激光对潜通信的发展及存在的问题

周亚民++刘兵

摘要：分析了信息化条件下对潜通信的军事需求，介绍了激光对潜通信的优势，以及国内外激光在对潜通信研究领域的历程和进展，讨论了激光对潜通信目前在工程应用遇到了技术难点。

关键词：蓝绿激光 水下通信 光束传输

中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0036-01

1 引言

潜艇是现代化强国军事力量的重要组成部分，由于其具有极高的隐蔽性，可以在300～400m的深水中活动数月之久，是未来战争中重要作战力量。而对潜的通信能力是关系到潜艇能否正常发挥其作用的重大问题，因此，各国军方都十分注重对潜通信的研究[1]。

目前，对潜通信的主要手段为甚长波或超长波，但其在水下的穿透能力仅为几十米，且通信速率仅为每分钟几个比特，传送三个字母的报警信号就要花15分钟[2，3]。另外通信所需要使用几百米长的拖曳天线也极大影响航行的机动性，庞大的极低频发射设施要求的功率极高，且易在核战争中被毁。这些，都制约着电磁波通信方式在水下的发展应用。

在传输距离上具有明显优势的声波近年来逐渐被人们重视，声波在海水中却能传输几百公里，但声波的传播十分复杂，影响水声通信的物理因素也很多，表现为传播延迟长和延迟方差大、多途严重、浅海环境噪声强、多普勒频散严重等。由于声波的吸收大体上与频率的平方成正比，通信可用的带宽很窄。

可以说，这两种通信方式都已无法满足水下军事通信对作用距离和通信速率所提出的越来越高的要求。针对上述问题，上世纪70年代起，就有人开始提出开展水下激光通信研究，通过使用水下蓝绿波段激光通信，改变目前水下军事载体通信作用距离短，速率低的状况。

水下激光通信就是采用光波作为信息载体的一种通信方式，研究表明，波长为450～550nm的蓝绿光光波在水下的衰减远小于其他波长的光波。一定功率的蓝绿激光在海水中的穿透能力可达600m以上，其方向性好、工作频率高、通信频带宽、数据传输能力强，另外光信号不受电磁辐射和核辐射的影响，不易被敌人截获，并且相应的设备轻巧，故而隐蔽安全[4]。

由于水下蓝绿光通信具有以上优点，因此非常适合于各种重要的军事水下通信应用，它不仅可用于由其他载体发射对水下军事载体通信，还可用于水下军事载体之间的通信。此外，水下蓝绿光通信还可用于水下搜救、水下开采等重要的民用场合。

2 国内外水下激光通信的研究状况

由于水下蓝绿光通信应用潜力巨大，其发展受到世界各国的重视。上世纪70年代初，美国就开始利用海水的蓝绿光窗口为潜艇通信开辟新的途径，1971年美国成功研制出名为PLADS的机载系统， 1977年提出卫星—潜艇通信的可行性，1985年利用星载激光器与“海豚号”潜艇进行了通信试验，取得了良好的通信效果，1991年又进行了自制数据光中继实验，成功实现了飞机对潜双向通信，1993年后系统试验阶段相继转入系统改进和完善阶段。而在2000年喷气推进实验室JPL成功建立了一套高鲁棒APT子系统，2003年前后JPL开展了对脉位调制（PPM）接收技术的研究，提出了PPM接收机模型，对水下激光通信的实用化有着巨大的推进作用。

前苏联也曾积极研究蓝绿激光对潜通信系统。1983年曾在塞瓦斯托波耳附近进行空间转发实验，即把蓝绿激光束发射到空间轨道上的反射镜，然后再转发给水下的导弹潜艇。此外，英国、加拿大、法国等也先后研制出了各自的机载激光通信系统，并向星载激光通信系统发展。

国内在水下蓝绿激光通信的研究起步相对较晚，主要集中在基于水上发射系统的对潜通信方面，其中研究历史较长并取得较突出成绩的主要有华中科技大学、桂林电子工业学院以及中国船舶工业总公司所属研究所等。华中科技大学在“八五”期间承担国防预研重点项目“机载蓝绿激光探潜总体及单元技术”，研制出我国第一套机载激光探潜试验装置；桂林电子工业学院在“九五”期间承担国防预研项目“蓝绿激光双向对潜通信关键技术”，在海南省某地做了海水对通信深度影响的实验。相比于基于水上发射系统的对潜通信，关于水下军事载体之间光通信的实用系统的报道很少。

3 需要解决的主要问题

尽管水下激光通信具有极好的发展前景，但对于水下激光通信系统设计和工程化实现方面的研究，从目前的应用情况及发展来看，主要存在的问题以及技术难点在于三个方面：

（1）海水随机信道对激光传输的影响。海水是一种复杂的物理、化学、生物系统，它含有溶解质、悬浮体和各式各样的活有机体。激光传输过程中，必然会与这些粒子以及水分子本身相互作用，发生光吸收、光散射，从而产生和形成激光传输海水效应影响。这些效应具有随时间、空间变化的特点，且对不同光学系统的影响各不相同，在一定条件下，会严重阻碍系统正常设计性能的发挥。

（2）高精度、高概率、快速的光束对准。水下激光通信若要实现较长距离的通信要求，则必须使得发射光束尽量的窄，但对目标的捕获却是建立和维持水下激光通信链路的基本条件，所以在平台扰动及背景光干扰等影响下，满足和适应链路总体设计中对水下载体中接收机小型化、轻量化、低功耗的同时，实现高精度、高概率、快速的光束对准是目前实现水下光通信链路的关键之一。

（3）满足大容量、远距离传输条件下的大功率发射、高灵敏度接收技术。尽管光通信具有发射光束窄、能量密度集中的特点，但在远距离传输条件下，接收机探测接收到的光能量一般都比较弱，特别是经过海水信道传输后，受海水效应的影响，激光能量的损失可能非常严重，更重要的是，海水湍流效应严重影响了传输激光束的相干性，这对通信质量的影响十分严重。

由此可见，要实现水下激光通信链路工程化实施还有大量的研究工作需要继续进行。

参考文献

[1]赵长明.未来激光探潜和对潜通信技术的发展[J].光学技术，2001.

[2]江月明.对潜通信系统及其发展探讨[J].无线电工程，2003.

[3]夏维华.潜艇通信系统综述[J].计算机与网络，2002.

[4]王全喜.蓝绿激光在海军装备中的应用[J].现代舰船，1994.