艦船FSO系統最大通信距離研究

張 永，徐亞光，任 重，王赫男

（海軍大連艦艇學院，大連 116018）

0 引 言

目前，艦船編隊之間的信息傳輸為無線電方式，然而無線電通信的缺點是保密性差，即容易被敵方竊聽、干擾和破壞，甚至己方無線電設備之間也會產生相互干擾。由于無線激光通信可免受電磁干擾的影響，能確保艦與艦通信的安全可靠和有效性，因此，自由空間光通信（FSO）得到了極大的重視與研究。文章將對FSO在艦艇上的應用做一定程度的研究，并利用OptiSystem光通信軟件進行艦船間FSO系統設計與性能仿真分析，研究不同天氣條件下的最大通信距離。

1 FSO系統原理

1.1 基本原理

自由空間光通信即激光通信，又稱無線光通信，這是一種以激光為載波，以自由空間為傳輸介質的通信技術。FSO系統的一般模型包括3個基本部分：發射機、信道和接收機［1］，如圖1所示。

圖1 FSO系統原理框圖

發射機主要由激光器、調制器和光學天線組成；接收機主要由光學天線、光電探測器和解調器組成。在發射部分，將待發送的信號調制到激光束上，并控制激光載波的某個參數，使它按電信號的規律變化。該調制的激光信號經過信息處理后由光學天線發射出去。接收是發射的逆過程，接收天線將接收到的已調制的激光信號送到光電探測器，轉換成電信號，然后由解調設備恢復出原始信息。系統中的光學天線是由透鏡構成的，發射透鏡能把截面很小的激光束變成截面較大的激光束，方便接收透鏡調整方位并接收信號。接收透鏡接收大面積的激光束，并聚成較小的光斑，起到恢復激光束截面的作用。

1.2 FSO關鍵技術

（1）捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）技術

艦船在航行過程中的相對位置會發生變化，海上顛簸也會帶來相對位置的變化。為保持FSO系統的通信穩定性，高精度的ATP技術必不可少［2］。即在通信的同時，接收端檢測接收信號的優劣情況，并且把結果數據傳輸給發射端，發射端自動調節對準方向，使發射、接收方向處于最佳對準方向。

（2）高功率光源技術

在FSO通信中，通信光源至關重要。它直接影響天線的增益、探測器件的選擇、天線直徑、通信距離等參量。在通信過程中需要大功率、低損耗光源，調制速率又要盡可能高。同時，光源的調制需要采用糾錯技術，盡可能減少誤碼和突發誤碼。目前，主要采用800～860 nm波段和1 550 nm波段的光源［2］。

（3）精密收發天線技術

光學天線實際上就是光學望遠鏡，天線的型式根據具體情況可采用卡塞格倫型反射式天線或透射式天線。對于孔徑較大的天線，可采用反射式天線，這有助于降低制造難度，提高其可靠性、減輕重量；而當天線孔徑較小時，則選用透射式天線。一般FSO系統的天線孔徑在幾cm到30 cm之間［3］。

1.3 天氣對FSO性能的影響

由于大氣中存在著各種氣體分子和微粒，如塵埃、煙霧等，以及刮風下雨等氣象變化，使部分光輻射能量被吸收而轉變為其它形式的能量，部分能量被散射而偏離原來的傳播方向。激光在大氣中傳播時，其能量衰減主要來自于大氣分子的吸收與散射及大氣氣溶膠的散射。在不同氣象條件下，空氣中的微粒會對激光的傳播形成不同的衰減。表1為各種典型天氣下的大氣衰減值。

2 FSO系統模型設計與性能仿真分析

2.1 系統模型的建立

圖2為利用OptiSystem軟件搭建的FSO系統仿真模型。圖中系統采用了強度調制／直接檢測（IM／DD）技術，并由摻鉺光纖放大器（EDFA）放大后經FSO信道發送出去；接收端用雪崩二極管（APD）接收，將光信號轉換為電信號，然后放大并經低通濾波器濾除噪聲，得到接收信號。

表1 典型天氣下的大氣衰減［4］

圖2 FSO系統仿真模型框圖

2.2 仿真環境設定

在系統仿真中，基本的參數設置為：激光器發射功率30 dBm，發射激光波長1 550 nm，發射機的發光孔徑5 cm，接收機的接收孔徑20 cm，系統的信息傳輸速率2.5 Gbps。由于艦船編隊在海上執行任務時，環境復雜多變，FSO系統的通信距離也隨之變化，因此，本文通過FSO信道衰減參數的設置來模擬不同的天氣條件，并通過分析誤碼率的變化來找到最大的通信距離。

2.3 仿真結果與分析

對通信的可靠性用信號的誤碼率來衡量。誤碼率越小，表明系統可靠性越好。圖2的仿真系統接入了誤碼率（BER）分析儀，并且誤碼率分析儀具有眼圖分析功能。這里主要利用系統的Q值與誤碼率來分析系統的傳輸性能。Q值為通信系統的品質因數，與信噪比相比，它更全面地表示了光通信系統信號傳輸質量的度量，誤碼率也可由Q值來表征。仿真結果如下：

（1）天氣條件為小雨（FSO信道衰減值設為3 dB／km）的情況下，FSO系統的Q值與誤碼率及通信距離的關系如表2所示。

表2 小雨條件下的系統性能

（2）天氣條件為小到中雨（衰減值為5 dB／km）的情況下，FSO系統的Q值與誤碼率及通信距離的關系如表3所示。

表3 中雨條件下的系統性能

（3）天氣條件為暴雨／輕霧（衰減值為17 dB／km）的情況下，FSO系統的Q值與誤碼率及通信距離的關系如表4所示。

表4 暴雨條件下的系統性能

（4）天氣條件為大暴雨／濃霧（衰減值為30 dB／km）的情況下，FSO系統的Q值與誤碼率及通信距離的關系如表5所示。

表5 大暴雨條件下的系統性能

由于光通信的速率很高，所以允許的誤碼率很低，一般為10－9，甚至在10－10以下，對應的Q值應大于6［1］。當Q值大于6，FSO信道衰減值為5 dB／km的情況下，系統發送端信號與接收端信號波形圖以及性能眼圖如圖3～圖5所示。

圖3 FSO系統發送信號波形圖

圖4 FSO系統接收信號波形圖

根據表2～表5的仿真結果，可確定在不同天氣條件下艦船間FSO系統的最大通信距離，如表6所示。

表6 不同天氣條件下FSO系統的最大傳輸距離

根據表6的結論，可知FSO系統在艦船間所能達到的最大傳輸距離：在小雨的天氣下，艦船間最大通信距離可達到6.6 km，基本滿足艦船編隊間的正常通信距離；如果天氣條件惡劣（大暴雨／濃霧），編隊間距要求較遠的話，應采用其他有效通信手段；而天氣晴好的情況下（FSO信道衰減值小于3 d B／km），艦船編隊采用FSO系統，通信距離一般可達到50 km以上。編隊指揮員可根據編隊的不同隊形、編隊間電磁兼容性、通信保密性等要求，確定是否采用FSO系統作為艦船編隊間指令傳遞、數據傳輸等業務的通信方式。

圖5 FSO系統性能眼圖

3 結束語

分析研究了FSO系統的組成與關鍵技術，利用OptiSystem軟件搭建了系統仿真模型，模擬不同天氣條件下艦船編隊間進行FSO通信的可行性，并通過大量的仿真數據，得到了在不同天氣條件下艦船FSO系統的最大通信距離，為通信指揮員在海上通信時選擇何種通信方式提供了一定的理論依據與數據支持。如果艦船編隊采用合適的通信網絡結構，并且艦船上安裝高精度穩定平臺的話，FSO系統應用于艦船編隊的實用性將得到極大的提高［5］。由于FSO系統還具有組網靈活、保密性好、不受電磁干擾等優點，因此對海上艦船編隊通信效能、電磁兼容性等能力的提高具有重要意義。

［1］張煦.無線光通信的應用前途［J］.光通信技術，2003（5）：1－2.

［2］吳重慶.光通信導論［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］馬東堂，魏急波，莊釗文.空間激光通信及應用［J］.半導體光電，2003，24（2）：139－144.

［4］程剛，王紅星.大氣無線光通信調制性能分析［J］.中國電子研究科學院學報，2007，2（5）：485－489.

［5］張海勇，朱麗娟.海上編隊通信網絡系統效能分析［J］.火力與指揮控制，2004（2）：74－81.