一種基于衛星的對潛激光通信研究

夏融

【摘 要】分析了藍綠激光在潛艇上使用的優缺點與部分關鍵技術，根據對潛通信特點提出了一種混合利用現有通信手段與激光通信的組網方式。

【關鍵詞】衛星激光通信；對潛通信

【Abstract】This paper analyzes the advantages and disadvantages of the use of blue - green laser in the submarine and some key technologies. Based on the characteristics of latent communication， this paper proposes a network of using existing communication means and laser communication.

【Key words】Satellite laser communication； Submarine communication

0 引言

潛艇具有隱蔽性好、打擊能力強、連續持航時間長的特點，是大國二次核打擊的中堅力量。但受限其特殊的工作環境，信息傳輸困難，與其他平臺的溝通能力弱。潛艇在較為安全的水下進行通信時，主要依賴甚低頻（VLF：3～30 kHz），通信速率極度受限，僅為幾十bps；如需進行較高速率的業務時，則需浮出水面進行無線通信，潛艇的隱蔽性則會大大降低；同時隨著新形勢的發展，潛艇平臺的傳統通信手段難以滿足不斷增加的大容量數據傳輸需求。

1 激光通信特點

激光通信擁有傳統衛星通信手段不可比擬的通信速率上的優勢，通過仿真[1]，可以實現2.5Gbps的信息速率，遠大于目前任意一種衛星通信所支持的速率。從1963年證實了藍綠激光對海水的投射性以來，美國、前蘇聯、英國等研究表明均開展了相關的研究，這些波長為420nm-540nm的特定藍綠光，在一定功率條件下，在海水中的穿透能力可以達到600m，使用該通信手段時，潛艇無需浮出水面，在水下數百米即可完成高速的業務通信，美軍在20世紀80 年代的多次試驗表明，通過搭載藍綠激光發射器的飛機在數千米高空，對水下300m深的潛艇實現業務通信是可行的。激光通信還具有極強的方向性，僅在極窄的波束范圍內可以被探測到信號，相比其他形式的無線電通信，天然具有良好的通信隱蔽性。

2 對潛通信典型架構

我國在對潛激光通信的研究開始得相對較晚，目前主要從事單元技術、系統理論、計算機仿真以及藍綠激光水下傳輸實驗等方面的研究。一個典型的藍綠激光對潛通信系統結構框圖如圖1所示。首先由信道將待發送信號編碼，轉換為數字化的電脈沖信號，再由激光發射器去調制激光載波，使被發射的激光信號參數（如相位、頻率等）隨信號的變化而變化，隨后，發射天線將攜帶信息的光載波發向接收端，接收的過程則為發射的逆過程。

圖1 接收發射過程

通過上圖可以看到，傳輸過程主要包括發射機、海水大氣信道、接收天線組成，目前主要技術難點包括：針對激光傳輸的海水/大氣信道模型建立、激光光源的設計、調制解調及編解碼的優化選擇等，這些關鍵技術均已開展了相關技術研究[2]。同時還應注意到在使用中，發射天線和接收天線距離遠，且激光的波束寬度小，極窄的波束寬度要求的對星精度遠遠大于現有系統，對高速度、高精度的對準裝置提出了新的要求，特別初始對星時的信號捕獲較為困難，為了降低激光通信的復雜度，滿足更便捷的組網使用，系統架構可采用混合頻段的通信組網形式[3]。

3 一種典型組網示例

3.1 組網形式

一個對潛激光通信通信組網示例如下。

圖2 潛艇通信組網示意圖

通信包括三個過程：1、潛艇通過浮標等形式的通信手段，以傳統中低頻段衛星與岸基站取得聯系，建立低速鏈接，將當前位置信息等告知岸基（此時為降低位置潛艇暴露可采用擴頻、跳頻等隱蔽通信手段）。2、岸基站通知可覆蓋潛艇位置的激光通信衛星進入準備狀態，衛星完成衛星波束的移動、功率調整等操作，進入到等待潛艇高速回傳的狀態，岸基站同時通知潛艇激光衛星鏈路已備妥。3、潛艇站收回浮標，停止傳統通信業務，在水下通過APT裝置以掃描的形式搜索衛星，確定衛星位置后，即建立鏈路后，進入高速數據回傳狀態[4]。

3.2 組網特點

通過該形式，可充分利用現有技術條件及激光通信的特點：通過傳統衛星通信手段，利用中低頻段衛星通信對星簡便、技術成熟度高的優點，潛艇可通知岸基站預先調整激光衛星，將本次高速通信前的先驗信息，以極短的報文傳送至岸基，再由岸基推送至激光通信衛星，激光衛星調整波束位置來降低潛艇對星過程所花費的時間，也可同時調整波束大小（集中功率）提高衛星鏈路的系統余量，提高通信的可靠性。

4 結語

在實際通信中應用激光通信這類新技術，如前所述，還存在諸多關鍵技術有待攻克。但其作為未來對潛通信發展的趨勢，盡早、更多的開展相關工程化研究，有助于可更好的完善我國天基通信系統。

【參考文獻】

[1]王天亮，葉暉，胡永勤.衛星對潛激光通信激光光源研究[J].中國空間科學學會2013年空間光學與機電技術研討會，2013.

[2]譚立英，吳世臣*，韓琦琦，馬晶.潛望鏡式衛星光通信終端的CCD粗跟蹤[J].光學精密工程，2012，（2）.

[3]徐濤，溫東，姜波，陳曉露. 基于主動取報方式的藍綠激光星潛通信研究[J].無線光通信，2016，（11）.

[4]李曉峰. 星地激光通信鏈路原理與技術[M]. 北京： 國防工業出版社，2007.