激光對潛通信的發(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潛通信的軍事需求，介紹了激光對潛通信的優(yōu)勢，以及國內(nèi)外激光在對潛通信研究領(lǐng)域的歷程和進(jìn)展，討論了激光對潛通信目前在工程應(yīng)用遇到了技術(shù)難點。

關(guān)鍵詞：藍(lán)綠激光 水下通信 光束傳輸

中圖分類號：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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的深水中活動數(shù)月之久，是未來戰(zhàn)爭中重要作戰(zhàn)力量。而對潛的通信能力是關(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潛通信的研究[1]。

目前，對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比特，傳送三個字母的報警信號就要花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作用距離和通信速率所提出的越來越高的要求。針對上述問題，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，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”潛艇進(jìn)行了通信試驗，取得了良好的通信效果，1991年又進(jìn)行了自制數(shù)據(jù)光中繼實驗，成功實現(xiàn)了飛機(jī)對潛雙向通信，1993年后系統(tǒng)試驗階段相繼轉(zhuǎn)入系統(tǒng)改進(jìn)和完善階段。而在2000年噴氣推進(jìn)實驗室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，對水下激光通信的實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)實驗，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較晚，主要集中在基于水上發(fā)射系統(tǒng)的對潛通信方面，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)研重點項目“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通信深度影響的實驗。相比于基于水上發(fā)射系統(tǒng)的對潛通信，關(guān)于水下軍事載體之間光通信的實用系統(tǒng)的報道很少。

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，但對于水下激光通信系統(tǒng)設(shè)計和工程化實現(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)難點在于三個方面：

（1）海水隨機(jī)信道對激光傳輸?shù)挠绊?。海水是一種復(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)具有隨時間、空間變化的特點，且對不同光學(xué)系統(tǒng)的影響各不相同，在一定條件下，會嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)正常設(shè)計性能的發(fā)揮。

（2）高精度、高概率、快速的光束對準(zhǔn)。水下激光通信若要實現(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，所以在平臺擾動及背景光干擾等影響下，滿足和適應(yīng)鏈路總體設(shè)計中對水下載體中接收機(jī)小型化、輕量化、低功耗的同時，實現(xiàn)高精度、高概率、快速的光束對準(zhǔn)是目前實現(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，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，這對通信質(zhì)量的影響十分嚴(yán)重。

由此可見，要實現(xiàn)水下激光通信鏈路工程化實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.未來激光探潛和對潛通信技術(shù)的發(fā)展[J].光學(xué)技術(shù)，2001.

[2]江月明.對潛通信系統(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.