基于事件相机的水下光学集成感知与通信系统

《Frontiers in Marine Science》：An event-based camera-enabled underwater optical integrated sensing and communication system

　　

水下光学无线通信（UOWC）是一种前景广阔的技术，可为水下无人航行器提供高速且安全的无线链路，而这类航行器日益需要可靠的通信与环境感知能力。传统基于帧的相机被广泛用于水下通信，但其有限的时间分辨率、冗余的数据采集以及相对较高的处理延迟，限制了其在高速光通信中的应用。事件相机以异步方式检测像素级亮度变化，具有高时间分辨率、低延迟和稀疏数据输出的特点，因而在水下集成感知与通信（ISAC）中颇具吸引力。本文开发并实验验证了一种基于事件相机的水下光学集成感知与通信（U-OISAC）方法，其中事件相机同时充当光通信接收机和水下光学信道传感器。据研究人员所知，这是基于事件相机的U-OISAC系统的首次实验验证。实验结果表明，所提系统在水下信道中实现了10 kbit/s的传输速率，误码率（BER）低于3.8 × 10?3，满足硬判决前向纠错阈值；在20 kbit/s速率下BER低于2 × 10?2，满足软判决前向纠错阈值。除数据接收外，同一事件相机接收机还展示了从接收事件响应中估计浊度相关光衰减的能力。在不同实验室模拟水条件下，估计的衰减系数与独立推导的参考值保持一致，最佳归一化平均绝对误差为2.71%。这些结果凸显了单一神经形态接收机在水下光通信与水况感知同步实现方面的潜力。

论文解读：基于事件相机的水下光学集成感知与通信系统

一、研究背景与动机

随着海洋勘探和水下技术的发展，水下无线传感器网络、自主水下航行器（AUV）、海洋监测及水下防御系统等应用日益需要可靠且实时的水下无线通信。声学通信虽能实现数十公里的传输距离，但其调制带宽有限（通常为10 Hz–100 kHz），传播速度仅约1500 m/s，导致数据速率仅达kbps量级且传输延迟较高。水下射频通信则因导电海水的严重衰减，实际通信距离仅数十米。相比之下，水下光学无线通信（UOWC）具有更高带宽和数据速率（通常为Mbps至Gbps）以及显著更低的延迟，成为短中程水下应用的有力方案。

传统UOWC系统常采用光电探测器（如PIN光电二极管、雪崩光电二极管APD和光电倍增管PMT）作为接收机，其响应快、灵敏度高，但有效面积较小，轻微的对准偏差便会导致收集光功率显著下降，尤其不利于移动水下平台。为缓解此限制，基于帧的相机被研究作为替代接收方案，形成水下光学相机通信（UOCC）。图像传感器提供更宽的视场和空间分辨率，可同时检测并空间分离多个光源，降低了对准误差的敏感性。然而，传统帧相机周期性采集完整图像帧，其时间分辨率受限于帧采集和读出过程。全局快门UOCC系统的数据速率通常受限于相机帧率，代表性实验速率仅为100–750 bit/s；卷帘快门技术虽可在每帧内恢复多位信息，但水下演示速率一般仍处于kbit/s量级（如2.7和7.2 kbit/s）。此外，感兴趣区域提取和逐帧图像处理引入了额外的计算复杂度和延迟。

事件相机以异步方式检测像素级亮度变化，仅输出变化像素的事件及其空间坐标和时间戳，避免了周期性全帧采集，减少了冗余图像数据和实时处理的计算负担。其像素独立工作提供了高时间分辨率和低延迟信号采集能力。由于事件相机主要响应时间亮度变化而非绝对照度水平，静态或缓慢变化的背景光产生的活动有限，加之其高动态范围，使其在高动态环境下的高速光通信中具有吸引力。然而，现有基于事件的通信方案主要聚焦于提升符号可分离性和通信性能，尚未利用通信诱发的事件响应来估计传播相关的光学变化，尤其是水下信道中吸收和散射改变接收强度与事件响应的场景。

二、研究内容与结论

为填补上述空白，研究人员开发并实验验证了一种基于事件相机的水下光学集成感知与通信（U-OISAC）系统，利用同一事件流同时实现数据恢复和水下信道感知。该联合功能由相机的独特事件生成机制实现：波形诱发的亮度变化产生独特的时空极性模式用于通信，而信道相关的接收光强变化改变事件响应，为感知提供信息。基于此原理，研究人员设计了专门的指数波形以支持单一神经形态接收机上的双重功能。

实验结果表明，所提系统在1 m水下信道中实现了10 kbit/s的可靠通信，BER低于硬判决前向纠错阈值3.8 × 10^?3；在20 kbit/s下BER低于软判决前向纠错阈值2 × 10^?2。在测试条件下，指数波形方案在所有评估速率下均实现了比传统OOK更低的BER，包括在20 kbit/s时BER降低约39.4%。在水况感知方面，研究人员利用选定观测区间内的平均负事件计数作为间接感知特征，建立了负事件响应与等效浊度相关衰减系数之间的理论映射。在不同数据速率和实验室模拟水条件下，估计的衰减系数与照度计推导的参考值保持一致，在1 kbit/s时实现最佳归一化平均绝对误差（NMAE）2.71%。这是据研究人员所知首次对基于事件相机的U-OISAC系统进行实验研究，实现同步水下光通信与浊度相关光衰减感知。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要关键技术方法开展研究：其一，设计了极性相关的指数光学波形调制方案，利用事件相机对数响应机制，使对比度阈值交叉在整个有效波形区间内分布，产生时间分布的正负事件，便于事件域解码；其二，建立了事件域通信模型，将每个比特区间划分为早期和晚期观测窗口，通过多像素事件累积和早晚期时间处理增强解码鲁棒性；其三，构建了基于负事件计数的浊度相关光衰减估计方法，通过理论映射将平均负事件计数转换为归一化光学响应，进而推导等效衰减系数；其四，采用实验室水槽模拟水下信道，通过向100 L水槽中添加商用抗酸悬浮液（含Al(OH)₃和Mg(OH)₂）逐步改变信道条件，模拟非藻类悬浮颗粒引起的散射主导衰减。

四、研究结果

4.1 通信性能评估

研究人员在清水条件下首先比较了所提指数波形与传统OOK方案的通信性能。在相同DC偏置、调制幅度、传输距离、事件相机偏置设置、像素配置、同步流程、观测窗口、数据速率和环境光条件下，指数波形方案在所有评估速率下均实现了更低BER，包括在20 kbit/s时BER降低约39.4%。在5、10和20 kbit/s非零BER工作点，累积误码数足够大，提供了统计可靠的BER估计。

4.2 调制幅度影响

研究人员在清水条件下测试了指数波形在50、75和100 mV调制幅度下的性能，考察了调制幅度对通信质量的影响。结果表明，在不同调制幅度下系统均能维持可接受的通信性能，验证了方案对调制幅度变化的适应性。

4.3 信道条件变化下的性能

研究人员通过向水槽中添加Maalox悬浮液逐步改变水下信道条件，在75和100 mV调制幅度下评估了指数波形在不同浊度条件下的通信性能。实验在自然背景照明和暗背景条件下均进行了测量，数据速率范围为1至20 kbit/s。结果表明系统在不同信道条件下均能维持通信功能，同时事件响应随信道衰减变化，为感知功能提供了基础。

4.4 衰减感知性能

研究人员利用选定比特“0”符号的负事件响应作为感知特征，在预定义感知区间内累积负事件并跨选定符号和记录帧平均，得到实验特征N_neg,ave。通过将观测值与理论速率相关映射匹配，估计归一化光学响应并推导等效浊度相关衰减系数。在不同数据速率和实验室模拟水条件下，估计的衰减系数与照度计推导的参考值保持一致，在1 kbit/s时实现最佳NMAE 2.71%。

五、讨论与结论

讨论部分指出，事件相机不直接提供绝对接收信号强度信息，而是通过浊度相关光衰减改变接收亮度变化，进而影响对数对比度阈值交叉频率。研究人员利用平均负事件计数作为间接感知特征，建立了考虑对数事件生成机制、像素相关阈值变化、事件延迟和事件丢失效应的理论映射。该方法估计的是相对自来水参考的附加浊度相关光衰减，而非自然水体的绝对衰减系数，以自来水为基线介质是实验UOWC研究的常见做法。

研究结论表明，所提事件相机U-OISAC系统利用同一光学波形、事件流和神经形态接收机，同时实现了高速水下光通信和水况感知，无需额外感知设备。在1 m水下信道中实现了10 kbit/s（BER ≤ 3.8 × 10^?3）和20 kbit/s（BER ≤ 2 × 10^?2）的通信速率，衰减系数估计的最佳NMAE为2.71%。这是据研究人员所知首次对基于事件相机的U-OISAC系统进行实验验证，为水下无人平台提供了通信与感知一体化的新途径。该研究发表在《Frontiers in Marine Science》。