舰载激光通信设备设计及试验研究

刘金标，徐林，马建军，安建欣，申永，刘学，蒋祖运，蒋相

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

0 引言

舰船现有的通信方式以射频、微波、卫星等为主，传统射频、微波通信因其发射和传输信道的分布特点，容易产生同频干扰及安全问题，且在复杂电磁环境容易受到磁场干扰，难以做到高效稳定通信；卫通、微波系统的带宽有限，无法满足现代复杂战场环境下业务的高质量的通信。利用空间光通信技术（FSO）通信容量大[1–2]、通信距离远[3]、安全、保密的优点，舰船之间可构建长距离高速通信链路，完成实时高速传输控制指令、监视和态势信息的任务。复杂的战场环境下，平台之间的通信质量直接决定了任务的成功与否，通信数据链路必将成为敌我双方电子侦察与干扰的重点，FSO 通信在发射和接收可见光时难以被敌方捕获和侦察识别，通信过程不易被破坏，信息不易被窃听，具备强抗干扰特性，能够帮助平台高效传输信息，从而提升战场环境下的任务执行能力和生存能力。

本文针对舰载激光通信的长距离应用场景和使用环境进行分析，介绍长距离舰载激光通信的关键技术，并进行方案设计和试验测试。

1 海面信道分析及参数设计

当激光在大气信道中传输时，由于大气中各种气体分子和微粒，如尘埃、烟、雨、雪和雾等的散射和吸收，激光能量随着传输距离的增大而减小[4 – 6]。FSO 系统在雾天因气溶胶的吸收和散射从而造成通信性能降低，对于大气衰减信道模型，雾天情况下激光信号衰减系数最大。雾有对流雾、平流雾两类，不同类型的雾会导致不同的衰减，与雾的微粒分布、尺寸以及位置有关。平流雾是暖空气运动到较冷的陆地或海洋表面附近形成的，是海面激光通信性能的主要影响因素。对于平流雾的分析，通常采用Naboulsi 模型。

Naboulsi 模型的平流雾衰减系数计算公式为：

其中：λ为波长，µm；V为能见度，km。

对于通信速率1000 Mb/s，通信距离30 km 的通信链路，指标参数及数据如表1 所示。

表1 信号激光链路预算表Tab.1 Budget table of signal laser link

图1 平流雾和对流雾对通信链路功率余量的影响分析Fig.1 Analysis of influence of advection fog and convection fog on the power margin of comuication link

2 设备组成及设计

2.1 设备组成

舰载激光通信设备主要由光学天线单元、通信单元、扫描捕获跟踪单元等部分组成。光学天线单元主要完成信号光、信标光的发射与接收；通信单元主要完成用户电信号与激光信号之间的相互转换、激光信号的放大、微弱激光信号的高灵敏度接收以及信道纠错编码等功能；伺服稳定跟踪单元完成两端设备的扫描、捕获、对准及稳定跟踪功能，具体组成如图2 所示。

图2 舰载激光通信设备组成图Fig.2 Composition diagram of shipborne laser communication equipment

2.2 单元设计

2.2.1 长距离激光通信设计

针对长距离通信需求，从通信、编解码及光学等方面进行高增益设计。在通信方面，采用高增益掺铒光纤放大器，出射功率达到38 dBm，接收端采用APD 探测器并设计多级放大电路，提升探测灵敏度。在编解码方面，选择高增益FEC 技术，提升信道的功率余量。在光学方面，高准直发射光路的发射角为0.5 mrad，采用150 mm 大口径接收光路提升接收天线增益。信号光发射和接收光路的设计图，如图3 所示。

图3 信号光收发光路设计Fig.3 Design of receiving and emitting signal light

图4 扫描捕获跟踪设计Fig.4 Design of scanning,acquisition and tracking

2.2.2 动平台扫描捕获跟踪设计

根据舰船平台的使用环境和关键特性，设计粗跟踪与精跟踪结合的扫描捕获跟踪流程，更好抑制舰船平台的多维运动、振动等对通信稳定性的影响。粗跟踪采用多闭环控制方案，具备启动平稳、无超调，工作带宽合理及轨迹规划合理等特点，采用高精度红外相机及亚像素处理算法，实现跟踪误差达±100 μrad；精跟踪采用二维振镜+高精度QD 探测器及卡尔曼滤波模块，实现光束的精密指向及跟踪，跟踪误差±30 μrad。

2.2.3 高精度视轴稳定设计

激光通信设备需要克服舰船的大幅度摆晃并保持视轴稳定，因此配置的伺服转台需要具备陀螺稳定功能。考虑激光通信对横滚轴向变化不敏感，在设计时只需考虑水平、俯仰2 个回转自由度的陀螺稳定万向框架，包括电机、位置传感器、速率陀螺等，主控模块包括控制驱动电路、接口电路和电源变换电路等。视轴稳定系统的伺服控制采用三闭环控制，如图5 所示。

图5 视轴稳定控制设计Fig.5 Design of LOS stabilization servo control

视轴稳定系统采用速率陀螺作为闭环控制系统的姿态误差传感器，检测稳定系统方位和俯仰轴由于角运动扰动产生的角误差，通过陀螺仪信号处理电路产生相应极性和线性比例的误差电压，经过数字滤波算法，控制器输出速度控制信号给速度控制器，在直流电机轴上产生反作用稳定力矩，从而实现稳定系统的扰动抑制、保持在惯性空间的相对稳定。通过设计将稳定系统闭环带宽提升到20 Hz，有效地抑制平台10 Hz 以下低频大幅摆晃的影响。

3 设备研制及试验

根据设计方案研制舰载激光通信设备。伺服转台和光学天线采用集成式密封设计，共同构成舰载激光通信设备；组合惯导、北斗天线和三角支架组成了设备的应用配置。

利用研制的舰载激光通信设备进行外场试验测试，通信速率1000 M 以太网信号，试验的设备及测试连接如图6 所示。以太网测试仪连接本端舰载激光通信设备的用户输入和输出端，远端的用户输入和用户输出互连，构建了整个链路的回环测试。

图6 舰载激光通信设备测试连接图Fig.6 Test connection diagram of shipborne laser communication equipment

表2 为试验天气情况及测试数据，总计进行了3 次海上试验，最远通信距离33.5 km（能见度15 km），最大接收光功率−31.3 dBm，受大气湍流的影响，设备采用100 μm 探测器的情况下，接收光功率抖动明显，丢包率1%，满足海上舰船间通信的需求。

表2 舰载激光通信设备外场测试情况Tab.2 Field test of shipborne laser communication equipment

4 结语

本文采用Naboulsi 模型进行基于海面信道的舰载激光通信参数设计及链路功率余量分析，介绍舰载长距离激光通信、动平台扫描捕获跟踪和高精度视轴稳定等关键技术及总体设计方案，利用研制的舰载激光通信设备搭载于舰船在海上进行了应用测试，实现了32 km，1 000 M 以太网数据的稳定传输。试验表明设备的各项性能参数符合设计要求，为在舰船上的实际应用提供了支撑。下一步，需要提升舰载激光通信设备通信的稳定性x 和易用性，并针对舰船组网应用进行深入研究。