舰船FSO系统最大通信距离研究

张 永，徐亚光，任 重，王赫男

（海军大连舰艇学院，大连 116018）

0 引 言

目前，舰船编队之间的信息传输为无线电方式，然而无线电通信的缺点是保密性差，即容易被敌方窃听、干扰和破坏，甚至己方无线电设备之间也会产生相互干扰。由于无线激光通信可免受电磁干扰的影响，能确保舰与舰通信的安全可靠和有效性，因此，自由空间光通信（FSO）得到了极大的重视与研究。文章将对FSO在舰艇上的应用做一定程度的研究，并利用OptiSystem光通信软件进行舰船间FSO系统设计与性能仿真分析，研究不同天气条件下的最大通信距离。

1 FSO系统原理

1.1 基本原理

自由空间光通信即激光通信，又称无线光通信，这是一种以激光为载波，以自由空间为传输介质的通信技术。FSO系统的一般模型包括3个基本部分：发射机、信道和接收机［1］，如图1所示。

图1 FSO系统原理框图

发射机主要由激光器、调制器和光学天线组成；接收机主要由光学天线、光电探测器和解调器组成。在发射部分，将待发送的信号调制到激光束上，并控制激光载波的某个参数，使它按电信号的规律变化。该调制的激光信号经过信息处理后由光学天线发射出去。接收是发射的逆过程，接收天线将接收到的已调制的激光信号送到光电探测器，转换成电信号，然后由解调设备恢复出原始信息。系统中的光学天线是由透镜构成的，发射透镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束，方便接收透镜调整方位并接收信号。接收透镜接收大面积的激光束，并聚成较小的光斑，起到恢复激光束截面的作用。

1.2 FSO关键技术

（1）捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术

舰船在航行过程中的相对位置会发生变化，海上颠簸也会带来相对位置的变化。为保持FSO系统的通信稳定性，高精度的ATP技术必不可少［2］。即在通信的同时，接收端检测接收信号的优劣情况，并且把结果数据传输给发射端，发射端自动调节对准方向，使发射、接收方向处于最佳对准方向。

（2）高功率光源技术

在FSO通信中，通信光源至关重要。它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量。在通信过程中需要大功率、低损耗光源，调制速率又要尽可能高。同时，光源的调制需要采用纠错技术，尽可能减少误码和突发误码。目前，主要采用800～860 nm波段和1 550 nm波段的光源［2］。

（3）精密收发天线技术

光学天线实际上就是光学望远镜，天线的型式根据具体情况可采用卡塞格伦型反射式天线或透射式天线。对于孔径较大的天线，可采用反射式天线，这有助于降低制造难度，提高其可靠性、减轻重量；而当天线孔径较小时，则选用透射式天线。一般FSO系统的天线孔径在几cm到30 cm之间［3］。

1.3 天气对FSO性能的影响

由于大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃、烟雾等，以及刮风下雨等气象变化，使部分光辐射能量被吸收而转变为其它形式的能量，部分能量被散射而偏离原来的传播方向。激光在大气中传播时，其能量衰减主要来自于大气分子的吸收与散射及大气气溶胶的散射。在不同气象条件下，空气中的微粒会对激光的传播形成不同的衰减。表1为各种典型天气下的大气衰减值。

2 FSO系统模型设计与性能仿真分析

2.1 系统模型的建立

图2为利用OptiSystem软件搭建的FSO系统仿真模型。图中系统采用了强度调制／直接检测（IM／DD）技术，并由掺铒光纤放大器（EDFA）放大后经FSO信道发送出去；接收端用雪崩二极管（APD）接收，将光信号转换为电信号，然后放大并经低通滤波器滤除噪声，得到接收信号。

表1 典型天气下的大气衰减［4］

图2 FSO系统仿真模型框图

2.2 仿真环境设定

在系统仿真中，基本的参数设置为：激光器发射功率30 dBm，发射激光波长1 550 nm，发射机的发光孔径5 cm，接收机的接收孔径20 cm，系统的信息传输速率2.5 Gbps。由于舰船编队在海上执行任务时，环境复杂多变，FSO系统的通信距离也随之变化，因此，本文通过FSO信道衰减参数的设置来模拟不同的天气条件，并通过分析误码率的变化来找到最大的通信距离。

2.3 仿真结果与分析

对通信的可靠性用信号的误码率来衡量。误码率越小，表明系统可靠性越好。图2的仿真系统接入了误码率（BER）分析仪，并且误码率分析仪具有眼图分析功能。这里主要利用系统的Q值与误码率来分析系统的传输性能。Q值为通信系统的品质因数，与信噪比相比，它更全面地表示了光通信系统信号传输质量的度量，误码率也可由Q值来表征。仿真结果如下：

（1）天气条件为小雨（FSO信道衰减值设为3 dB／km）的情况下，FSO系统的Q值与误码率及通信距离的关系如表2所示。

表2 小雨条件下的系统性能

（2）天气条件为小到中雨（衰减值为5 dB／km）的情况下，FSO系统的Q值与误码率及通信距离的关系如表3所示。

表3 中雨条件下的系统性能

（3）天气条件为暴雨／轻雾（衰减值为17 dB／km）的情况下，FSO系统的Q值与误码率及通信距离的关系如表4所示。

表4 暴雨条件下的系统性能

（4）天气条件为大暴雨／浓雾（衰减值为30 dB／km）的情况下，FSO系统的Q值与误码率及通信距离的关系如表5所示。

表5 大暴雨条件下的系统性能

由于光通信的速率很高，所以允许的误码率很低，一般为10－9，甚至在10－10以下，对应的Q值应大于6［1］。当Q值大于6，FSO信道衰减值为5 dB／km的情况下，系统发送端信号与接收端信号波形图以及性能眼图如图3～图5所示。

图3 FSO系统发送信号波形图

图4 FSO系统接收信号波形图

根据表2～表5的仿真结果，可确定在不同天气条件下舰船间FSO系统的最大通信距离，如表6所示。

表6 不同天气条件下FSO系统的最大传输距离

根据表6的结论，可知FSO系统在舰船间所能达到的最大传输距离：在小雨的天气下，舰船间最大通信距离可达到6.6 km，基本满足舰船编队间的正常通信距离；如果天气条件恶劣（大暴雨／浓雾），编队间距要求较远的话，应采用其他有效通信手段；而天气晴好的情况下（FSO信道衰减值小于3 d B／km），舰船编队采用FSO系统，通信距离一般可达到50 km以上。编队指挥员可根据编队的不同队形、编队间电磁兼容性、通信保密性等要求，确定是否采用FSO系统作为舰船编队间指令传递、数据传输等业务的通信方式。

图5 FSO系统性能眼图

3 结束语

分析研究了FSO系统的组成与关键技术，利用OptiSystem软件搭建了系统仿真模型，模拟不同天气条件下舰船编队间进行FSO通信的可行性，并通过大量的仿真数据，得到了在不同天气条件下舰船FSO系统的最大通信距离，为通信指挥员在海上通信时选择何种通信方式提供了一定的理论依据与数据支持。如果舰船编队采用合适的通信网络结构，并且舰船上安装高精度稳定平台的话，FSO系统应用于舰船编队的实用性将得到极大的提高［5］。由于FSO系统还具有组网灵活、保密性好、不受电磁干扰等优点，因此对海上舰船编队通信效能、电磁兼容性等能力的提高具有重要意义。

［1］张煦.无线光通信的应用前途［J］.光通信技术，2003（5）：1－2.

［2］吴重庆.光通信导论［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］马东堂，魏急波，庄钊文.空间激光通信及应用［J］.半导体光电，2003，24（2）：139－144.

［4］程刚，王红星.大气无线光通信调制性能分析［J］.中国电子研究科学院学报，2007，2（5）：485－489.

［5］张海勇，朱丽娟.海上编队通信网络系统效能分析［J］.火力与指挥控制，2004（2）：74－81.