艦船激光通信核心技術分析

張國強（大連91550部隊93分隊，遼寧大連，116000）

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艦船激光通信核心技術分析

張國強
（大連91550部隊93分隊，遼寧大連，116000）

摘要：文章首先針對激光通信的發展與特征展開分析，而后進一步對該領域中的核心技術加以討論，對于深入了解艦船激光通信領域技術現狀有著一定的積極價值。

關鍵詞：艦船；激光；通信；技術

艦船通信體系，在艦船海上作業的過程中，對于其安全以及作業的有效實施發揮著至關重要的作用。而激光通信因其自身屬性而在甫投入應用的時候，就吸引了眾多視線，成為當然不讓的艦船通信體系載體。

1 激光通信的發展與特征分析

世界環境中，對于激光通信的研究已經延續了數十年，并且已經形成了相對成熟的應用范例。其通信速率可以達到50Mbps，最大通信距離可以達到4km，而誤碼率則可以控制在10-5~10-6范圍內。

對于艦船通信工作環境而言，激光通信技術的較大帶寬以及相對而言更好的保密性，使其在該環境下有著良好的應用前景。而從抗干擾的角度看，雖然激光通信同樣無法避免大氣環境的影響，但是在電磁波抗干擾方面表現突出，信號傳輸也無需頻段申請。

激光在艦船通信環境中的保密性尤其需要引起重點關注。對于激光而言，以其作為載波實現定向發射，會因為激光的光束發散角在毫弧度數量級，這樣的誤差使得信號在送達通信目標端的時候光斑直徑只有幾十米，因此中途被截獲的可能性會大大縮小，從而提升其保密特征。而另一個不容忽視的特征則是強抗擾能力，在整個激光載波的傳輸過程中能夠無需考慮外界強電磁影響，并且光束在空間交叉之后仍然可以繼續保持原方向展開傳輸，不會影響到波束特征，這種抗干擾能力是其他載波無法實現的。最后，激光通信設備天線口徑小，功耗和重量都極為有限，以大氣作為傳輸介質即可展開工作，設備在物理層即可實現工作，因此完全可以輕易地將目前既有的通信系統進行集成，并且也能夠面向未來諸多通信系統保持良好兼容。

雖然激光通信在艦船工作環境中具有頗多優勢，但是并非沒有不足之處。具體而言，首先，激光光束本身的精確特征決定其能夠在軍事領域實現更好的保密性，但是同時這種特征也決定了在傳輸的過程中必須實現精確對準。而在艦船航行的過程中，相對位置極難固定，船體搖擺無法避免，這對于艦船之間激光通信光束信號的有效捕獲極為不利。針對此種情況，艦船之間的通信通常都會引入自動捕獲以及跟瞄與指向技術，即ATP技術，唯有如此才能實現有效通信。另一個方面，雖然激光信號對于電磁干擾有著較強抵抗特征，但是卻無法有效抵抗天氣影響。海面環境中經常出現的大霧以及雨滴等，都能夠對激光信號有所影響，甚至于海鳥也會成為提升通信系統誤碼率的重要影響因素。

2 艦船激光通信核心技術淺議

艦船激光通信系統本身以激光作為載體，大氣作為傳輸通路，并且跟隨艦船的運動而展開工作。在這樣的通信體系之下，發送端通過對應的數據處理單元，將數據加載在激光載波之上，并且經過發射系統送達光學天線。同樣的逆向過程在接收端展開工作，即先通過光學天線對空間中的光信號進行采集，而后經由光接收系統送達數據處理環節。在這樣的體系之中，有兩個方面的關鍵問題不容忽視，其一即大氣影響，其二則是艦船本身的擺動，這兩個方面的因素，給艦船激光通信體系帶來了極為不利的影響，成為提升誤碼率的首要因素。

就大氣效應而言，由于其承擔著艦船激光通信的傳輸介質，因此大氣的相關特征直接影響到通信體系的性能，并且考慮到海上大氣環境惡劣，因此這一點在艦船通信環境中尤其突出。這其中，大氣衰減和大氣湍流是光通信面臨的主要問題，前者是指大氣對于光束的吸收作用而導致光信號能量減弱；而后者則是指大氣中局部溫度、壓力的隨機變化而帶來的折射率的隨機變化，而這種變化會進一步導致光束的彎曲等問題發生，造成接收端抖動。針對此種狀況，常見的做法是不斷針對大氣信道模型展開完善，從而實現對光通路建設的優化。除此以外，長波紅外無線激光通信技術的日趨成熟，也在實用環境中展現出了極強的生命力。

而對于艦船擺動而言，由于海浪復雜的變化情況，使得艦船運動無法有效預測。具體而言，艦船的搖擺和自身震動，都會造成光斑抖動和漂移問題的發生。在這一方面，需要PAT系統參與，實現對于通信光束的快速高精度跟瞄，確保整個通信保持良好狀態。

指向采集和跟蹤（PAT，Pointing Acquisition and Tracking）技術是艦船激光通信系統中不容忽視的重要組成部分。主要是考慮到激光通信需要近似形成點對點的通路，因此要

求發射的光束必須準確送達接收器表面，同時其光功率必須能夠達到光檢測器能夠檢測的水平，才能實現整個通信鏈路的形成。PAT系統負責將發散角壓縮到毫弧度量級，從而確保系統的發射和接收兩端能夠精確對準；同時在發射端和接收端分別依據入射光的方向來進行調整，實現有效的瞄準和捕獲，并且展開通信的動態調整。考慮到艦船在海中擺動幅度較大的特征，必然會造成光斑的漂移，因此鏈路的對準就成為可靠通信加以實現的必要前提，因此對于PAT系統的性能也對應提出了更高的要求。當前PAT性能提升，已經成為該領域研究的重點。

多變量控制系統（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）同樣是艦船激光通信環境中的重要技術力量。此種技術本質是一種多光纖實現的用于克服大氣不良影響的傳輸矯正技術，能夠獲取較高的信噪比并且對誤碼率實現有效控制的傳輸技術。MIMO的應用，主要是考慮到大氣作為傳輸媒介，必然對激光通信產生影響，因此實際展開數據傳輸的時候，可以考慮將一組相互獨立的光束進行疊加，并且發送到接收端，以實現對于接收信號光強起伏的平滑。采用此種技術能夠減小單路激光的光功率，同時實現多路接收，增大接收端光信號的強度，也正是此種特征決定了誤碼率必然會呈現出下降趨勢，通信質量因此得到保證。

最后，調制方式同樣是在艦船激光通信領域中不容忽視的要點之一。FSO系統大多采用強度調制/直接檢測（IM/DD）系統，與之對應的信號調制方式則包括開關鍵控調制（OOK，on-off keying）、數字脈沖間隔調制（DPIM，Digital Pulse Interval Modulation）、差分脈沖位置調制（DPPM，Differential Pulse Position Modulation）以及脈沖位置調制（PPM，Pulse Position Modulation）等。不同的調制方式會在應用環境中呈現出不同的工作特征，例如OOK因為其自身易于實現的特征而廣泛應用在商業通信環境中，但是功率利用率偏低卻成為其自身無法克服的問題。而PPM調制方式具有良好的功率特征，在誤碼率的控制方面也表現良好，但是帶寬卻因此受到限制，這些特征都決定了PPM調制方式是當前最適合近地無線光通信系統的調制方式。因此在實際工作過程中，必須依據情況進行選擇，才能表現出良好效果。

3 結束語

激光通信技術在艦船工作領域中發揮著毋庸置疑的積極價值，但同時也應當注意到海上船體的運動特征，以及周遭大氣環境特征對于激光通信的不利影響，必須加強對于此方面的重視，才能不斷提出完善策略，推動艦船激光通信技術發展成熟。

參考文獻

［1］楊乾遠，郭軍，莫海濤，等.大氣激光通信的自動跟瞄技術探討［J］.廣西通信技術， 2009（2）

［2］汪亭玉，梁忠誠.船舶大氣激光通信用模擬平臺研究與實驗［J］.船海工程， 2008， 37（6）

Analysis of the core technology of laser communication ship

Zhang Guoqiang
（unit 93， Dalian 91550， Dalian， Liaoning， 116000）

Abstract：Firstly， this paper aimed at the development and characteristics of laser communication launches the analysis， and further on the field in the core technology is discussed，for in-depth understanding of the ship to the field of laser communication technology status has a positive value.

Keywords：ship；laser；communication technology