車載激光通信技術研究與試驗

趙洪剛，孟立新，張立中，李小明，白楊楊

（1.長春理工大學 空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春 130022；2.長春理工大學 空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春 130022；3.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

現代戰爭，信息攻防已經成為一種重要作戰手段，如何在強電磁干擾條件下，保證軍隊的通信和指揮系統可靠工作，已經成為軍力建設面臨的一個嚴峻課題。目前可以考慮的信息傳遞手段包括無線電通信、有線通信和大氣激光通信，無線電通信在電磁干擾條件下無法可靠工作（已經在實戰演習中證明），有線通信在機動作戰條件下布設難度大、周期長。大氣激光通信雖然在戰場條件下無法實現全天候通信，并要求通信雙方通視，但其抗電磁干擾、高度保密、通信速率高等優點十分突出，作為一種輔助手段，與無線電配合使用，將大大提高戰場通信網絡可靠性，提高武器系統作戰效能[1]。

空間激光通信技術近三十年在國際上發展迅速。應用領域已經從航天拓展到航空和地面。陸軍戰場應用方面，美、俄、巴西等國已經開展了戰術激光信息傳輸系統演示驗證；在民用領域，定點、短距離（≤3km）大氣激光通信設備已經形成產品。近年，國內多家單位也先后開展了地面大氣激光通信技術研究[2]。

1 車載激光通信應用場景

車載激光通信主要用于陣地之間或相鄰作戰部隊之間在復雜電磁環境下的信息傳輸，光端機架設在通信車上，當常規通信手段受到電磁壓制或竊聽時，開啟激光通信端機，能夠保障通信暢通。由于無線激光通信為視距內通信，通信雙方不能存在視軸遮擋，通常采用車載桅桿提高通信端機高度，避免近地表面植被等低矮物體遮擋，應用場景如圖1所示。

圖1 激光通信總體方案示意圖

目前陸地機動通信網主干節點仍然為地面節點（無空中中繼平臺）為主。考慮通視條件，激光通信距離確定為5～15km。按照1km范圍內，地勢落差150m的估算，視軸指向俯仰范圍約為±10°（以水平面為零位，若地勢落差大，可調整零位），方位范圍為360°，通信速率100Mbps。工作時，首先由目標搜索單元完成對對方車輛的搜索定位，然后由跟蹤系統完成穩定跟蹤，保證通信雙方光視軸始終互相對準，開啟通信光，建立通信鏈路。為解決復雜背景光干擾，激光通信光端機向對方發射特定波長信標光，采用窄帶濾光片濾除其它波長背景干擾，只對對方信標光進行跟蹤。為克服桅桿在風力作用下搖擺，采用慣性穩定技術實現光軸對準[3]。

2 車載激光通信終端的基本原理與組成

2.1 基本原理

無線激光通信通過對激光調制實現信號加載，通過對接收到的調制光解調獲得信息。車載激光通信端機采用5路獨立光學鏡頭實現光的發射和接收[4]，如圖2所示，通信發射鏡頭實現將激光器發出的光準直和擴束；通信接收鏡頭接收對方發射過來的調制光并耦合到探測器靶面上；信標發射鏡頭實現信標光激光器發出的光準直和擴束；信標接收鏡頭接收對方發射過來的信標光并耦合到CCD靶面上；觀靶鏡頭與觀靶相機實現對目標觀測，用于激光通信鏈路輔助建立。5路獨立鏡頭設計降低了分光難度，同時減少了各路光學鏡頭內部干擾，各接收鏡頭采用窄帶濾光片濾除背景光干擾。

圖2 車載激光通信光學原理圖

2.2 系統組成

車載激光通信系統由兩臺或多臺激光通信機構成。為實現運動條件下光軸精確對準和高速信息收發，要求車載激光通信機具有高精度跟瞄功能和激光信息收發功能，分別由捕獲、對準、跟蹤（APT）分系統和通信分系統實現，并在總控單元管理下協調工作。激光通信端機由穩瞄伺服轉臺、光學基臺和電子箱三部分組成。圖3所示是車載激光通信機的組成框圖。

圖3 仿真簡化模型

轉塔穩瞄伺服轉臺安裝在桅桿頂端，轉臺包括兩軸跟蹤架、電機驅動部件、角度檢測部件、兩軸陀螺、APT分系統等；光學基臺安裝于穩瞄伺服轉臺上，是穩瞄伺服轉臺的負載，包括信標光激光器、通信光激光器、APD探測器和CCD相機及其對應的光學單元；控制電子箱安裝于車內，主要包括系統總控單元、穩瞄控制單元、激光調制單元、接收解調單元、對外數據接口、系統電源等。

3 載激光通信機設計

3.1 主要參數

（1）通信波長

目前空間激光通信所采用的主要波段為800nm和1550nm。而由衍射極限公式可知，波長越長衍射極限角越大，相對天線口徑也就越大，考慮設計尺寸與遠距離通信，選用800nm波段比1550nm波段更有優勢；激光通信信道為大氣，而大氣的閃爍、吸收和散射對激光通信影響極大，其大氣吸收和散射衰減系數與波長有反比例關系；對于車載激光通信，平臺為動平臺，大氣影響相對靜平臺更大，而探測器靈敏度800nm波段高于1550nm波段（10dBm左右）；考慮大氣信道影響、探測器對于不同波段靈敏度和激光器等因素，最終決定信標光采用800nm波段，通信激光采用1550nm波段。

（2）通信光束散角

通信束散角小是激光通信的一大特點，為了減小自由空間損耗，可采用壓縮通信光束散角的方法，但束散角的壓縮又受到跟蹤精度影響，大束散角可大大減小對準誤差，但會減小接收功率密度，使得接收功率大大減小，而小束散角使得APT對準失配引起功率損失增大，使得接收功率不但沒有增大反而減小。

綜合考慮跟蹤精度和通信距離所允許的大氣損耗要求，本系統確定最佳通信光的束散角為1mrad。

（3）信標光束散角

為實現快速捕獲和連續精準跟蹤，所以，設計采取變束散角的設計方案，在快速捕獲階段，信標光束散角為50mrad，用來縮短捕獲時間，因為跟蹤階段需要更高能量，此時減小束散角實現連續精準跟蹤，此時，跟蹤信標光束散角為10mrad。

（4）接收光學口徑

在大氣激光通信中，由衍射極限公式可知，口徑越大，衍射極限角越小，同時，接收功率也相對更大；另外對于動平臺，轉臺的體積重量也有一定限制，所以，光學系統接收口徑不能太大；由于大氣信道中存在大氣湍流作用，而大氣湍流的影響與接收口徑成反比例，使得大氣引起的湍流閃爍效應得到抑制[5，6]。最終，確定通信接收光學口徑為Φ=90mm。

3.2 通信鏈路功率分析

根據能見度與大氣透過率公式：

其中，VM為能見度，λ0=0.55μm，q=1.3（經驗值），其不同能見度通信距離與透過率關系見圖4。

圖4 通信距離與透過率關系圖

根據發射功率和探測靈敏度關系公式：

其中，發散角θdiv=1mrad，接收口徑D=90mm，發射光學系統透過率ηot=0.95，接收光學系統透過率ηor=0.74，激光器能量Pt=500mW，大氣透過率為ηs，數值參考公式（1），對準損失，APD接收靈敏度=-42dBm。固定發射功率情況下，不同的能見度、通信距離和接收功率的關系如圖5。

圖5 不同能見度通信距離與接收功率關系

由于大氣湍流等因素影響，激光通信系統一般要至少留有3～4dB的安全裕量。由圖1可見，在能見度較好（20km）情況下，通信距離可達20km，而在能見度較差的情況下（5km），可以實現近距離（5km）通信。

3.3 分系統設計

（1）跟瞄伺服轉臺

跟瞄伺服轉臺外形采用“球形”結構，以獲得小的風阻系數。球體整體密封，可避免光學基臺受到風擾、砂塵及氣候環境的損害。跟瞄伺服轉臺安裝有方位、俯仰角位置傳感器和速率陀螺、直流力矩電機等元件，可實現方位、俯仰兩個自由度穩定和跟蹤功能，并提供當前瞄準線相對轉臺零位的角位置數據[7-9]。采用光纖陀螺測量桅桿擾動，與跟瞄轉臺構成穩定環，保持視軸在慣性空間中穩定。跟瞄轉臺如圖6所示。

圖6 跟瞄伺服轉臺

（2）光學基臺

光學基臺是光學單元的承載結構，除安裝五路光學鏡筒外，還安裝有陀螺儀、通信接收解碼板等單元。為了節省空間，減小重量，滿足基臺尺寸要求，通信發射鏡頭、通信接收鏡頭、信標接收鏡頭、信標發射鏡頭、觀靶鏡頭五路系統模塊化設計，每一個鏡頭為一個模塊，以通信光接收鏡頭光軸為基準，其余四路鏡頭單獨進行光學調整，使每路與通信光接收鏡頭光軸的平行度優于10″，滿足五路光學鏡頭光軸平行性要求。光學基臺如圖7所示，（a）、（b）分別為基臺右側和左側。

圖7 光學基臺結構圖

（3）通信單元

目前低速無線光通信（Gbps以下）常用IM/DD方式，通信發射模塊采用脈沖編碼調制的數字信號對半導體激光器進行強度調制，調制后經光放大器放大，在經過光學鏡頭整形擴束后發射，調制速150Mbps，輸出功率500mW，發散角1mrad。激光接收模塊經過接收光學鏡頭接收到對方發過來的通信光能量，匯聚到探測器上，通過對接收能量變化信號處理，實現通信號解碼，探測靈敏度-42dbm，探測器靶面0.8mm。通信光單元如圖8所示。

圖8 通信光單元框圖

（4）對外接口

為實現與外部設備連接和自身功能演示，設計了視頻、語音接口和通用網絡接口兩種對外數據接口。待傳送的視頻圖像、語音信號經數字編碼、數據復接后送至激光發射機，經大氣信道后由激光接收機接收，經圖像、語音信號數字解復用，還原為模擬視頻圖像信號和語音信號，制作語音圖像傳輸接口板并通過視頻監視器顯示，通用數據接口選RJ-45網絡接口，指標如表1所示。圖9為網絡接口及圖像處理板。

表1 網絡標準指標

圖9 網絡接口及圖像處理板

4 試驗

4.1 通信性能試驗

在室內采用變發射功率方法進行等效測試，不考慮大氣衰減條件下，等效通信距離15km時，激光器功率約為20mW，發射功率具有17dB裕量。發射功率裕量主要用于補償大氣湍流與衰減。受視軸通視限制，通信距離連續可變的地點是很難找到的，在試驗中，選擇具有代表性的幾個通信節點（5.7km、6.2km、10.4km、13.6km及15.6km）進行測試，先后進行了幾十次靜態激光通信誤碼率測試試驗。圖10（a）為試驗現場圖，在天氣條件良好的條件下（能見度優于20km），通信速率100Mbps，通信距離為15.6km時；通信光激光器發射功率為480mW，誤碼率為10-6，如圖10（b），激光器滿功率輸出，誤碼率改善不明顯，而減小發射功率誤碼率急速增加。

圖10 15.6km試驗

4.2 桅桿擺動對通信影響試驗

為驗證桅桿晃動對激光通信端機的性能的影響，將兩臺激光通信端機安裝在桅桿上，在保證視軸通視的前提下，改變通信距離，測試天氣條件、通信距離和桅桿晃動對激光通信系統的影響。利用GPS測得雙方的距離[10]，利用風速計測量環境風速，利用振動測試儀測量桅桿頂端即光端機安裝座處的振動情況，利用誤碼儀測量通信雙方的誤碼率，在4級風時，桅桿擺動測試曲線如圖11所示，（a）、（b）為桅桿方位方向時域和頻域圖，（c）、（d）為桅桿俯仰方向時域和頻域圖。

在跟蹤精度測試的同時，開展野外通信試驗，通信速率100Mbps，誤碼率均達到了優于10-6。進行雙向語音圖像傳輸試驗，圖像畫面清晰，語音效果好。圖12為語音圖像傳輸接收端試驗現場，（a）為接收端圖像，（b）為發射端圖像。

圖11 桅桿擺動特性

圖12 試驗現場圖像

5 結論

本文對車載無線激光通信技術的應用場景、基本原理、組成進行了分析，設計了車載激光通信原理試驗樣機并開展了試驗驗證，試驗表明，本車載激光通信試驗樣機能夠實現15km以內、100mbps的近地面激光通信，為軍事通信提供了一種可行手段。