艦船激光通信核心技術(shù)分析

張國(guó)強(qiáng)（大連91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧大連，116000）

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艦船激光通信核心技術(shù)分析

張國(guó)強(qiáng)
（大連91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧大連，116000）

摘要：文章首先針對(duì)激光通信的發(fā)展與特征展開分析，而后進(jìn)一步對(duì)該領(lǐng)域中的核心技術(shù)加以討論，對(duì)于深入了解艦船激光通信領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀有著一定的積極價(jià)值。

關(guān)鍵詞：艦船；激光；通信；技術(shù)

艦船通信體系，在艦船海上作業(yè)的過程中，對(duì)于其安全以及作業(yè)的有效實(shí)施發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而激光通信因其自身屬性而在甫投入應(yīng)用的時(shí)候，就吸引了眾多視線，成為當(dāng)然不讓的艦船通信體系載體。

1 激光通信的發(fā)展與特征分析

世界環(huán)境中，對(duì)于激光通信的研究已經(jīng)延續(xù)了數(shù)十年，并且已經(jīng)形成了相對(duì)成熟的應(yīng)用范例。其通信速率可以達(dá)到50Mbps，最大通信距離可以達(dá)到4km，而誤碼率則可以控制在10-5~10-6范圍內(nèi)。

對(duì)于艦船通信工作環(huán)境而言，激光通信技術(shù)的較大帶寬以及相對(duì)而言更好的保密性，使其在該環(huán)境下有著良好的應(yīng)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(huán)境的影響，但是在電磁波抗干擾方面表現(xiàn)突出，信號(hào)傳輸也無需頻段申請(qǐng)。

激光在艦船通信環(huán)境中的保密性尤其需要引起重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于激光而言，以其作為載波實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射，會(huì)因?yàn)榧す獾墓馐l(fā)散角在毫弧度數(shù)量級(jí)，這樣的誤差使得信號(hào)在送達(dá)通信目標(biāo)端的時(shí)候光斑直徑只有幾十米，因此中途被截獲的可能性會(huì)大大縮小，從而提升其保密特征。而另一個(gè)不容忽視的特征則是強(qiáng)抗擾能力，在整個(gè)激光載波的傳輸過程中能夠無需考慮外界強(qiáng)電磁影響，并且光束在空間交叉之后仍然可以繼續(xù)保持原方向展開傳輸，不會(huì)影響到波束特征，這種抗干擾能力是其他載波無法實(shí)現(xiàn)的。最后，激光通信設(shè)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(zhì)即可展開工作，設(shè)備在物理層即可實(shí)現(xiàn)工作，因此完全可以輕易地將目前既有的通信系統(tǒng)進(jìn)行集成，并且也能夠面向未來諸多通信系統(tǒng)保持良好兼容。

雖然激光通信在艦船工作環(huán)境中具有頗多優(yōu)勢(shì)，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(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更好的保密性，但是同時(shí)這種特征也決定了在傳輸?shù)倪^程中必須實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)。而在艦船航行的過程中，相對(duì)位置極難固定，船體搖擺無法避免，這對(duì)于艦船之間激光通信光束信號(hào)的有效捕獲極為不利。針對(duì)此種情況，艦船之間的通信通常都會(huì)引入自動(dòng)捕獲以及跟瞄與指向技術(shù)，即ATP技術(shù)，唯有如此才能實(shí)現(xiàn)有效通信。另一個(gè)方面，雖然激光信號(hào)對(duì)于電磁干擾有著較強(qiáng)抵抗特征，但是卻無法有效抵抗天氣影響。海面環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的大霧以及雨滴等，都能夠?qū)す庑盘?hào)有所影響，甚至于海鳥也會(huì)成為提升通信系統(tǒng)誤碼率的重要影響因素。

2 艦船激光通信核心技術(shù)淺議

艦船激光通信系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)而展開工作。在這樣的通信體系之下，發(fā)送端通過對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理單元，將數(shù)據(jù)加載在激光載波之上，并且經(jīng)過發(fā)射系統(tǒng)送達(dá)光學(xué)天線。同樣的逆向過程在接收端展開工作，即先通過光學(xué)天線對(duì)空間中的光信號(hào)進(jìn)行采集，而后經(jīng)由光接收系統(tǒng)送達(dá)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。在這樣的體系之中，有兩個(gè)方面的關(guān)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(dòng)，這兩個(gè)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(yīng)而言，由于其承擔(dān)著艦船激光通信的傳輸介質(zhì)，因此大氣的相關(guān)特征直接影響到通信體系的性能，并且考慮到海上大氣環(huán)境惡劣，因此這一點(diǎn)在艦船通信環(huán)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(duì)于光束的吸收作用而導(dǎo)致光信號(hào)能量減弱；而后者則是指大氣中局部溫度、壓力的隨機(jī)變化而帶來的折射率的隨機(jī)變化，而這種變化會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致光束的彎曲等問題發(fā)生，造成接收端抖動(dòng)。針對(duì)此種狀況，常見的做法是不斷針對(duì)大氣信道模型展開完善，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光通路建設(shè)的優(yōu)化。除此以外，長(zhǎng)波紅外無線激光通信技術(shù)的日趨成熟，也在實(shí)用環(huán)境中展現(xiàn)出了極強(qiáng)的生命力。

而對(duì)于艦船擺動(dòng)而言，由于海浪復(fù)雜的變化情況，使得艦船運(yùn)動(dòng)無法有效預(yù)測(cè)。具體而言，艦船的搖擺和自身震動(dòng)，都會(huì)造成光斑抖動(dòng)和漂移問題的發(fā)生。在這一方面，需要PAT系統(tǒng)參與，實(shí)現(xiàn)對(duì)于通信光束的快速高精度跟瞄，確保整個(gè)通信保持良好狀態(tài)。

指向采集和跟蹤（PAT，Pointing Acquisition and Tracking）技術(shù)是艦船激光通信系統(tǒng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通路，因此要

求發(fā)射的光束必須準(zhǔn)確送達(dá)接收器表面，同時(shí)其光功率必須能夠達(dá)到光檢測(cè)器能夠檢測(cè)的水平，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信鏈路的形成。PAT系統(tǒng)負(fù)責(zé)將發(fā)散角壓縮到毫弧度量級(jí)，從而確保系統(tǒng)的發(fā)射和接收兩端能夠精確對(duì)準(zhǔn)；同時(shí)在發(fā)射端和接收端分別依據(jù)入射光的方向來進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有效的瞄準(zhǔn)和捕獲，并且展開通信的動(dòng)態(tài)調(diào)整。考慮到艦船在海中擺動(dòng)幅度較大的特征，必然會(huì)造成光斑的漂移，因此鏈路的對(duì)準(zhǔn)就成為可靠通信加以實(shí)現(xiàn)的必要前提，因此對(duì)于PAT系統(tǒng)的性能也對(duì)應(yīng)提出了更高的要求。當(dāng)前PAT性能提升，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

多變量控制系統(tǒng)（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）同樣是艦船激光通信環(huán)境中的重要技術(shù)力量。此種技術(shù)本質(zhì)是一種多光纖實(shí)現(xiàn)的用于克服大氣不良影響的傳輸矯正技術(shù)，能夠獲取較高的信噪比并且對(duì)誤碼率實(shí)現(xiàn)有效控制的傳輸技術(shù)。MIMO的應(yīng)用，主要是考慮到大氣作為傳輸媒介，必然對(duì)激光通信產(chǎn)生影響，因此實(shí)際展開數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，可以考慮將一組相互獨(dú)立的光束進(jìn)行疊加，并且發(fā)送到接收端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于接收信號(hào)光強(qiáng)起伏的平滑。采用此種技術(shù)能夠減小單路激光的光功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路接收，增大接收端光信號(hào)的強(qiáng)度，也正是此種特征決定了誤碼率必然會(huì)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，通信質(zhì)量因此得到保證。

最后，調(diào)制方式同樣是在艦船激光通信領(lǐng)域中不容忽視的要點(diǎn)之一。FSO系統(tǒng)大多采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)，與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)制方式則包括開關(guān)鍵控調(diào)制（OOK，on-off keying）、數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（DPIM，Digital Pulse Interval Modulation）、差分脈沖位置調(diào)制（DPPM，Differential Pulse Position Modulation）以及脈沖位置調(diào)制（PPM，Pulse Position Modulation）等。不同的調(diào)制方式會(huì)在應(yīng)用環(huán)境中呈現(xiàn)出不同的工作特征，例如OOK因?yàn)槠渥陨硪子趯?shí)現(xiàn)的特征而廣泛應(yīng)用在商業(yè)通信環(huán)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(diào)制方式具有良好的功率特征，在誤碼率的控制方面也表現(xiàn)良好，但是帶寬卻因此受到限制，這些特征都決定了PPM調(diào)制方式是當(dāng)前最適合近地?zé)o線光通信系統(tǒng)的調(diào)制方式。因此在實(shí)際工作過程中，必須依據(jù)情況進(jìn)行選擇，才能表現(xiàn)出良好效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

激光通信技術(shù)在艦船工作領(lǐng)域中發(fā)揮著毋庸置疑的積極價(jià)值，但同時(shí)也應(yīng)當(dāng)注意到海上船體的運(yùn)動(dòng)特征，以及周遭大氣環(huán)境特征對(duì)于激光通信的不利影響，必須加強(qiáng)對(duì)于此方面的重視，才能不斷提出完善策略，推動(dòng)艦船激光通信技術(shù)發(fā)展成熟。

參考文獻(xiàn)

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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