”以智慧渔业系统作为技术支撑，处处可见“黑科技”。这里不仅搭载了自动投喂、捕捞设施，还配置了视频监控、水质监测、5G通信基站等设施。各种信息和参数实时投放在屏幕上，通过大数据分析，可以实现自动化、智能化渔业养殖。此外，平台搭载了光伏发电设备和储能电池，配备海水淡化装置和污水处理设备，在降低碳排放的同时，还能为生产生活等提供支持。

基于宽阔的甲板空间和稳定的主体结构，“闽投1号”还配备了海景客房、海上餐厅等多功能舱室。人们可以在这里体验休闲垂钓、品尝海鲜美食、感受海上日出日落。许航说，周末客房经常被订满，不少人专程到此体验独特的海上休闲游。

以旅促渔、以渔带旅，一条陆海联动的渔港亮丽风景线正在闽江口形成。福州市海洋与渔业局数据显示，2023年，福州渔业产值691.85亿元，水产品产量307.5万吨，海洋生产总值3250亿元，均位居全国前列。

水下可见光通信：光通信领域中的“潜力股”

随着世界人口的不断增长，人类对于资源的需求量与日俱增，以陆地资源为主、海洋资源为辅的资源供应体系逐渐难以满足需求，而覆盖整个地球表面积大约70%的海洋蕴含着大量未开发的生物资源、矿藏资源以及可再生能源，因此加大海洋资源的开发利用对于缓解全球资源供应具有重要意义。在海洋资源的开发过程中，水下无线通信技术至关重要，如图1所示。

图1 水下通信技术示意图

水下无线通信技术目前分为水下电磁波通信(UEC)、水声通信(UAC)和水下可见光通信(UVLC)三种类型。水下可见光通信是一项以光波作为信息载体，通过水下信道来传输信息的一项新兴技术，相较于前两者具备通信速率高、容量大、时延短、安全性好的优势，因此近年来成为了全球的研究热点之一。 水下可见光通信具有广阔的发展前景，随着研究的不断深入，水下可见光通信技术也逐渐成为国家海洋战略发展过程中的关键一环。

国内外UVLC研究现状及发展趋势

水下光通信的研究起源于1963年，S.A.Sullian和他的同事们在观察光波在海水中传播特性的实验时，发现450~550 nm波段的蓝绿光在海水中的衰减程度远小于其它波段，其在100 m传播距离中的损耗仅为1%，该研究结果证明了水下可将光通信的可行性；1992年，美国海军的研究人员开发了一种基于绿光波段激光器的水下可见光通信系统，该系统中的绿光激光功率为150 mW，在9 m的传输距离内具有50 Mbps的传输速率；2020年，瑞士Hydromea公司推出了可实现额定深度为6,000~12000米、50米内数据传输速率高达10 Mbit s–1的Luma 系列水下通信产品；2021年，日本Trimatiz公司成功完成1 Gbps × 100米的超高速率水下光通信试验；2021年，阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi团队制作了首款基于InGaN材料的分布式反馈光栅绿光激光器，可实现传感、原子钟和水下无线光通信等应用；2023年，冈山理科大学的Shintaro Arai所在的研究团队设计出了一种螺旋桨型旋转LED发射器，这是一种通过旋转闪烁的LED阵列来发送数据的设备，并利用相机作为接收器捕获其闪烁灯光作为多个后像，有效提高了水下通信速度，研究团队以3.24 Kbps的通信速度实现了3 m内的零差错通信，速度是传统方式72倍[1-2]。

由于多方因素的制约，中国在水下可见光通信领域的研究起步略晚，但经过十余年的努力，已经追赶上并达到了与世界发达国家同等的水平，更是在某些方向处于领先地位 。在学术界，2021年，复旦大学田朋飞团队首次利用Micro-LED作为一体化集成芯片，实现了高性能双工水下无线光通信以及水下充电综合应用系统的构建，并采用OOK调制在2.3 m的水下信道中实现了最高660 Mbps的实时通信速率[3-4]；2022年，北京邮电大学张家梁等提出了噪声光环境干扰条件下的水下无线光通信性能理论模型，搭建了基于852 nm波长的水下无线光通信实验平台，并验证了在正交相移键控调制格式下通过使用干涉滤光片可使传输链路长度延长34.8%，大大增加了光学传输链路的距离[5]。在产业界，中国科学院西安光机所针对水下可见光通信的应用需求，开展攻关并完成了多个系列工程样机的研制，研发成果可支持20 Mbps的链路传输速率、清洁水质下50 m的传输距离，工作深度还可覆盖全海深环境；武汉六博光电有限责任公司于2022年成功完成了400 m 10 Gbps的无线激光实时传输实验；此外IMT-2030、CCSA等行业组织还设立了可见光通信相关的研究项目，尽管目前完全面向实际水下环境的原型商用光通信系统仍然不足，但相关的研究开发正在有序推进。

UVLC的工作和应用原理

如图2所示，水下可见光通信可分为六类模组，包括：数据发送、数据处理、发射模组、接收模组、数据处理和数据接收模组。

图2 水下可见光通信原理示意图

数据发送模组的作用是将需要发送的信息（如文字、图片及影像等），通过硬件传输或者线上传输的方式传输至数据处理模组。数据发送模组也有可能包含数据采集装置，在对数据进行采集后，发送模组会将第一手数据传送至数据处理模组进行下一步处理。

发射端的数据处理模组接收到数据后，会将数据进行信源编码、信道编码以及信息加密等。

信源编码的作用是将原始数据进行编码处理，在此过程中原始数据将被优化和压缩，提高了有效信息占比，提升了信息的传输效率；信道编码是为了将数据同信道进行匹配，在降低误码率的同时，使通信系统的抗干扰能力与信息勘误能力得到提高；信息加密处理可以有效提高数据的安全性，降低了数据被窃取的可能。发射模组将根据所选择的发射载体，将信息转换成适合在海水中传输的各个类型的光信号。

水下信道是利用海水作为通信媒介，性质是固定的，难以对其通信特性进行改善。接收模组一般是由光电采集检测仪器构成，用于采集海水中由发射模组发出的光信号。此外，接收模组还将进一步对采集到的光信号进行转换，光信号被转换成更易于计算机处理的电信号后，接收模组将其传输至接收端的数据处理模组。经过对电信号进行解调、解码等工作后，数据处理模组会将电信号还原成原始信息。在此过程中可能会出现信息传递错误与丢失的情况，而数据处理模组的译码操作可以在一定程度上对信息进行纠正与补全。信息的处理工作结束后，信息最终将被发送至数据接收模组，数据接收模组负责将信息通过原先设定的格式将信息呈现出来。

常见的UVLC光源：发光二极管和激光器

发光二极管与激光器是常用于水下可见光通信的光源，其性能优劣对于水下可见光通信过程中的信息传输的速率、准确性具有直接影响。由前人的研究可以得出，海水的透光窗口在450~580 nm这一波段，因此蓝绿光波段更适用于水下光通信[6]。因此，实际应用中通常采用的水下光通信发射端光源为蓝绿光波段的发光二极管或者激光器。

图3 发光二极管和激光器在水下可见光通信中的应用（图源：讯石光通讯网、光粒网）

发光二极管通常是由砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或者氮化镓（GaN）等半导体材料制成，该类材料形成PN结后具有特殊的电子能带结构，在外加正向电压的条件下，电子从N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入到对应区域的少数载流子与原区域的多数载流子发生复合，并以光子的形式释放能量。发光二极管中通常产生的是非相干的宽波谱光波，其频率和相位呈分散状，尽管发光二极管具有制造成本低、寿命长、节能环保等优点，但其较低的发光效率和较小的光功率也限制其在部分场景的应用。激光是通过吸收辐射能量而放大的光，激光器的结构包括泵浦源、受激介质和谐振腔，其输出的相干光具有集中的频率和相位，并且具有较高的发光效率和较大的光功率，因此在较远距离的水下光通信中常有应用。激光器与发光二极管的性能比较如表1所示。

表 发光二极管与激光器的性能比较

在水下可见光通信的实际应用中，选择发光二极管或激光器作为发射端光源通常取决于具体的需求和应用场景。考虑到水下环境的复杂性，包括水质、水下能见度等因素，选择发光二极管或激光器需要考虑环境对光传输的影响。如果水质较差或存在较强的散射，激光器将更容易受到影响，而发光二极管在这些情况下表现更好。此外，发光二极管在水下近距离通信中也能够提供足够的光功率，并且还具有成本低、能效高、高安全性的优点。相较于发光二极管，激光器在通信速率方面更占优，可以支持更高的通信速率。

总结与展望

尽管现阶段水下光通信领域的研究已在仿真设计、信号处理等方面实现突破，但仍需进一步开发形成闭环的硬件系统来实现高性能的实际工程应用。此外，由于紫外光的非视距性、高鲁棒性、高保密性和高可靠性等特点，因此在军事领域具有广阔的应用前景，可作为水下可见光通信的补充手段。在未来，通过对水下可见光通信的信道、光源、调制解调等方面进行研发和突破，将能够实现高速、远距离的水下可见光通信系统，进而为构筑一体化海洋通信网络奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]. Uema H, Matsumura T, Saito S. Research & Development on Underwater Visible Light Communication Systems. IEEJ Transactions on Sensors & Micromachines, 133: 139-142, 2013.

[2] Underwater opportunities. Nat. Photon. 17, 733 (2023).

[3]Chen X, Jin M, Chen H, Wang Y, Qiu P, Cui X, Sun B and Tian P, Computational temporal ghost imaging for long-distance underwater wireless optical communication, Optics Letters, 46(8), 1938-1941 2021.

[4] Zhu S, Chen X, Liu X, Zhang G, Tian P. Recent Progress in and Perspectives of Underwater Wireless Optical Communication[J]. Progress in Quantum Electronics, 73: 100274, 2020.

[5] 张家梁，高冠军，王君健，噪声光下的水下无线光通信理论与实验验证，[J]南京邮电大学学报，2022。

[6].景涛，基于LED的水下光无线通信技术研究，[J]北京邮电大学学报，2020。

科学编辑 | 赖寿强

编辑 | 邹晓旭、徐睿

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