無線光傳輸中繼技術(shù)的應(yīng)用研究

趙志鵬 許新勇 俸玉祥 徐維開

關(guān)鍵詞 無線光通信 聚焦對(duì)準(zhǔn) 北斗定位 路由交換

1無線光通信的發(fā)展現(xiàn)狀

無線光通信設(shè)備以激光作為信息載體、大氣作為傳輸媒介，具有通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、機(jī)動(dòng)性靈活等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)通信、臨時(shí)通信、復(fù)雜電磁環(huán)境通信、保密通信和不便鋪設(shè)光纜等多種場景[1] 。因此，將該設(shè)備以車載形式進(jìn)行應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)光纜網(wǎng)到陣地通信節(jié)點(diǎn)、陣地通信節(jié)點(diǎn)之間及通信車之間的信息傳輸。在無線電靜默、復(fù)雜電磁環(huán)境等場景下應(yīng)用無線光通信設(shè)備，可以提高通信節(jié)點(diǎn)間的抗毀性、機(jī)動(dòng)性、隱身性、自保性等。

無線光通信設(shè)備負(fù)責(zé)車輛平臺(tái)之間的無線光通信，包括無線光通信設(shè)備兩端以及配套附件。無線光通信設(shè)備主要由五個(gè)部分組成，如圖1 所示。

光學(xué)天線單元通過無線光發(fā)射、無線光接收、光路掃描定位跟蹤實(shí)現(xiàn)無線光信號(hào)的收發(fā)。其分為接收部分與發(fā)送部分： 發(fā)送部分可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線光信號(hào)及信號(hào)的增益放大功能;接收部分可以實(shí)現(xiàn)弱小無線激光信號(hào)的接收、增益大、信道編碼糾錯(cuò)、激光的驅(qū)動(dòng)功能。

伺服單元通過接收端伺服發(fā)送過來的經(jīng)緯度位置信息，按照接收位置信息進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)端目標(biāo)運(yùn)行軌跡慣性的穩(wěn)定[2] 。

掃描捕獲跟蹤單元可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)無線光傳輸設(shè)備的定位掃描、軌跡跟蹤、聚焦對(duì)準(zhǔn)、方向的穩(wěn)定，并確保收發(fā)光路穩(wěn)定可靠、精確對(duì)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)無線激光通信鏈路的互通。

在使用無線光通信設(shè)備的過程中存在兩大問題：受地形影響，無線光通信設(shè)備極易被樹木、山丘阻擋，使用范圍受限;受天氣、太陽光反射、溫濕度等影響，導(dǎo)致聚焦對(duì)準(zhǔn)困難、通信傳輸距離受限、通信傳輸信道不穩(wěn)定。而無線光傳輸中繼技術(shù)則可以有效解決上述問題[3] 。

2無線光傳輸中繼系統(tǒng)

無線光傳輸中繼設(shè)備由無人機(jī)進(jìn)行搭載，系統(tǒng)配備2 臺(tái)無線光傳輸設(shè)備、1 臺(tái)路由器、1 臺(tái)北斗設(shè)備。北斗設(shè)備具備定位、短消息發(fā)送功能，其將無線光傳輸中繼設(shè)備的位置信息發(fā)送給接收方，接收方收到位置信息后進(jìn)行掃描對(duì)準(zhǔn);路由器可以實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)無線光傳輸中繼設(shè)備的交數(shù)據(jù)換功能;無線光傳輸中繼設(shè)備用于收發(fā)兩端的無線光數(shù)據(jù)傳輸。無線光傳輸中繼系統(tǒng)如圖2 所示。

3無線光傳輸中繼系統(tǒng)的工作原理

3.1通信單元的基本原理

通信單元可以將業(yè)務(wù)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合大氣信道傳輸?shù)募す庑盘?hào)（工作原理如圖3 所示）：首先，光纜傳輸業(yè)務(wù)光信號(hào)給光學(xué)天線，再通過光模塊、光纖滑環(huán)、雙芯雙向光模塊、雙芯單向光模塊將信號(hào)傳送至FPGA 模塊。其次，F(xiàn)PGA 模塊的作用是進(jìn)行信號(hào)的編碼處理，以提高通信能力。再次，激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)的作用是將光數(shù)字信號(hào)加載到傳輸激光的載波上。而光功率放大器的作用則是將激光信號(hào)的功率進(jìn)行放大，使接收一側(cè)能收到足夠強(qiáng)的激光信號(hào)。此外，探測信號(hào)放大處理器的作用是將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)弱小電信號(hào)進(jìn)行放大處理，以便后續(xù)處理電路解調(diào)信號(hào)[4] 。

3.2伺服穩(wěn)定單元的基本原理

從設(shè)計(jì)上來看，伺服穩(wěn)定單元是采用慣性導(dǎo)航（高精度）器件作為閉環(huán)控制電路的誤差傳感器，其控制系統(tǒng)的工作原理如圖4 所示。

系統(tǒng)采用穩(wěn)定回路陀螺儀作為高精度慣性跟蹤元器件，它利用俯仰角誤差通過內(nèi)部電路產(chǎn)生相應(yīng)正負(fù)極和線性成比例的電壓差，該誤差電壓通過對(duì)應(yīng)的控制器在直流電機(jī)軸上產(chǎn)生作用，即穩(wěn)定力矩，確保系統(tǒng)在慣性空間上的穩(wěn)定性。

伺服反饋控制電路由慣導(dǎo)組件及配件形成控制環(huán)，并通過輸入電信號(hào)與角度位置信號(hào)比較產(chǎn)生偏差值，該偏壓電壓量作為位置環(huán)路輸入控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定、精確運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。

3.3北斗定位掃描捕獲跟蹤單元的基本原理

PAT 系統(tǒng)由初始定位系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、粗跟蹤系統(tǒng)、精跟蹤系統(tǒng)三部分組成。

3.3.1初始定位及掃描、捕獲

由于車載激光通信系統(tǒng)的通信距離遠(yuǎn)，因此不宜采用望遠(yuǎn)鏡對(duì)光學(xué)天線進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，而應(yīng)獲取自動(dòng)定位、互通定位信息，并采用自動(dòng)掃描、捕獲的方式使兩端天線相互聚焦對(duì)準(zhǔn)。如果掃描的不確定區(qū)域太大會(huì)影響系統(tǒng)的捕獲時(shí)間，造成通信保障不及時(shí)。因此，系統(tǒng)在進(jìn)行掃描之前應(yīng)提供相對(duì)準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)位置信息，以減小不確定掃描區(qū)域，從而縮短兩端天線的聚焦對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。

根據(jù)戰(zhàn)時(shí)電磁環(huán)境的復(fù)雜程度，初步考慮采用“北斗定位+小區(qū)域掃描、捕獲”方案。該方案利用北斗設(shè)備的鎖星定位技術(shù)，為對(duì)端提供極其準(zhǔn)確的位置信息，從而計(jì)算出無線激光天線的夾角，進(jìn)而通過伺服進(jìn)行掃描對(duì)準(zhǔn)。該方案大大降低了系統(tǒng)的掃描、聚焦對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。

3.3.2自動(dòng)跟蹤技術(shù)

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以對(duì)粗略對(duì)準(zhǔn)后的無線激光天線接收到的激光信號(hào)進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)在大視角區(qū)域內(nèi)捕獲對(duì)方方位的目標(biāo)，并對(duì)對(duì)方位置進(jìn)行粗跟蹤，然后通過自身調(diào)整使得目標(biāo)控制在高精度跟蹤范圍內(nèi)。該方式可以實(shí)現(xiàn)通信過程中始終保持精確對(duì)準(zhǔn)。精跟蹤工作原理如圖5所示。

目前，國內(nèi)的光電探測器主要有四象限探測器件（QD）及電荷耦合器件（CCD）。而QD 的位置探測精度較高，且可以使系統(tǒng)獲得極高的跟蹤精度，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信的可靠性。CCD 的探測靈敏度很高，系統(tǒng)可以獲得相對(duì)較高的捕獲概率和軌跡跟蹤概率[5] 。本方案采用的是CCD 探測粗跟蹤與四象限探測精跟蹤相結(jié)合的方式。

3.4路由器的工作原理

路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，其主要任務(wù)是接收來源于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)該數(shù)據(jù)包給出的地址建立網(wǎng)絡(luò);路由器存儲(chǔ)單元生成一張路由表，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)包給出的地址和路由表決定轉(zhuǎn)發(fā)的下一個(gè)目的地、路由路徑和最終的目的地。

路由器物理層的一個(gè)端口接收數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給鏈路層，鏈路層去掉封裝后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)IP 地址判斷是否需要送給本機(jī)———若需要送給本機(jī)則完成數(shù)據(jù)接收;若不需要送給本機(jī)則根據(jù)目的地與路由表將數(shù)據(jù)送給相應(yīng)的端口;若都不是則丟棄報(bào)文。路由器的工作原理如圖6 所示。

4仿真無線光傳輸中繼系統(tǒng)的應(yīng)用方式

仿真單組無線光傳輸中繼系統(tǒng)的應(yīng)用模式如圖7所示。

仿真單組無線光傳輸中繼系統(tǒng)的應(yīng)用模式如圖8所示。

通過華為中繼仿真軟件ensp 對(duì)以上兩種應(yīng)用場景進(jìn)行仿真測試表明：中繼方案切實(shí)可行。

5結(jié)論

無線光傳輸中繼系統(tǒng)通過無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行搭載，可以有效解決普通無線光傳輸設(shè)備受地勢低洼、山川樹林阻擋等問題;采用北斗定位掃描對(duì)焦技術(shù)，可以有效解決無線光傳輸設(shè)備手動(dòng)對(duì)焦難的問題;采用路由中繼技術(shù)并串聯(lián)使用多組無線光傳輸中繼系統(tǒng)，可以有效提升無線光傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x。