基于激光潛艇通信的光信道綜述

張 瑋，劉 洋，徐 強(qiáng)

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710071)

激光通信是以大氣、其他介質(zhì)或自由空間為媒介，使載波激光傳輸有效信息的一種新型通信技術(shù)。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為宇宙空間、大氣、水下和光纖通信4類。隨著大氣激光通信和光纖通信的發(fā)展成熟，人類活動區(qū)域的擴(kuò)展，特別是軍事上的需求應(yīng)用，使得水下激光通信技術(shù)特別是激光對潛通信技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。

1963 年 S.A.Sullivan 和 S.Q.Duntely［1］等 人 發(fā)現(xiàn)，在海水中存在一個類似于大氣的透光窗口，海水對470～580 nm之間波長范圍內(nèi)藍(lán)綠光的衰減系數(shù)較小，這一發(fā)現(xiàn)解決了水下通信衰減嚴(yán)重的問題。采用藍(lán)綠激光通信，可以與全球海洋中活動的潛艇建立通信鏈路，通信時，潛艇可以不浮出水面而在巡航深度或更深的海水中，用自身殼體上的光學(xué)天線接收報文，完成信息傳遞，且不會影響潛艇的活動，也不會暴露目標(biāo)。藍(lán)綠激光對潛通信還具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、優(yōu)良的保密性和抗干擾性等優(yōu)點［2］。

藍(lán)綠激光對潛通訊系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)及信號檢測與處理系統(tǒng)、其他輔助系統(tǒng)等組成。其實現(xiàn)方式主要有3種途徑:陸基系統(tǒng)，天基系統(tǒng)和空基系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究方法

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

大氣和海水信道光學(xué)特性的研究在國外始于20世紀(jì)60年代后期，隨著藍(lán)綠光譜在大氣和海水傳輸窗口被發(fā)現(xiàn)而逐漸展開。G.N.Plass和GW.Kattawar從1968開始進(jìn)行光在大氣傳輸效應(yīng)的仿真和試驗分析。D.Arnush［3］研究了米氏粒子散射環(huán)境中的光輻射傳輸，在小角度散射假設(shè)下，得到了海水中傳輸光場的近似解析解。Sherman Kar［4］采用D.Arnush的解，進(jìn)行了上下行衛(wèi)星對潛通信中接收光能量的解析計算。H.T.Yura［5］分析了有限截面光束在水下的傳輸過程。Paul F.Schipp nick［6］建立了海水中光束傳播的唯象理論，把光場分成準(zhǔn)直部分和非準(zhǔn)直部分，得到了水下光場輻射能量分布的計算公式。Vladimir I.Haltrin［7］討論了一個參數(shù)分兩種范圍分析的H－G函數(shù)用于更好地表示海水散射相位函數(shù)。Howard R Gordon 和 Otis B Brown［8］計算了分層平坦的各向同質(zhì)海水的表觀及固有光學(xué)特性的關(guān)系。N.J.McCormick分析了海洋光學(xué)相位函數(shù)反變換方程。

梁波，朱海［9］等應(yīng)用蒙特卡羅方法模擬激光脈沖在大氣海洋信道中傳輸?shù)乃惴ê驮?。對激光脈沖受到云層的影響進(jìn)行數(shù)值仿真，云層厚度為300～500 m時，對水下激光脈沖的空間擴(kuò)展影響最大。對激光脈沖的時間展寬也進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同光場分布位置的激光脈沖的時間波形，分析了其不同的展寬機(jī)理。李小川［10］等以球形粒子的Mie散射理論、Stokes矢量法以及Mueller矩陣研究了海水的散射特性和散射中的退偏振度變化;并對藍(lán)綠激光在海水傳輸過程中的散射現(xiàn)象以及散射中的退偏度變化與海水深度的關(guān)系進(jìn)行了Monte Carlo模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著海水深度的增加，散射后的光斑半徑、退偏振度將逐漸增大。周亞民、劉啟忠等針對水下傳輸時由多重光散射引起的激光脈沖時域波形展寬問題，采用簡單的小角度近似方法進(jìn)行了分析。周田華［11］等基于幾何光學(xué)理論分析、三維海浪模擬和蒙特卡羅仿真，并輔以水池觀測實驗加以驗證，對水下向上傳輸激光束通過海氣界面的出射光場分布特性進(jìn)行了研究。

Edward A.Bucher［12］利用 Monte Carlo 方法定性計算了光通過云層的散射效應(yīng)，計算中假定云層是各向同性的，且云層均勻分布。結(jié)果表明光斑和傳輸路徑都會有較大的擴(kuò)展。王麗黎利用大氣湍流模型進(jìn)行激光在湍流信道中水平傳輸遠(yuǎn)場光斑的模擬仿真，和試驗測量光斑對比分析不同湍流、不同傳輸距離接收光斑的分布。鄧代竹，榮健仿真分析了大氣湍流效應(yīng)引起的大氣閃爍、光束彎曲、光束漂移、光束展寬等，說明大氣閃爍隨大氣湍流強(qiáng)度的變化關(guān)系。詹恩奇［13］分析了星載激光對潛通信系統(tǒng)的大氣和海水信道的組成結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，利用MonteCarfo方法模擬光子在地球大氣和不同海域海水中的傳輸過程。分析了不同條件下光信號在水下的能量分布、多徑時間擴(kuò)展等問題，討論大氣和海水信道對水下光信號接收性能的計算和信號調(diào)制方式的選擇等問題。首次綜合研究了地球大氣和海水對光信號的傳輸效應(yīng)問題，完成了水下光信號接收性能估算。

1.2 研究方法

研究光在多散射介質(zhì)中傳輸過程的方法，主要有分析法和數(shù)值模擬法(蒙特卡羅法)。由于傳輸介質(zhì)的復(fù)雜性和時變性，因此利用傳統(tǒng)分析法描述光在多散射介質(zhì)中的傳輸時，必須做大量簡化假設(shè)，而這些大量的簡化假設(shè)較大地影響了估計的結(jié)果;蒙特卡羅方法(Monte Carlo)，是一種區(qū)別與一般數(shù)值計算的方法，屬于實驗數(shù)學(xué)的一個分支，其本質(zhì)是利用隨機(jī)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計試驗，把得到的統(tǒng)計特征值作為待解問題的數(shù)值解。光子在海水中的散射過程是一種隨機(jī)運(yùn)動，它能夠用Monte Carlo方法正確地模擬。

Monte Carlo方法解題的3個主要步驟［8］:

(1)構(gòu)造或描述概率過程。

(2)實現(xiàn)從已知概率分布抽樣。

(3)建立各種估計量。

如圖1所示，蒙特卡羅模擬可以分為4個步驟，第一步是光子的隨機(jī)產(chǎn)生，第二步是光子的隨機(jī)遷移，第三步是光子的吸收與散射，第四步判定光子的是否終止。其中最為重要的步驟是光子終止的判定。

圖1 Monte Carlo模擬光子傳輸流程圖

Monte Carlo方法之所以應(yīng)用廣泛當(dāng)然有它自身的優(yōu)點:(1)易在計算機(jī)上實現(xiàn)，程序編寫簡單，能夠在所需的精度上求出結(jié)果。(2)能模擬各種不同情況下接收機(jī)與發(fā)射機(jī)特性、介質(zhì)邊界條件和散射特性。還可以考慮Mie散射、多次散射等的影響。(3)易計算反射光子和散射光子的平均光學(xué)路徑。但Monte Carlo方法存在的最大缺點是計算的時間過長，并且由于單個光子運(yùn)動的統(tǒng)計特性和物理模型精度的限制，就使得在給定的時間內(nèi)光子到達(dá)接收機(jī)的概率很小。因此為得到可靠的統(tǒng)計結(jié)果，需要對大量的光子軌跡進(jìn)行跟蹤。

散射相位函數(shù)的選取較大程度上決定了，利用Monte Carlo方法的計算精度與所費(fèi)計算時間。文獻(xiàn)［13］通過比較用于大氣和海水散射相位函數(shù)的各種近似表達(dá)式，將 Henyey–Greenstein函數(shù)和pcs(θ，g)函數(shù)的優(yōu)點相結(jié)合，提出了一種較合適的散射相位函數(shù)的近似方法。其中散射角 θ=arcos，散射相位函數(shù)pcs(θ，這樣，達(dá)到了既能直接得到介質(zhì)散射角又能確保相位函數(shù)精度的目的。

2 目前激光對潛通信的研究

一般水下激光通訊的實現(xiàn)方式主要有3種途徑:陸基系統(tǒng)、天基系統(tǒng)和空基系統(tǒng)。但無論采用哪種途徑，傳輸光路均要通過大氣、云層、海水界面和海水(或水加冰)等傳輸信道。

目前國內(nèi)外對下行信道的特性研究較多，但對上行信道特性研究較少，特別是對上行信道中的海－空界面的數(shù)值模擬、仿真研究少。因為激光通過海－空界面、空－海界面作上行和下行傳輸，并不是簡單的可逆關(guān)系，故必須對激光通過海－空界面、空－海界面的傳輸分別加以研究。故對激光水下通信上行信道特別是海－空界面的研究顯得比較重要，其對激光對潛通信的研究起到了舉足輕重的作用。

除大氣和海水信道外，海水界面也是激光通信信道的重要組成部分，對整個通信系統(tǒng)的性能有不可忽視的影響。激光束在信道中傳輸時，會受到海水界面的吸收、散射，也會發(fā)生折射效應(yīng)，使得光束能量衰減，傳播方向偏移等。光束在海水界面中傳輸比在大氣中傳輸要復(fù)雜得多，海水界面的吸收和散射對光的作用不同，，主要影響光束能量的衰減，對光束的擴(kuò)散影響不大;而散射作用是光束擴(kuò)散，在海面上形成的光斑變大，也造成光束的能量減少。目前這方面的研究也需要更進(jìn)一步。

3 結(jié)束語

本文通過激光對潛通信的研究背景、現(xiàn)狀、方法的分析，提出了研究激光對潛通信信道的必要性，特別是對激光上行信道以及海水－空氣界面的模擬仿真研究的重要性。

藍(lán)綠激光對潛通信系統(tǒng)雖然占有較大的優(yōu)越性，但也有缺點:氣象和海況條件對通信仍有較大影響。因此人們認(rèn)為解決對潛通信的最好辦法是實施全面通信手段，保證系統(tǒng)最大限度的可靠性。即將藍(lán)綠激光對潛通信系統(tǒng)和甚低頻、超低頻通信系統(tǒng)結(jié)合起來，相互補(bǔ)充，保障潛艇在不同條件下的通信聯(lián)絡(luò)。

因此，對潛通信的發(fā)展趨勢將是以藍(lán)綠激光通信系統(tǒng)為主，ELF、VLF系統(tǒng)為輔，兩種系統(tǒng)相輔相成，互為補(bǔ)充，從而能夠更好地完善對潛通信系統(tǒng)，提高潛艇的戰(zhàn)斗力和生存能力。

［1］ LEVIN J.The sea of light［M］.Second Edition.New York:New York Plume，1994.

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