激光對(duì)潛通信的發(fā)展及存在的問題

周亞民++劉兵

摘要：分析了信息化條件下對(duì)潛通信的軍事需求，介紹了激光對(duì)潛通信的優(yōu)勢，以及國內(nèi)外激光在對(duì)潛通信研究領(lǐng)域的歷程和進(jìn)展，討論了激光對(duì)潛通信目前在工程應(yīng)用遇到了技術(shù)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：藍(lán)綠激光 水下通信 光束傳輸

中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0036-01

1 引言

潛艇是現(xiàn)代化強(qiáng)國軍事力量的重要組成部分，由于其具有極高的隱蔽性，可以在300～400m的深水中活動(dòng)數(shù)月之久，是未來戰(zhàn)爭中重要作戰(zhàn)力量。而對(duì)潛的通信能力是關(guān)系到潛艇能否正常發(fā)揮其作用的重大問題，因此，各國軍方都十分注重對(duì)潛通信的研究[1]。

目前，對(duì)潛通信的主要手段為甚長波或超長波，但其在水下的穿透能力僅為幾十米，且通信速率僅為每分鐘幾個(gè)比特，傳送三個(gè)字母的報(bào)警信號(hào)就要花15分鐘[2，3]。另外通信所需要使用幾百米長的拖曳天線也極大影響航行的機(jī)動(dòng)性，龐大的極低頻發(fā)射設(shè)施要求的功率極高，且易在核戰(zhàn)爭中被毀。這些，都制約著電磁波通信方式在水下的發(fā)展應(yīng)用。

在傳輸距離上具有明顯優(yōu)勢的聲波近年來逐漸被人們重視，聲波在海水中卻能傳輸幾百公里，但聲波的傳播十分復(fù)雜，影響水聲通信的物理因素也很多，表現(xiàn)為傳播延遲長和延遲方差大、多途嚴(yán)重、淺海環(huán)境噪聲強(qiáng)、多普勒頻散嚴(yán)重等。由于聲波的吸收大體上與頻率的平方成正比，通信可用的帶寬很窄。

可以說，這兩種通信方式都已無法滿足水下軍事通信對(duì)作用距離和通信速率所提出的越來越高的要求。針對(duì)上述問題，上世紀(jì)70年代起，就有人開始提出開展水下激光通信研究，通過使用水下藍(lán)綠波段激光通信，改變目前水下軍事載體通信作用距離短，速率低的狀況。

水下激光通信就是采用光波作為信息載體的一種通信方式，研究表明，波長為450～550nm的藍(lán)綠光光波在水下的衰減遠(yuǎn)小于其他波長的光波。一定功率的藍(lán)綠激光在海水中的穿透能力可達(dá)600m以上，其方向性好、工作頻率高、通信頻帶寬、數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，另外光信號(hào)不受電磁輻射和核輻射的影響，不易被敵人截獲，并且相應(yīng)的設(shè)備輕巧，故而隱蔽安全[4]。

由于水下藍(lán)綠光通信具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合于各種重要的軍事水下通信應(yīng)用，它不僅可用于由其他載體發(fā)射對(duì)水下軍事載體通信，還可用于水下軍事載體之間的通信。此外，水下藍(lán)綠光通信還可用于水下搜救、水下開采等重要的民用場合。

2 國內(nèi)外水下激光通信的研究狀況

由于水下藍(lán)綠光通信應(yīng)用潛力巨大，其發(fā)展受到世界各國的重視。上世紀(jì)70年代初，美國就開始利用海水的藍(lán)綠光窗口為潛艇通信開辟新的途徑，1971年美國成功研制出名為PLADS的機(jī)載系統(tǒng)， 1977年提出衛(wèi)星—潛艇通信的可行性，1985年利用星載激光器與“海豚號(hào)”潛艇進(jìn)行了通信試驗(yàn)，取得了良好的通信效果，1991年又進(jìn)行了自制數(shù)據(jù)光中繼實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)對(duì)潛雙向通信，1993年后系統(tǒng)試驗(yàn)階段相繼轉(zhuǎn)入系統(tǒng)改進(jìn)和完善階段。而在2000年噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL成功建立了一套高魯棒APT子系統(tǒng)，2003年前后JPL開展了對(duì)脈位調(diào)制（PPM）接收技術(shù)的研究，提出了PPM接收機(jī)模型，對(duì)水下激光通信的實(shí)用化有著巨大的推進(jìn)作用。

前蘇聯(lián)也曾積極研究藍(lán)綠激光對(duì)潛通信系統(tǒng)。1983年曾在塞瓦斯托波耳附近進(jìn)行空間轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)驗(yàn)，即把藍(lán)綠激光束發(fā)射到空間軌道上的反射鏡，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給水下的導(dǎo)彈潛艇。此外，英國、加拿大、法國等也先后研制出了各自的機(jī)載激光通信系統(tǒng)，并向星載激光通信系統(tǒng)發(fā)展。

國內(nèi)在水下藍(lán)綠激光通信的研究起步相對(duì)較晚，主要集中在基于水上發(fā)射系統(tǒng)的對(duì)潛通信方面，其中研究歷史較長并取得較突出成績的主要有華中科技大學(xué)、桂林電子工業(yè)學(xué)院以及中國船舶工業(yè)總公司所屬研究所等。華中科技大學(xué)在“八五”期間承擔(dān)國防預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目“機(jī)載藍(lán)綠激光探潛總體及單元技術(shù)”，研制出我國第一套機(jī)載激光探潛試驗(yàn)裝置；桂林電子工業(yè)學(xué)院在“九五”期間承擔(dān)國防預(yù)研項(xiàng)目“藍(lán)綠激光雙向?qū)撏ㄐ抨P(guān)鍵技術(shù)”，在海南省某地做了海水對(duì)通信深度影響的實(shí)驗(yàn)。相比于基于水上發(fā)射系統(tǒng)的對(duì)潛通信，關(guān)于水下軍事載體之間光通信的實(shí)用系統(tǒng)的報(bào)道很少。

3 需要解決的主要問題

盡管水下激光通信具有極好的發(fā)展前景，但對(duì)于水下激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程化實(shí)現(xiàn)方面的研究，從目前的應(yīng)用情況及發(fā)展來看，主要存在的問題以及技術(shù)難點(diǎn)在于三個(gè)方面：

（1）海水隨機(jī)信道對(duì)激光傳輸?shù)挠绊憽：Ｋ且环N復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物系統(tǒng)，它含有溶解質(zhì)、懸浮體和各式各樣的活有機(jī)體。激光傳輸過程中，必然會(huì)與這些粒子以及水分子本身相互作用，發(fā)生光吸收、光散射，從而產(chǎn)生和形成激光傳輸海水效應(yīng)影響。這些效應(yīng)具有隨時(shí)間、空間變化的特點(diǎn)，且對(duì)不同光學(xué)系統(tǒng)的影響各不相同，在一定條件下，會(huì)嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)正常設(shè)計(jì)性能的發(fā)揮。

（2）高精度、高概率、快速的光束對(duì)準(zhǔn)。水下激光通信若要實(shí)現(xiàn)較長距離的通信要求，則必須使得發(fā)射光束盡量的窄，但對(duì)目標(biāo)的捕獲卻是建立和維持水下激光通信鏈路的基本條件，所以在平臺(tái)擾動(dòng)及背景光干擾等影響下，滿足和適應(yīng)鏈路總體設(shè)計(jì)中對(duì)水下載體中接收機(jī)小型化、輕量化、低功耗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高精度、高概率、快速的光束對(duì)準(zhǔn)是目前實(shí)現(xiàn)水下光通信鏈路的關(guān)鍵之一。

（3）滿足大容量、遠(yuǎn)距離傳輸條件下的大功率發(fā)射、高靈敏度接收技術(shù)。盡管光通信具有發(fā)射光束窄、能量密度集中的特點(diǎn)，但在遠(yuǎn)距離傳輸條件下，接收機(jī)探測接收到的光能量一般都比較弱，特別是經(jīng)過海水信道傳輸后，受海水效應(yīng)的影響，激光能量的損失可能非常嚴(yán)重，更重要的是，海水湍流效應(yīng)嚴(yán)重影響了傳輸激光束的相干性，這對(duì)通信質(zhì)量的影響十分嚴(yán)重。

由此可見，要實(shí)現(xiàn)水下激光通信鏈路工程化實(shí)施還有大量的研究工作需要繼續(xù)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]趙長明.未來激光探潛和對(duì)潛通信技術(shù)的發(fā)展[J].光學(xué)技術(shù)，2001.

[2]江月明.對(duì)潛通信系統(tǒng)及其發(fā)展探討[J].無線電工程，2003.

[3]夏維華.潛艇通信系統(tǒng)綜述[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2002.

[4]王全喜.藍(lán)綠激光在海軍裝備中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代艦船，1994.