艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

唐玉春，馮 杰，羅廣軍

（1.總參信息化部 駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林，541004；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林，541004）

艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

唐玉春1，馮 杰1，羅廣軍2

（1.總參信息化部 駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林，541004；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林，541004）

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可以進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)圖像等信息傳輸?shù)呐炤d動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)，進(jìn)行了通信距離最遠(yuǎn)8.5km、通信速率為155M b/s的船上搭載動(dòng)中通模擬實(shí)驗(yàn)。提出了一些海上無線光通信系統(tǒng)的發(fā)展建議。

艦載無線光通信；動(dòng)中通；掃描捕獲跟蹤；伺服穩(wěn)定系統(tǒng)

0 引言

近年來常用的艦隊(duì)通信手段有旗語 （或信號(hào)燈）和無線電通信。但是，隨著電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，無線電通信必將面臨截獲偵聽、測(cè)向定位和全頻譜高密度電磁壓制等電子對(duì)抗作戰(zhàn)的嚴(yán)重威脅。同時(shí)，隨著艦艇編隊(duì)視頻會(huì)議、高清圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)却笕萘繑?shù)據(jù)傳輸需求的增加，旗語（或信號(hào)燈）無線電通信已經(jīng)難以滿足日益增長(zhǎng)的帶寬需求。隨著激光技術(shù)與激光器件技術(shù)水平的發(fā)展與提高，無線光通信技術(shù)備受各軍事大國(guó)的青睞。無線光通信的傳輸媒介是紅外光波段的不可見光，載波在100THz以上,且沿直線傳播，光束極窄（mrad甚至μrad量級(jí)），難以被截獲，具有安全保密性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和通信容量大等優(yōu)勢(shì)[1]，正好可以彌補(bǔ)現(xiàn)有艦艇之間通信手段的不足，為艦艇與艦艇間的信息傳輸提供了一種高效實(shí)時(shí)、高可靠性的無線保障手段，在現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭(zhēng)以信息戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)為特點(diǎn)的環(huán)境下,具有意義深遠(yuǎn)的軍事應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)尚無裝備艦艇的無線光通信設(shè)備，因此，本文提出并實(shí)現(xiàn)一種可以進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)圖像等信息傳輸?shù)呐炤d動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)艦艇高速行進(jìn)中的遠(yuǎn)距離通信。

1 艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)流程圖如圖2所示，具體工作流程如下。

圖1 艦載無線光通信系統(tǒng)總體框圖

①粗對(duì)準(zhǔn)。初始時(shí)，兩艦載無線光通信設(shè)備的光學(xué)天線并不是相互對(duì)準(zhǔn)的，操作人員可利用已有的位置指示設(shè)備獲得通信對(duì)象所在方向，并利用艙內(nèi)監(jiān)控終端控制穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)朝位置指示設(shè)備指示的方向旋轉(zhuǎn)，使光學(xué)天線大致指向通信對(duì)象。

②掃描和捕獲。當(dāng)本端光學(xué)天線大致指向遠(yuǎn)端通信對(duì)象后，操作人員可利用艙內(nèi)監(jiān)控終端啟動(dòng)穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)的小范圍掃描功能，使光學(xué)天線在一定范圍內(nèi)搜索遠(yuǎn)端通信對(duì)象，直至遠(yuǎn)端通信對(duì)象落入本端監(jiān)控視野內(nèi)。

③對(duì)準(zhǔn)和跟蹤。當(dāng)遠(yuǎn)端通信對(duì)象落入本端監(jiān)控視野后，穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟自動(dòng)跟蹤功能，使本端光學(xué)天線始終對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)端通信對(duì)象。

④建立通信。當(dāng)兩艦載無線光通信設(shè)備光學(xué)天線完全對(duì)準(zhǔn)并相互跟蹤后便可利用無線光通信設(shè)備進(jìn)行通信。

圖2 艦載無線光通信系統(tǒng)工作流程

2 通信系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)艦載無線光通信系統(tǒng)特點(diǎn)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為3個(gè)子系統(tǒng)，分別為：艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)、無線光通信子系統(tǒng)、穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)，其組成框圖如圖3所示。

圖3 艦載無線光通信系統(tǒng)組成框圖

相比車載無線光通信系統(tǒng)，艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)最大的不同在于設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)海上艦船的振動(dòng)和搖擺頻率等問題為其設(shè)計(jì)合適的穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)，并且為保證通信質(zhì)量，對(duì)跟蹤精度也要求極高。同時(shí)，針對(duì)海上的特殊環(huán)境，艦載動(dòng)中通無線通信系統(tǒng)需要特別加強(qiáng)防鹽霧設(shè)計(jì),可將其設(shè)計(jì)為分立系統(tǒng)，把與光學(xué)和穩(wěn)定/跟蹤無關(guān)的信號(hào)處理等工作全部放在艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)內(nèi)，以減少海上環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響。下面介紹3個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。

2.1 艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)

艙內(nèi)監(jiān)控和通信子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。系統(tǒng)主要組由控制端機(jī)與監(jiān)視器、無線光通信端機(jī)和供電系統(tǒng)3部分組成。該系統(tǒng)的主要功能如下：①通過控制端機(jī)可人工控制穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，并啟動(dòng)小范圍掃描功能。②通過監(jiān)視器可觀察到遠(yuǎn)端通信對(duì)象。③將語音、圖像及數(shù)據(jù)鏈業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纜傳輸給無線光通信子系統(tǒng)；接收由無線光通信子系傳輸來的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸送給各業(yè)務(wù)端機(jī)；將控制信號(hào)通過電纜傳輸給穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)。④為無線光通信子系統(tǒng)和穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)供電。

圖4 艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無線光通信子系統(tǒng)

無線光通信子系統(tǒng)主要有以下功能：信號(hào)光的準(zhǔn)直、發(fā)射與接收，信標(biāo)光的調(diào)制、準(zhǔn)直、發(fā)射與接收。其主要組成部分如下：信號(hào)、信標(biāo)收發(fā)光學(xué)天線；信標(biāo)光、信號(hào)光光纖準(zhǔn)直器；信號(hào)光接收探測(cè)器和接收集束光纖；信標(biāo)光發(fā)射激光器與調(diào)制器。

本文采用“3發(fā)2收”的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號(hào)光發(fā)射筒2個(gè)，信號(hào)光接收筒、信標(biāo)光發(fā)射筒和接收筒各1個(gè)，信標(biāo)與信號(hào)采用不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行傳輸，降低了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之所以沒有采用收發(fā)合一的設(shè)計(jì)方案是因?yàn)槭瞻l(fā)合一的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試難度大，且可靠性低，不宜于在惡劣環(huán)境中使用。無線光通信子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 無線光通信子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)信標(biāo)光加以一定頻率的信號(hào)調(diào)制，利于信標(biāo)光接收系統(tǒng)從背景光中選擇出信標(biāo)光，完成對(duì)信標(biāo)光的捕捉。對(duì)于信號(hào)光，發(fā)射機(jī)采用高功率摻鉺光纖放大器（EDFA），出射功率可達(dá)33dBm，發(fā)散角為0.1mard，探測(cè)器靈敏度為-35dBm，接收口徑為120mm，通信距離為30km，可得幾何損耗為-28dBm。因此，本系統(tǒng)容許的大氣損耗衰減系數(shù)為1.3dB/km，可以在除中霧和濃霧外的大部分天氣條件下應(yīng)用。

2.3 穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)

穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)是保證艦載無線光通信系統(tǒng)激光通信鏈路正常、可靠通信的重要保證系統(tǒng)，主要功能是保證光學(xué)天線之間的光束視軸能在一定精度要求條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)，其工作原理如圖6所示。該系統(tǒng)的具體功能如下：捕獲，由接收端確定發(fā)射光束的到達(dá)方向；瞄準(zhǔn)，使發(fā)射機(jī)對(duì)準(zhǔn)正確的方向；跟蹤，在通信期間，維持瞄準(zhǔn)和跟蹤的任務(wù)。

圖6 穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)工作原理

穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)可以粗略地分為慣性穩(wěn)定系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)兩大部分，主要由實(shí)時(shí)穩(wěn)定分系統(tǒng)、高速跟蹤分系統(tǒng)、光電探測(cè)分系統(tǒng)（CCD、四象限探測(cè)器及光學(xué)鏡頭）和減振裝置這4個(gè)分系統(tǒng)組成。

減振裝置的目的是將艦艇上的高頻振動(dòng)（如艦艇馬達(dá)工作產(chǎn)生的高頻振動(dòng)、風(fēng)力產(chǎn)生的高頻振動(dòng)）隔離，并轉(zhuǎn)換成低頻振動(dòng)。實(shí)時(shí)穩(wěn)定系統(tǒng)以慣性陀螺儀角振動(dòng)傳感器為核心，實(shí)時(shí)感測(cè)艦艇產(chǎn)生的搖擺和部分振動(dòng)等姿態(tài)變化，保證發(fā)射激光束在一定精度要求條件下能對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)端通信對(duì)象。高速跟蹤平臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是通過CCD和四象限探測(cè)器實(shí)時(shí)感測(cè)通信對(duì)象的信標(biāo)光位置，并通過高速伺服電機(jī)實(shí)時(shí)修正本端天線指向，以保證艦載無線光通信系統(tǒng)光學(xué)天線時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)。通過以上“實(shí)時(shí)穩(wěn)定＋高速跟蹤”方式的聯(lián)合處理，艦載無線光通信系統(tǒng)將具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感測(cè)艦艇載體搖擺、振動(dòng)等姿態(tài)變化的功能。同時(shí)，系統(tǒng)具有補(bǔ)償載體姿態(tài)變化引起的光束指向偏差功能，通過高速跟蹤處理，可以保證發(fā)射、接收激光束在一定精度要求下實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的工作性能，我們于2013年8月在廣西桂林市青獅潭水庫進(jìn)行了水上搭載動(dòng)中通無線光通信實(shí)驗(yàn)。設(shè)備一端位于車上固定，另一端搭載于船上并在青獅譚水庫巡游，通信距離為4.5～8.5km。實(shí)驗(yàn)分3次進(jìn)行，分別選擇了晴、雨、霧3種不同的天氣條件，每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間分別為6.5h、9h和26h，測(cè)試得到的情況如表1所示。

表1 艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，本系統(tǒng)的通信誤碼率在陰天最優(yōu)，其次是晴天、小雨和霧。這是因?yàn)榍缣焖嫔蠒?huì)有較大的湍流，而水面上的小雨會(huì)產(chǎn)生微弱水霧，霧對(duì)激光吸收較大。由于條件有限，設(shè)備沒有進(jìn)行艦載實(shí)驗(yàn)，但我們通過三維搖擺臺(tái)模擬艦艇搖擺幅度和頻率進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間船上模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的伺服穩(wěn)定系統(tǒng)與掃描捕獲跟蹤系統(tǒng)能滿足大部分情況下的穩(wěn)定跟蹤，保障通信正常進(jìn)行。

4 發(fā)展建議

基于無線光通信技術(shù)的特點(diǎn)，未來艦載無線光通信系統(tǒng)在艦艇編隊(duì)的通信保障中必將占據(jù)重要地位，目前國(guó)內(nèi)還沒有艦載無線光通信設(shè)備裝備艦艇，需加快發(fā)展進(jìn)程。對(duì)此，本文提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議。

①發(fā)展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線光通信鏈路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)之間、艦載機(jī)與艦艇之間、艦艇與艦艇之間的信息傳輸，包括大容量（2.5～10Gb/s）短距離（10km）、長(zhǎng)距離（50km）語音信息（19.2kb/s）傳輸[2,3]。同步發(fā)展水下藍(lán)綠光通信技術(shù)，采用藍(lán)綠光實(shí)現(xiàn)短距離（300～500m，5Mb/s）和大容量（500Mb/s，30m）水下光通信。

②通過空中平臺(tái)中繼,實(shí)現(xiàn)艦艇與岸、艦艇與艦艇之間的遠(yuǎn)距離（200～1000km）大容量信息傳輸。目前美國(guó)利用飛行高度為8km的飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了200km，10Gb/s的通信[4,5]，通過飛機(jī)中繼，可以實(shí)現(xiàn)1000km以上的大容量信息傳輸，平流層飛艇（飛行高度為18～25km）成熟后，可不需中繼直接建立1000km以上的通信聯(lián)絡(luò)，中繼實(shí)現(xiàn)幾千千米以上的通信。

③組建艦艇編隊(duì)無線光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)和艦載機(jī)之間的組網(wǎng)通信，為保障可用率，在前期技術(shù)不成熟的情況下，可考慮采用無線光/微波混合通信手段，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

④建立動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的陸?？仗炝Ⅲw無線光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)、岸、空中平臺(tái)、水下潛艇和衛(wèi)星之間的實(shí)時(shí)高速組網(wǎng)通信，并兼容現(xiàn)有海軍無線電通信網(wǎng)絡(luò)和地面光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。本文的設(shè)計(jì)為艦艇與艦艇之間的信息傳輸提供了一種實(shí)時(shí)高效、可靠性強(qiáng)且安全保密的無線通信保障手段。由于艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)要在隨參大氣信道中傳輸數(shù)據(jù)，需要通過艦艇搭載試驗(yàn)等大量外場(chǎng)試驗(yàn)來驗(yàn)證其工作性能。因此，我們的下一步工作是進(jìn)行實(shí)際的艦艇-艦艇通信試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤與伺服穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行修正。同時(shí)，我們還需對(duì)海上各種氣候條件下的大氣信道參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量，為艦載動(dòng)中通無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Design and experiment of shipborne wireless optical communication system with communication on the move

TANG Yu-chun1,FENG Jie1,LUO Guang-jun2
(1.Army Representation Office in Guilin of Informatization Department, Headquarters of the General Staff,Guilin Guangxi 541004,China; 2.The 34th Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004，China)

The paper designs and implementations a shipborne wireless optical communication system with communication on the move,which can transmit voice,data and image,carries out the simulation experiment of shipborne wireless optical communication system with communication on the move,which availability distance is 8.5km,operates at 155Mb/s.The paper presents the suggestions for future maritime wireless optical communication development.

shipborne wireless optical communication,communication on the move,ATP,servo stabilized system

TN929.12

A

1002-5561（2016）04-0048-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.016

2014-09-18。

唐玉春（1972-），男，工程師，主要從事軍事光通信方面的工作。