张 巍

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室 葫芦岛 125004)

激光对潜通信技术的发展分析*

张 巍

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室 葫芦岛 125004)

激光对潜通信技术在现代战争中发挥着越来越重要的作用。文章介绍了国外激光对潜通信技术的发展历程以及装备的研制、改进情况,指出了在现代战争中发展激光对潜通信技术的优势和重要性,重点探讨了几种激光对潜通信技术的性能及其特点,最后论述了激光对潜通信技术的发展动向与分析。

水下目标识别; 发展分析

ClassNumberTN97

1 引言

潜艇的重要价值在于其隐蔽性和打击的高效性,隐蔽性是潜艇的生存前提,没有高隐蔽性,潜艇就是一个活靶子,极易受到敌方反潜舰和反潜机的攻击。相比较传统的对潜通信方式而言,激光对潜通信具有诸多优点。本文就激光对潜通信技术、发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 激光对潜通信技术

激光对潜通信可实现与下潜深度达300m的潜艇进行通信,通信速率快、效率高,且不影响潜艇的隐蔽性和机动性,是一种比较理想的对潜通信手段[2]。

2.1 激光对潜通信的主要优点

1)潜艇的安全深度大大提高。由于激光能穿透几千米的海水,甚至直至海洋深处。如0.4981μm的蓝绿光,在2km深度的海水中,其透光程度平均可达90%～95%。因此可以与水深几百米的潜艇进行通信,这样,潜艇不用上浮到接近海面的位置,就能与地面进行通信,大大提高了潜艇的安全深度,保证了潜艇具有良好的灵活性和隐蔽性。

2)频率高、耗能少。蓝绿激光通信时,工作频率在1012Hz～1014Hz,通信频带宽,信息传输能力很强。同时,海水和大气层对蓝绿光波能量损耗极小,使通信的准确性和可靠性增强。这样不仅提高了潜艇的生存能力,而且能够及时地协调潜艇与地面、海面和空中的作战行动。

3)安全性好。激光波束的宽度小,方向性好,抗截获、抗干扰、抗摧毁能力强,且不受电磁波及核辐射的影响,因此,潜艇在深海处就能够与地面进行通信,避免了敌方的测向、侦察和监视,更便于隐蔽作战企图。

2.2 激光对潜通信系统

激光对潜通信系统主要包括:陆基系统、空基系统、天基系统等[3]。

1)陆基系统。利用地面台站的大功率激光器发出强脉冲激光,直接经卫星上的反射镜光束反射至所需照射的海域,实现与水下潜艇的通信。

2)空基系统。空基系统也称机载激光对潜通信系统,机载激光对潜通信是将大功率激光器置于飞机上,飞机飞越预定海域时。激光束以一定形状的波束(如15km长,1km宽的矩形)扫过目标海域完成对水下潜艇的广播式通讯。

3)天基系统。这种系统把大功率激光器置于卫星上,地面通过电通信系统对星上设备实施控制和联络。

2.3 激光对潜通信接收机

在激光对潜通信系统中,光电探测器作为光电信号的转换装置与光路接收、光学滤波、前置放大电路、解调电路、信息接收终端等部分组成蓝绿激光对潜通信系统的接收分系统。接收系统框图如图1所示[4]。

图1 激光通信接收机系统框图

由于激光束在水中和云中的散射使得接收机接收到的光信号的到达角十分弥散,而且潜艇不知信号光束来自何方,这要求水下光接收机要有宽的视场以保证信号的可靠接收,而宽视场会增加背景噪声的干扰,考虑到背景噪声的光谱分布很宽,为了抑制背景噪声,又要求接收机是窄带滤光的。另外,在激光通信系统中,光接收机接收到的信号是十分微弱的,加上高背景噪声场的干扰,会使得信号淹没在噪声中,因此,蓝绿激光对潜通信需要灵敏度高、抗干扰能力强的光信号接收技术。

2.4 激光通信对光电探测器的主要技术指标

激光通信对光电探测器的主要技术指标:量子效率η;光谱响应特性;时间特性等[5]。

1)量子效率η。量子效率的定义为一个入射光子产生光电子的概率,或光阴极发射的光电子数与入射光子数的比值。量子效率影响着蓝绿激光通信的信噪比和光电转换装置的最小可检测光子数。量子效率越高,对提升光电转换装置的光探测能力越有利。

2)光谱响应特性。光阴极灵敏度即为某一波长下的光电倍增管光阴极发射出的光电子电流与该波长的入射光能量的比值。光电探测器的光阴极灵敏度随入射光的波长变化而改变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料,短波端则取决于入射窗材料。光电倍增管的光谱响应特性越好对提升光电转换装置的探测能力越有利。

3)时间特性。光电子从光阴极发射后到达阳极会有一个时间延迟。这个时同延迟称为渡越时间。由于各个光电子的渡越时间不同。因此还会存在渡越时间离散(TTS)。光电倍增管的时间特性通常用脉冲上升时间和脉冲响应宽度来表示。脉冲上升时间指脉冲幅度从10%上升到90%所需的时间。脉冲响应宽度指脉冲幅度为50%的两点之间的时间间隔。脉冲上升时间影响光电倍增管输出脉冲的幅值;脉冲响应宽度决定是否产生脉冲堆积效应。适合的光电探测器的脉冲上升时间一般在35ns左右。脉冲响应宽度一般在10ns～30ns。

3 发展动向

1)美国AOptix技术公司的激光通信系统项目飞行试验取得突破性进展。法国《航宇防务》2009年12月16日报道:超高带宽激光通信解决方案开发商——美国AOptix技术公司于2009年12月15日对外宣布,公司在位于纽约州罗马市的美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)完成该项目第二阶段的飞行试验,项目的资金是由位于弗吉尼亚州阿林顿的空军科学研究办公室提供[6]。

这次飞行测试执行的是增强空对地激光通信系统(Enhanced Air-to-Ground Lasercom System,EAGLS)项目的一部分,用于演示AOptix技术公司独特的能力,即在安装有R3.1激光终端的飞机和LCT-5地面固定激光终端之间沿着实时超高带宽通信方向进行瞄准、捕获和跟踪(Pointing,Acquisition,and Tracking,PAT)的能力。

AOptix技术公司在地平面之上大约12000英尺、倾斜距离超过100km的高空成功地进行了低功耗、视力无害、超高带宽的地对空自由空间光学(Free Space Optical,FSO)链接演示。它的覆盖范围超过31000km2,能够接收来自于两个不同飞机平台摄像机和千兆以太网的未经压缩的高分辨率视频,并且能够以2.5千兆位的多频道数据链进行单独的双向传输。AOptix技术公司还在自动时钟恢复(Automatic Clock Recovery,ACR)中演示了先进误差收集能力,以及为超高带宽FSO链接而特别开发的前向纠错(Forward Error Correction,FEC)能力。AOptix技术公司的激光通信产品可以使其在传播战场实时情报、监视和侦查信息时,不再受目前无线电频率网络数据率的限制。

2)美国国家航空航天局喷气推进实验室准备进行天地激光通信。美国《航空周刊》网站2012年8月20日报道:在资深人员都忙于好奇号探测火星之时,喷气推进实验室内一群20多岁年轻科学家和工程师正准备利用手上的资源演示验证太空到地面的激光通信。用具有商业现货的电子设备、国际太空站,以及SpaceX的“龙”货运舱[7]。

使用特高频链路下载来自火星的高分辨率图像的速度过慢,“用于激光通信科学的光学有效载荷”(Opals)项目正在尝试从太空利用激光通信,拓宽带宽。Opals项目预计持续三年。

Opals项目的试验是从太空站向位于怀特伍德的太空望远镜发送数据。主要目标是开发一套软件,实现以足够精度发射激光,传输10s长的测试视频,利用激光束传递数字信号。数据率30mbps～50mbps是“非常合适的”。试验者真正感兴趣的是演示验证指向与跟踪能力。

为了将成本限制在0.2亿美元之内,项目团队选用了商业现货的激光和电子设备面板,外加一个自定义配电板,这些仪器被密封在一个铝罐内,加压到一个大气,这样就无需使用具有太空资质的硬件。密封罐外部有一个双轴万向节,一个光学头,配有上行链路望远镜和下行链路激光瞄准仪。上行链路望远镜使用了许多尖端软件,捕捉来自怀特伍德的激光瞄准光束,密封罐内的激光将借助光纤缆绳和瞄准仪把测试视频反向送回到怀特伍德一个1m的望远镜接收器。

Opals团队将在2013年夏季借助SpaceX的“龙”货运舱,将试验台送到国际太空站,重227kg的有效载荷包括其上携带的标准的太空站“飞行可释放连接机构”(FRAM)非加压舱。

3)ITT Exelis公司为美国海军开发激光通信技术。法国《航宇防务》2012年9月11日报道:ITT Exelis公司与合作伙伴创新技术方案公司(Innovative Technical Solutions,NOVASOL)获得了美国海军及海军陆战队一份价值700万美元的合同,将为其开发一种激光通信系统[7]。

该项目由美国海军研究办公室和海军研究实验室牵头,两家公司将合作开发一种用于舰-舰、舰-岸和地-地通信任务的高带宽视距激光通信系统。按照合同,ITT公司负责系统工程、产品开发和生产,创新技术方案公司负责激光通信技术的设计和开发。下一步目标是开发可用于机动作战和特种作战的战术激光通信网络。

随着情报、监视与侦察任务变得越来越复杂,要求数据交换量更大,速度更快。能否及时为决策人员和作战人员提供ISR数据将决定任务成败。据ITT Exelis公司介绍,当前的作战任务需要实时传输海量数据,传输速度超过了每秒三千兆字节。激光通信技术与传统的射频传输不同,不存在占用通信带宽的问题,就如同在交通高峰期间享有专用车道,能够满足当前的海量数据传输需求。

在过去八年中,两家公司与海军研究办公室和海军研究实验室密切合作,逐步实现了高效费比、高可靠性激光通信技术。该团队在野外环境下,利用一套模拟海军陆战队通信网络演示了激光通信的近距离和远距离数据传输。此外,该团队还参加了海军的演习,增大了激光通信系统在恶劣天气条件下的数据收发距离。

4)美德联合开发用于无人机的空天激光通信技术。美国通用原子航空系统公司网站2012年9月12日报道:美国通用原子航空系统公司与德国特萨特空间通信公司9月12日宣布,将联合开发供无人机(UAV)使用的宽带、抗干扰、安全保密空天激光通信技术,作为现有的Ku波段和Ka波段数据链替换方案,以便在无人机与近地卫星等航天器之间建立高速激光通信链路[8]。

通用原子航空系统公司表示,新型传感器的引入和UAV使用的增多,将使近期内对UAV与地面之间通信带宽的需求增加,且超过现有射频通信系统的能力;激光通信有可能把数据率提高到现在的1000倍,能够为射频卫星通信提供下一代替换方案;特萨特空间通信公司通过参加美国与德国合作的项目,证实了利用激光数据链可实现数据率很高的空间-空间、空间-地面通信。

根据两家公司达成的协议,通用原子航空系统公司将申请美国政府部门的支持,以便进行一次光学激光子系统演示验证。特萨特空间通信公司将完成激光通信终端(LCT)的开发,并交付一套数据链控制器(用来对UAV与通信卫星之间的数据传输进行管理)。在完成研制工作之后,两家公司计划开展验证,确认UAV可以通过数据率达2.6吉字节每秒(2.6GBps)的激光通信上行链路与一个现成可用的低轨道航天器通信。后续的原型机工作将利用安装在一颗处于近地轨道的欧洲空间局“阿尔法星”上的LCT来验证宽带UAV-地面通信能力。

5)NASA激光通信系统创建空间数据传输新能力。美国《航天日报》网2013年10月24日报道:美国NASA近期对月球激光通信验证系统(LLCD)进行了试验,使用脉冲激光光束在月球和地球之间传送数据,传输距离为38.4万千米,下载速率破纪录达到622兆比特/秒(Mbps)。月球激光通信验证系统LLCD简介LLCD是NASA使用激光代替无线电进行双向通信的首个系统。该系统还验证了零错误的数据上传速率,数据以20兆比特/秒的速度从美国新墨西哥州的主地面站上传到环绕月球运行的航天器。LLCD项目经理称,该系统的目标是验证激光通信技术,从而在未来任务中得以使用[9]。

LLCD系统、飞行终端以及NASA白沙实验研究所的主地面终端,均由麻省理工学院林肯实验室研发。欧洲航天局操控的位于特纳利夫岛的地面站也将参与此次验证。LLCD搭载NASA的月球大气与粉尘环境探测器(LADEE),于9月从沃洛普斯飞行中心发射。LADEE是为期100天的无人自主任务,由NASA艾姆斯研究中心发起,并得到NASA科学任务理事会资助。宇航员曾在多次“阿波罗”任务期间在月球地平线观测到神秘光晕,LADEE任务将提供数据,帮助NASA确定是否是粉尘造成了该现象,还将探索月球大气层。艾姆斯研究中心设计、开发、建造、集成并测试LADEE,并管理该航天器的整体运行工作。

激光通信将成为空间通信新能力,NASA从探索太空开始一直依赖于无线电(RF)通信。然而,随着对更大数据容量需求的持续增加,无线电通信能力到达极限。激光通信将扩大通信能力,例如增强图像分辨率和从深空传输3D视频。NASA空间通信和导航(SCaN)负责人称,LLCD是建立下一代空间通信能力的第一步,该系统取得了良好的试验结果,新能力有望尽快得到应用。

NASA的长期计划LLCD是一个短期试验,是NASA长期项目“激光通信继电器试验”(LCRD)的先行项目。LCRD预计于2017年启动,是NASA“技术验证任务计划”的一部分。“技术验证任务计划”旨在开发能在严酷的太空中操作的横切技术。

4 发展分析

激光对潜通信技术的发展趋势:发展研究新激光光源、发射和接收天线、大气信道、组网及其他技术、保密通信等[10]。

1)发展研究新激光光源。光源的波长应选择在透过率良好的“大气窗口”。发射功率要考虑到人眼的安全。对于光源,除了要求输出光束质量好、工作频率高、出射光束窄以外,还要考虑激光器的输出功率稳定性、频率稳定性、光束方向稳定性和工作寿命等。因此有必要对新激光光源技术进行进一步研究。

2)发展研究发射和接收天线。发射和接收天线的效率都会对自由空间光通信系统的接收光功率产生重要影响。发射天线可以设计成接近衍射极限,尽管可以获得最小的光斑,但也给精确对准带来困难;为了接收更多的信号能量,接收天线的直径越大越好,同时也会增加系统的体积、重量和成本。

3)发展研究大气信道。对于大气对激光通信信号的干扰的分析,目前仅局限于大气的吸收和散射等,很少涉及到大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等问题,而这些因素都会影响接收端信号的信噪比,从而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽。因此,有必要在这方面做更深入详尽的分析,并提出解决以上问题的技术方案。

4)发展研究组网及其他技术。各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入激光通信,波分复用技术和光放大器技术已经应用于自由空间光通信。随着自由空间光通信技术的不断完善,由点对点系统向光网络系统发展是大势所趋。

5)发展研究保密通信。由于自由空间光通信信道的开放性,窃听信号而又不阻断光束的传播,也是可以做到的。所以深入研究自由空间光通信的保密方法和技术是十分必要的。

5 结语

随着激光对潜通信系统和现有的甚低频通信系统相互结合,相互补充,完善了对潜通信系统,保障了潜艇在不同条件下的通信联络。在未来现代化战争或局部海战争中,适时运用激光对潜通信技术,就能及时接收和发送各种作战指令,有效地对敌攻击和保护自身目标的安全[11]。

[1]裴楠楠,李大社,激光对潜通信[J].光电技术应用,2004(1):24-27.

[2]柳树要,何焰蓝.激光对潜通信原理及发展[J].现代物理知识,2005(5):19-21.

[3]曲晓慧,王红星.国内外对潜通信的发展厦现状[J].舰船论证参考,2004(2):19-24.

[4]杨正兴,梁玉军,张静,等.蓝绿激光对潜通信研究[J].光机电信息,2006(2):48-51.

[5]美国AOptix技术公司的激光通信系统项目飞行试验取得突破性进展[N].每日防务快讯,2009-12-22.

[6]美国国家航空航天局喷气推进实验室准备进行天地激光通信[N].每日防务快讯,2012-08-28.

[7]ITT Exelis公司为美海军研发激光通信系统[N].每日防务快讯,2013-09-17.

[8]美德联合开发用于无人机的空天激光通信技术[N].每日防务快讯,2012-09-20.

[9]NASA激光通信系统创建空间数据传输新能力[N].每日防务快讯,2013-10-30.

[10]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.

[11]江月明.对潜通信系统及其发展探讨[J].中国雷达,2003,33(9):51-52.

DevelopmentAnalysisofSubmarineLaserCommunicationTechnology

ZHANG Wei

(Navy Force Representative Bueau in Huludao 431 Factory, Huludao 125004)

The submarine laser communication technology plays more and more important roles in the war today. The process of development of the submarine laser communication technology abroad and equipments in all countries over the world and their modification are described. The technique performance and properties of several submarine laser communication technology seekers are analyzed; and development trend and analysis of the the submarine laser communication technology are discussed.

submarine laser communication, development analysis

2013年10月9日,

:2013年11月27日

张巍,男,工程师,研究方向:舰船监造。

TN97DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.002