一台远程控制水下航行器及其终端在与另一个激光通信终端后锁定，发出数据通讯光束。

  Lincoln实验室的研究人员正在应用窄光束激光技术来实现水下航行器之间的通信。

  大概五年前，NASA和Lincoln实验室创造了历史，月球激光通信演示（LLCD）系统使用脉冲激光束将一颗绕月球飞行的卫星的数据以每秒622兆比特的速度传送到地球。这个卫星距离地球的距离是23.9万英里（约合38.24万公里），创下了下载速度纪录。

  现在，Lincoln实验室的研究人员正致力于通过将LLCD中使用的激光束技术应用于水下通信，再次开拓新的领域。

  控制与自动系统工程小组的工作人员Stephen Conrad说：“我们的水下工作和LLCD都利用了非常窄的激光束，为高速通信的伙伴终端提供了必要的能量。”他为LLCD开发了指向、捕获和跟踪（PAT）算法。“在使用窄束流技术方面，海底工作和LLCD之间有许多相似之处。”

  然而，海底激光通信（lasercom）也有其自身的挑战。在海洋中，激光束受到明显的吸收和散射的阻碍，这限制了激光束的传输距离和数据信令率。为了解决这些问题，该实验室正在开发窄波束光通信系统，该系统利用一艘水下航行器发出的光束精确指向第二艘水下航行器的接收端。

  这种技术与更常见的水下通信方式形成鲜明对比，后者采用广角传输光束，但会降低可达到的范围和数据传输速率。“通过证明我们可以成功地在两辆移动航行器之间获取和跟踪窄光束，我们在证明实验室实现海底通信的方法的可行性方面迈出了重要的一步，这种方法比其他现代方法要有效10000倍。”Scott Hamilton说，他是光通信技术集团的领导者，该公司正将这项研发引入海底通信领域。”

  大多数地面自动系统依靠使用GPS来定位和同步数据；然而，由于GPS信号不能穿透水面，水下航行器必须找到其他方法来获得这些重要数据。研究团队的Thomas Howe 说：“水下机器人依靠大型、昂贵的惯性导航系统，这些系统结合了加速度计、陀螺仪和罗盘数据，以及其他可用的数据流来计算位置。位置计算具有很高的噪声敏感性，在航行器潜入水下一段时间后，位置计算会迅速累积数百米的误差。”

  这种位置的不确定性会使海底终端难以找到并建立与入射窄光束的关联。为此，研究人员Nicolas Hardy 解释说：“我们增加了一个捕获扫描功能，用来快速地在不确定区间扫描光束，这样目标终端就能够检测到光束，并主动锁定。”使用这种方法，两个航行器可以定位、跟踪和有效地建立一个连接，尽管每个水下航行器都是独立运行的。

  一旦两个激光通信终端相互锁定并进行通信，就可以利用通信波形中的宽频带信号特征，非常精确地确定两航行器之间的相对位置。Howe解释说，使用这种方法，可以精确地知道航行器之间的相对方位和距离，精度在厘米级。他曾负责过海底航行器控制装置方面的工作。

  为了测试他们的水下光通信能力，该团队的六名成员最近完成了在马萨诸塞州列克星敦市波士顿运动俱乐部泳池中两个移动航行器之间的精确波束指向和快速获取的演示。他们的测试证明，两艘水下航行器可以在一秒钟内搜索并找到彼此的位置。一旦链接起来，这些航行器就有可能利用它们建立的链接在一个会话中传输数百GB的数据。

  今年夏天，该小组将前往地区现场，向美国海军展示这种新的光通信能力。其中一个示范涉及两个航行器在海洋环境中的水下通信——该实验室与2016年在罗得岛州纽波特的海军水下作战中心进行的测试类似。该小组正计划进行第二次演习，展示从水面到水下航行器之间的通信——在以前证明这个提议几乎是不可能的。

  海底通信工作可以同时展示实验室内其他小组开展的创新工作。例如，集成蓝绿光电子技术，包括氮化镓激光器阵列和硅盖革模式雪崩光电二极管阵列技术，可导致较小的尺寸、重量和功率终端的实现，并增强通信功能。

  此外，将数据以每秒兆位到千兆位的传输速率传输到从混沌水域的数十米到清澈海水的数百米的距离，将使该实验室正在探索的海底系统应用成为可能。

  Howe在来到实验室之前和之后都对水下航行器做了大量的研究工作，他说：“该团队的工作可以改变海底通信和操作。高速、可靠的通信可以完全改变水下机器人的操作方式，并将大量的不确定性和压力从目前的操作方式中分离出来。”