舰船激光通信核心技术分析

张国强（大连91550部队93分队，辽宁大连，116000）



舰船激光通信核心技术分析

张国强
（大连91550部队93分队，辽宁大连，116000）

摘要：文章首先针对激光通信的发展与特征展开分析，而后进一步对该领域中的核心技术加以讨论，对于深入了解舰船激光通信领域技术现状有着一定的积极价值。

关键词：舰船；激光；通信；技术

舰船通信体系，在舰船海上作业的过程中，对于其安全以及作业的有效实施发挥着至关重要的作用。而激光通信因其自身属性而在甫投入应用的时候，就吸引了众多视线，成为当然不让的舰船通信体系载体。

1 激光通信的发展与特征分析

世界环境中，对于激光通信的研究已经延续了数十年，并且已经形成了相对成熟的应用范例。其通信速率可以达到50Mbps，最大通信距离可以达到4km，而误码率则可以控制在10-5~10-6范围内。

对于舰船通信工作环境而言，激光通信技术的较大带宽以及相对而言更好的保密性，使其在该环境下有着良好的应用前景。而从抗干扰的角度看，虽然激光通信同样无法避免大气环境的影响，但是在电磁波抗干扰方面表现突出，信号传输也无需频段申请。

激光在舰船通信环境中的保密性尤其需要引起重点关注。对于激光而言，以其作为载波实现定向发射，会因为激光的光束发散角在毫弧度数量级，这样的误差使得信号在送达通信目标端的时候光斑直径只有几十米，因此中途被截获的可能性会大大缩小，从而提升其保密特征。而另一个不容忽视的特征则是强抗扰能力，在整个激光载波的传输过程中能够无需考虑外界强电磁影响，并且光束在空间交叉之后仍然可以继续保持原方向展开传输，不会影响到波束特征，这种抗干扰能力是其他载波无法实现的。最后，激光通信设备天线口径小，功耗和重量都极为有限，以大气作为传输介质即可展开工作，设备在物理层即可实现工作，因此完全可以轻易地将目前既有的通信系统进行集成，并且也能够面向未来诸多通信系统保持良好兼容。

虽然激光通信在舰船工作环境中具有颇多优势，但是并非没有不足之处。具体而言，首先，激光光束本身的精确特征决定其能够在军事领域实现更好的保密性，但是同时这种特征也决定了在传输的过程中必须实现精确对准。而在舰船航行的过程中，相对位置极难固定，船体摇摆无法避免，这对于舰船之间激光通信光束信号的有效捕获极为不利。针对此种情况，舰船之间的通信通常都会引入自动捕获以及跟瞄与指向技术，即ATP技术，唯有如此才能实现有效通信。另一个方面，虽然激光信号对于电磁干扰有着较强抵抗特征，但是却无法有效抵抗天气影响。海面环境中经常出现的大雾以及雨滴等，都能够对激光信号有所影响，甚至于海鸟也会成为提升通信系统误码率的重要影响因素。

2 舰船激光通信核心技术浅议

舰船激光通信系统本身以激光作为载体，大气作为传输通路，并且跟随舰船的运动而展开工作。在这样的通信体系之下，发送端通过对应的数据处理单元，将数据加载在激光载波之上，并且经过发射系统送达光学天线。同样的逆向过程在接收端展开工作，即先通过光学天线对空间中的光信号进行采集，而后经由光接收系统送达数据处理环节。在这样的体系之中，有两个方面的关键问题不容忽视，其一即大气影响，其二则是舰船本身的摆动，这两个方面的因素，给舰船激光通信体系带来了极为不利的影响，成为提升误码率的首要因素。

就大气效应而言，由于其承担着舰船激光通信的传输介质，因此大气的相关特征直接影响到通信体系的性能，并且考虑到海上大气环境恶劣，因此这一点在舰船通信环境中尤其突出。这其中，大气衰减和大气湍流是光通信面临的主要问题，前者是指大气对于光束的吸收作用而导致光信号能量减弱；而后者则是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化，而这种变化会进一步导致光束的弯曲等问题发生，造成接收端抖动。针对此种状况，常见的做法是不断针对大气信道模型展开完善，从而实现对光通路建设的优化。除此以外，长波红外无线激光通信技术的日趋成熟，也在实用环境中展现出了极强的生命力。

而对于舰船摆动而言，由于海浪复杂的变化情况，使得舰船运动无法有效预测。具体而言，舰船的摇摆和自身震动，都会造成光斑抖动和漂移问题的发生。在这一方面，需要PAT系统参与，实现对于通信光束的快速高精度跟瞄，确保整个通信保持良好状态。

指向采集和跟踪（PAT，Pointing Acquisition and Tracking）技术是舰船激光通信系统中不容忽视的重要组成部分。主要是考虑到激光通信需要近似形成点对点的通路，因此要

求发射的光束必须准确送达接收器表面，同时其光功率必须能够达到光检测器能够检测的水平，才能实现整个通信链路的形成。PAT系统负责将发散角压缩到毫弧度量级，从而确保系统的发射和接收两端能够精确对准；同时在发射端和接收端分别依据入射光的方向来进行调整，实现有效的瞄准和捕获，并且展开通信的动态调整。考虑到舰船在海中摆动幅度较大的特征，必然会造成光斑的漂移，因此链路的对准就成为可靠通信加以实现的必要前提，因此对于PAT系统的性能也对应提出了更高的要求。当前PAT性能提升，已经成为该领域研究的重点。

多变量控制系统（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）同样是舰船激光通信环境中的重要技术力量。此种技术本质是一种多光纤实现的用于克服大气不良影响的传输矫正技术，能够获取较高的信噪比并且对误码率实现有效控制的传输技术。MIMO的应用，主要是考虑到大气作为传输媒介，必然对激光通信产生影响，因此实际展开数据传输的时候，可以考虑将一组相互独立的光束进行叠加，并且发送到接收端，以实现对于接收信号光强起伏的平滑。采用此种技术能够减小单路激光的光功率，同时实现多路接收，增大接收端光信号的强度，也正是此种特征决定了误码率必然会呈现出下降趋势，通信质量因此得到保证。

最后，调制方式同样是在舰船激光通信领域中不容忽视的要点之一。FSO系统大多采用强度调制/直接检测（IM/DD）系统，与之对应的信号调制方式则包括开关键控调制（OOK，on-off keying）、数字脉冲间隔调制（DPIM，Digital Pulse Interval Modulation）、差分脉冲位置调制（DPPM，Differential Pulse Position Modulation）以及脉冲位置调制（PPM，Pulse Position Modulation）等。不同的调制方式会在应用环境中呈现出不同的工作特征，例如OOK因为其自身易于实现的特征而广泛应用在商业通信环境中，但是功率利用率偏低却成为其自身无法克服的问题。而PPM调制方式具有良好的功率特征，在误码率的控制方面也表现良好，但是带宽却因此受到限制，这些特征都决定了PPM调制方式是当前最适合近地无线光通信系统的调制方式。因此在实际工作过程中，必须依据情况进行选择，才能表现出良好效果。

3 结束语

激光通信技术在舰船工作领域中发挥着毋庸置疑的积极价值，但同时也应当注意到海上船体的运动特征，以及周遭大气环境特征对于激光通信的不利影响，必须加强对于此方面的重视，才能不断提出完善策略，推动舰船激光通信技术发展成熟。

参考文献

［1］杨乾远，郭军，莫海涛，等.大气激光通信的自动跟瞄技术探讨［J］.广西通信技术， 2009（2）

［2］汪亭玉，梁忠诚.船舶大气激光通信用模拟平台研究与实验［J］.船海工程， 2008， 37（6）

Analysis of the core technology of laser communication ship

Zhang Guoqiang
（unit 93， Dalian 91550， Dalian， Liaoning， 116000）

Abstract：Firstly， this paper aimed at the development and characteristics of laser communication launches the analysis， and further on the field in the core technology is discussed，for in-depth understanding of the ship to the field of laser communication technology status has a positive value.

Keywords：ship；laser；communication technology