對(duì)潛激光通信

董科研，姜會(huì)林，佟首峰

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

潛艇具有隱蔽性好、突擊力強(qiáng)、水下續(xù)航能力強(qiáng)和自給力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)代海軍艦只中最有戰(zhàn)斗力的艦種之一，并且是一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略核威懾力量的重要組成部分，各國(guó)軍方相繼研制和競(jìng)相發(fā)展核潛艇，以便在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中保存遭受第1 次核打擊之后的反擊力量。但潛艇的特殊工作模式，使其長(zhǎng)期處于信息匱乏的作戰(zhàn)狀態(tài)之下，突出表現(xiàn)在信息獲取和觀通能力有限。為了獲取相應(yīng)的作戰(zhàn)信息，潛艇隨時(shí)有可能暴露自己、導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)失敗，所以潛艇對(duì)外安全、高速通信是亟待解決的問(wèn)題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)潛通信的主要手段是甚低頻通信和極低頻通信。潛艇若依靠甚低頻通信手段，其最大潛水深度一般不能超過(guò)45 m，通信數(shù)據(jù)率約為75 bit/min。與甚低頻通信相比，雖然極低頻通信對(duì)海水具有更大的穿透力，最大潛水深度可達(dá)180 m，但極低頻對(duì)潛通信的數(shù)據(jù)率只有1 bit/min。顯然，通信的有效性已受到極大的限制。與此同時(shí)，其基地發(fā)射天線(xiàn)系統(tǒng)龐大，要求的功率高，對(duì)周?chē)h(huán)境電磁污染嚴(yán)重，戰(zhàn)時(shí)易被摧毀［1-2］。

藍(lán)綠激光對(duì)潛通信系統(tǒng)正是在上述背景下誕生的，波長(zhǎng)為420 ～540 nm 的藍(lán)綠激光對(duì)海水有較強(qiáng)的穿透能力［3］，20世紀(jì)80年代的多次試驗(yàn)表明，裝載藍(lán)綠激光發(fā)射器的飛機(jī)在數(shù)千米的高空，對(duì)水下300 m 深的潛艇通信是可能的;藍(lán)綠激光對(duì)潛通信的數(shù)據(jù)傳輸率高，可達(dá)到每秒數(shù)千比特;采用藍(lán)綠激光對(duì)潛通信可以免除笨重的拖曳天線(xiàn)，這就使?jié)撏У撵`活性得到大大提高;同時(shí)藍(lán)綠激光對(duì)潛通信具有波束寬度窄、方向性好、不受電磁以及核輻射影響等優(yōu)點(diǎn)。所以激光對(duì)潛通信在抗干擾性和保密性方面是無(wú)線(xiàn)電通信無(wú)法比擬的。表1 為激光通信與其他對(duì)潛通信的比較，從中可以看出對(duì)潛激光通信的優(yōu)勢(shì)。

表1 對(duì)潛激光通信與其他對(duì)潛通信比較

1 發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

國(guó)外開(kāi)展對(duì)潛激光通信的研究工作主要體現(xiàn)在3 個(gè)階段。

第1 階段是在20 世紀(jì)60年代，主要研究海水信道特性、藍(lán)綠激光在云層、海水中的傳播特性;并建立了大氣/海水光散射信道中傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型;20 世紀(jì)70年代，研究對(duì)潛激光通信的性能和方案設(shè)計(jì)。

第2 階段是在20 世紀(jì)80年代，研制機(jī)載激光對(duì)潛通信系統(tǒng)，并進(jìn)行演示驗(yàn)證，從機(jī)載單工通信向機(jī)載雙工通信發(fā)展，同時(shí)開(kāi)始星載激光通信系統(tǒng)的研究工作。從1978年至1992年，美俄等國(guó)進(jìn)行了多次對(duì)潛激光通信演示試驗(yàn)，典型試驗(yàn)有:

1)1981年，在美國(guó)西海岸附近的加利福尼亞州圣地亞哥海域，在12 km 高空與水下300 m 深處的“海豚號(hào)”潛艇直接通信，而且晝夜效果都很好。同時(shí)伊利諾斯大學(xué)用激光與200 m 深處的潛艇通信也獲得了成功。

2)1983年，前蘇聯(lián)在塞瓦斯托波爾將藍(lán)綠激光發(fā)送到低地球軌道衛(wèi)星(LEO)上的反射鏡，然后轉(zhuǎn)發(fā)給水下的導(dǎo)彈核潛艇，成功進(jìn)行了地基發(fā)射星潛激光通信。

3)從1989年到1992年，美國(guó)制定了SLCSAT 計(jì)劃，擬實(shí)現(xiàn)地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)對(duì)潛激光通信，并重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)潛激光通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究，具體包括:①用激光收發(fā)機(jī)載模型驗(yàn)證雙向通信能力;②評(píng)定潛艇上行鏈路低截獲率的可行性;③研究先進(jìn)的激光發(fā)射機(jī)，研制氯化氙和溴化汞等藍(lán)綠激光器件;④驗(yàn)證新型窄帶可調(diào)光學(xué)濾波技術(shù)。

第3 階段，隨著蘇聯(lián)解體和東西方冷戰(zhàn)的結(jié)束，美國(guó)海軍暫時(shí)中止星潛激光通信計(jì)劃，但仍資助星潛激光通信系統(tǒng)總體和關(guān)鍵技術(shù)的研究。2005年美國(guó)APOGEN technologies公司啟動(dòng)了潛機(jī)數(shù)據(jù)交換和增強(qiáng)計(jì)劃—SEADEEP，該計(jì)劃旨在飛機(jī)和潛艇間開(kāi)展高速激光通信。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展此領(lǐng)域研究起步較晚，目前主要從事單元技術(shù)、系統(tǒng)理論、計(jì)算機(jī)仿真以及藍(lán)綠激光水下傳輸實(shí)驗(yàn)等方面的研究。

武漢船舶通信研究所、北京大學(xué)、華中理工大學(xué)、大連大學(xué)、青島海洋大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、上海光機(jī)所、中電集團(tuán)11所、桂林電子工業(yè)信息學(xué)院等單位分別在各自相關(guān)領(lǐng)域取得了階段性研究成果。

2 星潛通信方案

星潛雙向激光通信系統(tǒng)由下行鏈路和上行鏈路組成，其中下行鏈路為主要工作模式，用于向潛艇傳輸控制命令。利用藍(lán)綠激光直接對(duì)潛艇通信;上行鏈路主要用于緊急報(bào)告、求救和必要應(yīng)答命令，原則上盡量減少上行傳輸，以提高潛艇的安全性。

2.1 下行鏈路通信總體方案

當(dāng)需要向潛艇發(fā)送控制命令時(shí)，可啟動(dòng)下行鏈路藍(lán)綠激光通信。對(duì)于GEO 和LEO 平臺(tái)，可以通過(guò)控制GEO 和LEO平臺(tái)上通信光端機(jī)的功率及光束束散角的大小實(shí)現(xiàn)下行激光通信。此時(shí)潛艇按預(yù)案在水下隱蔽航行，衛(wèi)星平臺(tái)可預(yù)判潛艇的大概位置，然后再通過(guò)姿態(tài)測(cè)量，解算光束指向，進(jìn)而從衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)射束散角較窄的高峰值功率光脈沖光束，照射到海洋表面某一區(qū)域，并在駐留時(shí)間內(nèi)發(fā)送信息，駐留時(shí)間由通信容量和通信速率決定;然后進(jìn)行預(yù)定模式掃描，直到覆蓋整個(gè)區(qū)域。激光束通過(guò)自由空間、大氣、云層的擴(kuò)束、功率衰減和脈沖展寬后作用到海面，連同天空背景光經(jīng)過(guò)海面和不同深度與質(zhì)量的海水衰減后，通過(guò)多口徑、寬接收視場(chǎng)的潛艇光端機(jī)接收后，通過(guò)多元探測(cè)器分集接收，提高靈敏度，采用濾光片對(duì)海底熒光和殘余天空背景光進(jìn)行抑制，進(jìn)而提高接收單元的信噪比。

2.2 上行鏈路通信總體方案

考慮到海水散射、吸收、光束通過(guò)海面后束散角的變化、云層的影響、器件發(fā)展水平等因素，潛艇對(duì)GEO 直接進(jìn)行上行激光通信目前實(shí)現(xiàn)難度較大;潛艇對(duì)LEO 直接進(jìn)行激光通信目前存在一定的可能性;而采用消耗性浮標(biāo)平臺(tái)為中繼實(shí)現(xiàn)自由空間激光向上通信是很好的選擇，但該系統(tǒng)使?jié)撏ㄐ诺某杀狙杆僭黾印榱嗽跐撏c衛(wèi)星之間進(jìn)行雙向、雙工全光通信，以系留光纖浮標(biāo)平臺(tái)為中繼實(shí)現(xiàn)自由空間激光向上通信是可行的方案。

該方案將上行鏈路分為2 段，潛艇與漂浮平臺(tái)間采用系留光纖實(shí)現(xiàn)信息傳輸，通過(guò)浮標(biāo)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星間激光通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上行全光、高速保密通信。當(dāng)啟動(dòng)上行通信時(shí)，將漂浮平臺(tái)釋放，為了減小釋放漂浮平臺(tái)所產(chǎn)生的尾跡，采用滾動(dòng)式光纖釋放結(jié)構(gòu)，盡量使漂浮平臺(tái)處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。因?yàn)樯闲型ㄐ艛?shù)據(jù)容量小，傳輸速率快，所以上行通信一旦結(jié)束，就可以收回漂浮平臺(tái)。圖1 為星潛雙向通信鏈路示意圖。

圖1 星潛雙向通信鏈路示意圖

圖中GEO 和LEO 可直接向潛艇進(jìn)行下行激光通信;通過(guò)系留光纖浮標(biāo)平臺(tái)可直接向LEO 和GEO 進(jìn)行上行激光通信。

3 影響對(duì)潛激光通信的重要因素

3.1 衛(wèi)星軌道

衛(wèi)星軌道主要包括地球同步軌道和低地球軌道，GEO 衛(wèi)星通信的特點(diǎn):①覆蓋區(qū)域較大;②衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)較平穩(wěn)，系統(tǒng)無(wú)需視軸穩(wěn)定;③衛(wèi)星位置可通過(guò)星歷表預(yù)測(cè);④易于實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn)和跟蹤。LEO 衛(wèi)星通信的特點(diǎn):①通信時(shí)間有選擇性，僅能定時(shí)通信;②自由空間功率損耗相對(duì)較小。

3.2 通信波長(zhǎng)

對(duì)潛激光通信波長(zhǎng)主要受海水、原子濾光片和激光器自身等因素的影響:①海水吸收是激光功率衰減的主要因素之一，所以通信波長(zhǎng)的選取應(yīng)在光學(xué)透過(guò)率窗口420 ～540 nm;②原子濾光片對(duì)于強(qiáng)背景光具有抑制作用，但原子濾光片不能遍布整個(gè)波段區(qū)域，目前僅能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)有限的區(qū)域;③激光器的通信波長(zhǎng)應(yīng)在海水透過(guò)率窗口內(nèi)，且與原子濾光片相匹配，滿(mǎn)足高功率、高效率、高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命性能的指標(biāo)要求，目前可能用的激光波長(zhǎng)為455 nm、490 nm、532 nm。

3.3 通信速率

通信速率的提高受信道特性、激光器重復(fù)頻率、調(diào)制方式、編碼方式以及云層和海水多向散射等因素的影響［4-6］，接收端接收到不同光程的信號(hào)，使接收的光信號(hào)在時(shí)間上產(chǎn)生展寬現(xiàn)象。而脈沖的展寬將使通信速率受到限制。對(duì)于云層，由STOTTS 表達(dá)式可知:經(jīng)過(guò)云層后脈沖平均擴(kuò)展達(dá)5 μs 左右，最大擴(kuò)展值有時(shí)可達(dá)幾十微秒。對(duì)于海水信道，垂直光束入射的附加脈沖寬度相對(duì)較小，但也有亞微秒量級(jí)。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 云層厚度、光束角度對(duì)光脈沖時(shí)間擴(kuò)展影響

3.4 信道功率衰減特性分析

對(duì)影響星潛激光通信的信道因素進(jìn)行分析和仿真將為系統(tǒng)中關(guān)鍵器件的選取提供依據(jù)，如激光器的功率、波長(zhǎng)、種類(lèi)、探測(cè)單元的工作模式、探測(cè)器等。不僅如此，通過(guò)對(duì)鏈路功率進(jìn)行分析，也為星潛激光通信系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

星潛激光通信鏈路信道主要考慮自由空間衰減，大氣吸收、散射衰減，霾、霧、雨、云、雪的吸收和散射所引起的衰減，大氣—海水介面衰減，海水衰減。

3.4.1 自由空間衰減

自由空間衰減不考慮各種吸收損耗，僅定義為接收端口徑面積與激光光斑面積之比。假設(shè)海面的光斑直徑為10 km左右，而接收光學(xué)系統(tǒng)的有效口徑為1 m。則自由空間激光功率衰減約為80 dB。

3.4.2 大氣信道吸收與散射衰減

激光在大氣中傳輸，將產(chǎn)生大氣吸收和散射引起的衰減效應(yīng)，通過(guò)選擇通信波長(zhǎng)可以有效減小大氣吸收影響，所以大氣衰減效應(yīng)主要由大氣散射效應(yīng)引起。大氣散射引起的衰減與水平能見(jiàn)度有關(guān)，一般天氣條件下衰減為1 ～9 dB。

3.4.3 云層衰減

對(duì)于下行通信鏈路，激光光束方位可覆蓋云層較大面積，其等效光學(xué)厚度由式(1)給出:

其中:T 為云層的物理厚度;σc為云層的消光系數(shù)。光學(xué)厚度越厚，衰減越大。通常情況下云層引起的功率衰減為4 ～14 dB。

3.4.4 海水表面功率衰減

激光在海水/大氣界面處產(chǎn)生復(fù)雜的反射與折射過(guò)程。界面能量的損失不僅與光束的入射角度有關(guān)，而且與氣候條件(主要是海風(fēng))有關(guān)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)5 級(jí)后，將產(chǎn)生較大的衰減，在8 級(jí)風(fēng)條件下衰減5.3 dB。

圖3 海水泡沫及條紋決定的界面?zhèn)鬏斅屎惋L(fēng)速的關(guān)系

3.4.5 海水衰減

海水透過(guò)率表達(dá)式為

其中:ka為海水吸收衰減系數(shù);kdR為海水瑞利散射系數(shù);kdM為海水米耶散射系數(shù);D 為海水深度;φ 為信道視軸角。對(duì)于Ⅲ級(jí)海水淺水區(qū)，對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)為-0.56 dB/m。對(duì)于Ⅰ級(jí)海水，對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)為-0.22 dB/m。圖4 為Ⅱ級(jí)海水對(duì)532 nm 激光的功率衰減與潛艇深度、天頂角的關(guān)系。

圖4 532 nm 激光在海水中衰減與海水質(zhì)量、深度的關(guān)系

依據(jù)上述對(duì)影響對(duì)潛通信的重要因素的分析，在特定條件下對(duì)星潛激光通信系統(tǒng)下行鏈路的功率進(jìn)行研究，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 星潛激光通信系統(tǒng)下行鏈路功率分析

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)防力量的發(fā)展，迫切需要突破對(duì)潛激光通信的相關(guān)技術(shù)，近些年來(lái)，相關(guān)器件的飛速發(fā)展、部分應(yīng)用和工程研究日趨完善，使對(duì)潛激光通信的工程應(yīng)用成為可能。本文提出了衛(wèi)星對(duì)潛艇通信方案，并對(duì)影響對(duì)潛激光通信的主要因素進(jìn)行了分析，經(jīng)過(guò)技術(shù)狀態(tài)調(diào)研，證明該方案是可行的。相信對(duì)潛激光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，必將提高潛艇的隱蔽性和攻擊能力。

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