对潜激光通信

董科研，姜会林，佟首峰

(长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022)

潜艇具有隐蔽性好、突击力强、水下续航能力强和自给力强等优点，已经成为当代海军舰只中最有战斗力的舰种之一，并且是一个国家战略核威慑力量的重要组成部分，各国军方相继研制和竞相发展核潜艇，以便在未来战争中保存遭受第1 次核打击之后的反击力量。但潜艇的特殊工作模式，使其长期处于信息匮乏的作战状态之下，突出表现在信息获取和观通能力有限。为了获取相应的作战信息，潜艇随时有可能暴露自己、导致作战任务失败，所以潜艇对外安全、高速通信是亟待解决的问题。

当前，国内外对潜通信的主要手段是甚低频通信和极低频通信。潜艇若依靠甚低频通信手段，其最大潜水深度一般不能超过45 m，通信数据率约为75 bit/min。与甚低频通信相比，虽然极低频通信对海水具有更大的穿透力，最大潜水深度可达180 m，但极低频对潜通信的数据率只有1 bit/min。显然，通信的有效性已受到极大的限制。与此同时，其基地发射天线系统庞大，要求的功率高，对周围环境电磁污染严重，战时易被摧毁［1-2］。

蓝绿激光对潜通信系统正是在上述背景下诞生的，波长为420 ～540 nm 的蓝绿激光对海水有较强的穿透能力［3］，20世纪80年代的多次试验表明，装载蓝绿激光发射器的飞机在数千米的高空，对水下300 m 深的潜艇通信是可能的;蓝绿激光对潜通信的数据传输率高，可达到每秒数千比特;采用蓝绿激光对潜通信可以免除笨重的拖曳天线，这就使潜艇的灵活性得到大大提高;同时蓝绿激光对潜通信具有波束宽度窄、方向性好、不受电磁以及核辐射影响等优点。所以激光对潜通信在抗干扰性和保密性方面是无线电通信无法比拟的。表1 为激光通信与其他对潜通信的比较，从中可以看出对潜激光通信的优势。

表1 对潜激光通信与其他对潜通信比较

1 发展历程及研究现状

国外开展对潜激光通信的研究工作主要体现在3 个阶段。

第1 阶段是在20 世纪60年代，主要研究海水信道特性、蓝绿激光在云层、海水中的传播特性;并建立了大气/海水光散射信道中传输的数学模型;20 世纪70年代，研究对潜激光通信的性能和方案设计。

第2 阶段是在20 世纪80年代，研制机载激光对潜通信系统，并进行演示验证，从机载单工通信向机载双工通信发展，同时开始星载激光通信系统的研究工作。从1978年至1992年，美俄等国进行了多次对潜激光通信演示试验，典型试验有:

1)1981年，在美国西海岸附近的加利福尼亚州圣地亚哥海域，在12 km 高空与水下300 m 深处的“海豚号”潜艇直接通信，而且昼夜效果都很好。同时伊利诺斯大学用激光与200 m 深处的潜艇通信也获得了成功。

2)1983年，前苏联在塞瓦斯托波尔将蓝绿激光发送到低地球轨道卫星(LEO)上的反射镜，然后转发给水下的导弹核潜艇，成功进行了地基发射星潜激光通信。

3)从1989年到1992年，美国制定了SLCSAT 计划，拟实现地球同步轨道卫星(GEO)对潜激光通信，并重点开展对潜激光通信系统及其关键技术研究，具体包括:①用激光收发机载模型验证双向通信能力;②评定潜艇上行链路低截获率的可行性;③研究先进的激光发射机，研制氯化氙和溴化汞等蓝绿激光器件;④验证新型窄带可调光学滤波技术。

第3 阶段，随着苏联解体和东西方冷战的结束，美国海军暂时中止星潜激光通信计划，但仍资助星潜激光通信系统总体和关键技术的研究。2005年美国APOGEN technologies公司启动了潜机数据交换和增强计划—SEADEEP，该计划旨在飞机和潜艇间开展高速激光通信。

国内开展此领域研究起步较晚，目前主要从事单元技术、系统理论、计算机仿真以及蓝绿激光水下传输实验等方面的研究。

武汉船舶通信研究所、北京大学、华中理工大学、大连大学、青岛海洋大学、长春理工大学、上海光机所、中电集团11所、桂林电子工业信息学院等单位分别在各自相关领域取得了阶段性研究成果。

2 星潜通信方案

星潜双向激光通信系统由下行链路和上行链路组成，其中下行链路为主要工作模式，用于向潜艇传输控制命令。利用蓝绿激光直接对潜艇通信;上行链路主要用于紧急报告、求救和必要应答命令，原则上尽量减少上行传输，以提高潜艇的安全性。

2.1 下行链路通信总体方案

当需要向潜艇发送控制命令时，可启动下行链路蓝绿激光通信。对于GEO 和LEO 平台，可以通过控制GEO 和LEO平台上通信光端机的功率及光束束散角的大小实现下行激光通信。此时潜艇按预案在水下隐蔽航行，卫星平台可预判潜艇的大概位置，然后再通过姿态测量，解算光束指向，进而从卫星平台发射束散角较窄的高峰值功率光脉冲光束，照射到海洋表面某一区域，并在驻留时间内发送信息，驻留时间由通信容量和通信速率决定;然后进行预定模式扫描，直到覆盖整个区域。激光束通过自由空间、大气、云层的扩束、功率衰减和脉冲展宽后作用到海面，连同天空背景光经过海面和不同深度与质量的海水衰减后，通过多口径、宽接收视场的潜艇光端机接收后，通过多元探测器分集接收，提高灵敏度，采用滤光片对海底荧光和残余天空背景光进行抑制，进而提高接收单元的信噪比。

2.2 上行链路通信总体方案

考虑到海水散射、吸收、光束通过海面后束散角的变化、云层的影响、器件发展水平等因素，潜艇对GEO 直接进行上行激光通信目前实现难度较大;潜艇对LEO 直接进行激光通信目前存在一定的可能性;而采用消耗性浮标平台为中继实现自由空间激光向上通信是很好的选择，但该系统使潜艇通信的成本迅速增加。为了在潜艇与卫星之间进行双向、双工全光通信，以系留光纤浮标平台为中继实现自由空间激光向上通信是可行的方案。

该方案将上行链路分为2 段，潜艇与漂浮平台间采用系留光纤实现信息传输，通过浮标平台实现与卫星间激光通信，进而实现上行全光、高速保密通信。当启动上行通信时，将漂浮平台释放，为了减小释放漂浮平台所产生的尾迹，采用滚动式光纤释放结构，尽量使漂浮平台处于准静止状态。因为上行通信数据容量小，传输速率快，所以上行通信一旦结束，就可以收回漂浮平台。图1 为星潜双向通信链路示意图。

图1 星潜双向通信链路示意图

图中GEO 和LEO 可直接向潜艇进行下行激光通信;通过系留光纤浮标平台可直接向LEO 和GEO 进行上行激光通信。

3 影响对潜激光通信的重要因素

3.1 卫星轨道

卫星轨道主要包括地球同步轨道和低地球轨道，GEO 卫星通信的特点:①覆盖区域较大;②卫星平台姿态较平稳，系统无需视轴稳定;③卫星位置可通过星历表预测;④易于实现高精度对准和跟踪。LEO 卫星通信的特点:①通信时间有选择性，仅能定时通信;②自由空间功率损耗相对较小。

3.2 通信波长

对潜激光通信波长主要受海水、原子滤光片和激光器自身等因素的影响:①海水吸收是激光功率衰减的主要因素之一，所以通信波长的选取应在光学透过率窗口420 ～540 nm;②原子滤光片对于强背景光具有抑制作用，但原子滤光片不能遍布整个波段区域，目前仅能实现几个有限的区域;③激光器的通信波长应在海水透过率窗口内，且与原子滤光片相匹配，满足高功率、高效率、高稳定性和长寿命性能的指标要求，目前可能用的激光波长为455 nm、490 nm、532 nm。

3.3 通信速率

通信速率的提高受信道特性、激光器重复频率、调制方式、编码方式以及云层和海水多向散射等因素的影响［4-6］，接收端接收到不同光程的信号，使接收的光信号在时间上产生展宽现象。而脉冲的展宽将使通信速率受到限制。对于云层，由STOTTS 表达式可知:经过云层后脉冲平均扩展达5 μs 左右，最大扩展值有时可达几十微秒。对于海水信道，垂直光束入射的附加脉冲宽度相对较小，但也有亚微秒量级。计算机仿真结果如图2 所示。

图2 云层厚度、光束角度对光脉冲时间扩展影响

3.4 信道功率衰减特性分析

对影响星潜激光通信的信道因素进行分析和仿真将为系统中关键器件的选取提供依据，如激光器的功率、波长、种类、探测单元的工作模式、探测器等。不仅如此，通过对链路功率进行分析，也为星潜激光通信系统的总体方案设计提供重要依据。

星潜激光通信链路信道主要考虑自由空间衰减，大气吸收、散射衰减，霾、雾、雨、云、雪的吸收和散射所引起的衰减，大气—海水介面衰减，海水衰减。

3.4.1 自由空间衰减

自由空间衰减不考虑各种吸收损耗，仅定义为接收端口径面积与激光光斑面积之比。假设海面的光斑直径为10 km左右，而接收光学系统的有效口径为1 m。则自由空间激光功率衰减约为80 dB。

3.4.2 大气信道吸收与散射衰减

激光在大气中传输，将产生大气吸收和散射引起的衰减效应，通过选择通信波长可以有效减小大气吸收影响，所以大气衰减效应主要由大气散射效应引起。大气散射引起的衰减与水平能见度有关，一般天气条件下衰减为1 ～9 dB。

3.4.3 云层衰减

对于下行通信链路，激光光束方位可覆盖云层较大面积，其等效光学厚度由式(1)给出:

其中:T 为云层的物理厚度;σc为云层的消光系数。光学厚度越厚，衰减越大。通常情况下云层引起的功率衰减为4 ～14 dB。

3.4.4 海水表面功率衰减

激光在海水/大气界面处产生复杂的反射与折射过程。界面能量的损失不仅与光束的入射角度有关，而且与气候条件(主要是海风)有关，当风速超过5 级后，将产生较大的衰减，在8 级风条件下衰减5.3 dB。

图3 海水泡沫及条纹决定的界面传输率和风速的关系

3.4.5 海水衰减

海水透过率表达式为

其中:ka为海水吸收衰减系数;kdR为海水瑞利散射系数;kdM为海水米耶散射系数;D 为海水深度;φ 为信道视轴角。对于Ⅲ级海水浅水区，对应的衰减系数为-0.56 dB/m。对于Ⅰ级海水，对应的衰减系数为-0.22 dB/m。图4 为Ⅱ级海水对532 nm 激光的功率衰减与潜艇深度、天顶角的关系。

图4 532 nm 激光在海水中衰减与海水质量、深度的关系

依据上述对影响对潜通信的重要因素的分析，在特定条件下对星潜激光通信系统下行链路的功率进行研究，分析结果如表2 所示。

表2 星潜激光通信系统下行链路功率分析

4 结束语

国防力量的发展，迫切需要突破对潜激光通信的相关技术，近些年来，相关器件的飞速发展、部分应用和工程研究日趋完善，使对潜激光通信的工程应用成为可能。本文提出了卫星对潜艇通信方案，并对影响对潜激光通信的主要因素进行了分析，经过技术状态调研，证明该方案是可行的。相信对潜激光通信技术的不断发展，必将提高潜艇的隐蔽性和攻击能力。

［1］董洪舟.蓝绿激光对潜通信技术［D］.长春:长春理工大学，2002.

［2］付天晖，王永斌.特低频对潜通信系统研究［J］.舰船电子工程，2006，156(6):31-34.

［3］王敏，刘维华.蓝绿激光通信的海水信道光学特性研究［J］.华东船舶工业学院学报，2005，19(1):59-62.

［4］詹恩奇，王宏远.光脉冲信号在海水中传输的多径效应研究［J］. 武汉理工大学学报，2007，31(4):637-640.

［5］梁波，朱海，陈卫标.大气到海洋激光通信信道仿真［J］.光学学报，2007，27(7):1166-1172.

［6］刘金涛，陈卫标.星载激光对水下目标通信可行性研究［J］.光学学报，2006，26(10):1441-1446.

［7］田厚义，刘翠海，刘中华.基于Simulink 的机载蓝绿激光对潜通信仿真［J］.四川兵工学报，2010(1):41-44.

［8］柯熙政，陈丹，答盼.16PSK 系统仿真及误码率性能分析［J］.激光杂志，2010(1):41-43.

［9］李萌，王中宇.无衍射激光通信模拟实验系统的设计与实现［J］.激光杂志，2009(2):59-61.