唐玉春，馮 杰，羅廣軍

（1.總參信息化部 駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林，541004；2.中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林，541004）

艦載動中通無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

唐玉春1，馮 杰1，羅廣軍2

（1.總參信息化部 駐桂林地區(qū)軍事代表室，廣西 桂林，541004；2.中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林，541004）

設(shè)計并實現(xiàn)了一種可以進行語音、數(shù)據(jù)以及實時圖像等信息傳輸?shù)呐炤d動中通無線光通信系統(tǒng)，進行了通信距離最遠8.5km、通信速率為155M b/s的船上搭載動中通模擬實驗。提出了一些海上無線光通信系統(tǒng)的發(fā)展建議。

艦載無線光通信；動中通；掃描捕獲跟蹤；伺服穩(wěn)定系統(tǒng)

0 引言

近年來常用的艦隊通信手段有旗語 （或信號燈）和無線電通信。但是，隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展，無線電通信必將面臨截獲偵聽、測向定位和全頻譜高密度電磁壓制等電子對抗作戰(zhàn)的嚴重威脅。同時，隨著艦艇編隊視頻會議、高清圖像實時傳輸?shù)却笕萘繑?shù)據(jù)傳輸需求的增加，旗語（或信號燈）無線電通信已經(jīng)難以滿足日益增長的帶寬需求。隨著激光技術(shù)與激光器件技術(shù)水平的發(fā)展與提高，無線光通信技術(shù)備受各軍事大國的青睞。無線光通信的傳輸媒介是紅外光波段的不可見光，載波在100THz以上,且沿直線傳播，光束極窄（mrad甚至μrad量級），難以被截獲，具有安全保密性強、抗干擾能力強和通信容量大等優(yōu)勢[1]，正好可以彌補現(xiàn)有艦艇之間通信手段的不足，為艦艇與艦艇間的信息傳輸提供了一種高效實時、高可靠性的無線保障手段，在現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭以信息戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)為特點的環(huán)境下,具有意義深遠的軍事應(yīng)用價值。目前國內(nèi)尚無裝備艦艇的無線光通信設(shè)備，因此，本文提出并實現(xiàn)一種可以進行語音、數(shù)據(jù)和實時圖像等信息傳輸?shù)呐炤d動中通無線光通信系統(tǒng)，能實現(xiàn)艦艇高速行進中的遠距離通信。

1 艦載動中通無線光通信系統(tǒng)的設(shè)計方案

艦載動中通無線光通信系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)流程圖如圖2所示，具體工作流程如下。

圖1 艦載無線光通信系統(tǒng)總體框圖

①粗對準。初始時，兩艦載無線光通信設(shè)備的光學(xué)天線并不是相互對準的，操作人員可利用已有的位置指示設(shè)備獲得通信對象所在方向，并利用艙內(nèi)監(jiān)控終端控制穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)朝位置指示設(shè)備指示的方向旋轉(zhuǎn)，使光學(xué)天線大致指向通信對象。

②掃描和捕獲。當本端光學(xué)天線大致指向遠端通信對象后，操作人員可利用艙內(nèi)監(jiān)控終端啟動穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)的小范圍掃描功能，使光學(xué)天線在一定范圍內(nèi)搜索遠端通信對象，直至遠端通信對象落入本端監(jiān)控視野內(nèi)。

③對準和跟蹤。當遠端通信對象落入本端監(jiān)控視野后，穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)會自動開啟自動跟蹤功能，使本端光學(xué)天線始終對準遠端通信對象。

④建立通信。當兩艦載無線光通信設(shè)備光學(xué)天線完全對準并相互跟蹤后便可利用無線光通信設(shè)備進行通信。

圖2 艦載無線光通信系統(tǒng)工作流程

2 通信系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的實現(xiàn)方式

根據(jù)艦載無線光通信系統(tǒng)特點，將整個系統(tǒng)劃分為3個子系統(tǒng)，分別為：艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)、無線光通信子系統(tǒng)、穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)，其組成框圖如圖3所示。

圖3 艦載無線光通信系統(tǒng)組成框圖

相比車載無線光通信系統(tǒng)，艦載動中通無線光通信系統(tǒng)最大的不同在于設(shè)計時需要針對海上艦船的振動和搖擺頻率等問題為其設(shè)計合適的穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)，并且為保證通信質(zhì)量，對跟蹤精度也要求極高。同時，針對海上的特殊環(huán)境，艦載動中通無線通信系統(tǒng)需要特別加強防鹽霧設(shè)計,可將其設(shè)計為分立系統(tǒng)，把與光學(xué)和穩(wěn)定/跟蹤無關(guān)的信號處理等工作全部放在艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)內(nèi)，以減少海上環(huán)境對系統(tǒng)的影響。下面介紹3個子系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。

2.1 艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)

艙內(nèi)監(jiān)控和通信子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。系統(tǒng)主要組由控制端機與監(jiān)視器、無線光通信端機和供電系統(tǒng)3部分組成。該系統(tǒng)的主要功能如下：①通過控制端機可人工控制穩(wěn)定/跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，并啟動小范圍掃描功能。②通過監(jiān)視器可觀察到遠端通信對象。③將語音、圖像及數(shù)據(jù)鏈業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纜傳輸給無線光通信子系統(tǒng)；接收由無線光通信子系傳輸來的光信號，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給各業(yè)務(wù)端機；將控制信號通過電纜傳輸給穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)。④為無線光通信子系統(tǒng)和穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)供電。

圖4 艙內(nèi)監(jiān)控與通信子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無線光通信子系統(tǒng)

無線光通信子系統(tǒng)主要有以下功能：信號光的準直、發(fā)射與接收，信標光的調(diào)制、準直、發(fā)射與接收。其主要組成部分如下：信號、信標收發(fā)光學(xué)天線；信標光、信號光光纖準直器；信號光接收探測器和接收集束光纖；信標光發(fā)射激光器與調(diào)制器。

本文采用“3發(fā)2收”的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號光發(fā)射筒2個，信號光接收筒、信標光發(fā)射筒和接收筒各1個，信標與信號采用不同波長的光進行傳輸，降低了發(fā)射信號對接收信號的干擾。光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計之所以沒有采用收發(fā)合一的設(shè)計方案是因為收發(fā)合一的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試難度大，且可靠性低，不宜于在惡劣環(huán)境中使用。無線光通信子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 無線光通信子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的設(shè)計對信標光加以一定頻率的信號調(diào)制，利于信標光接收系統(tǒng)從背景光中選擇出信標光，完成對信標光的捕捉。對于信號光，發(fā)射機采用高功率摻鉺光纖放大器（EDFA），出射功率可達33dBm，發(fā)散角為0.1mard，探測器靈敏度為-35dBm，接收口徑為120mm，通信距離為30km，可得幾何損耗為-28dBm。因此，本系統(tǒng)容許的大氣損耗衰減系數(shù)為1.3dB/km，可以在除中霧和濃霧外的大部分天氣條件下應(yīng)用。

2.3 穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)

穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)是保證艦載無線光通信系統(tǒng)激光通信鏈路正常、可靠通信的重要保證系統(tǒng)，主要功能是保證光學(xué)天線之間的光束視軸能在一定精度要求條件下實現(xiàn)動態(tài)對準，其工作原理如圖6所示。該系統(tǒng)的具體功能如下：捕獲，由接收端確定發(fā)射光束的到達方向；瞄準，使發(fā)射機對準正確的方向；跟蹤，在通信期間，維持瞄準和跟蹤的任務(wù)。

圖6 穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)工作原理

穩(wěn)定/跟蹤子系統(tǒng)可以粗略地分為慣性穩(wěn)定系統(tǒng)和動態(tài)跟蹤系統(tǒng)兩大部分，主要由實時穩(wěn)定分系統(tǒng)、高速跟蹤分系統(tǒng)、光電探測分系統(tǒng)（CCD、四象限探測器及光學(xué)鏡頭）和減振裝置這4個分系統(tǒng)組成。

減振裝置的目的是將艦艇上的高頻振動（如艦艇馬達工作產(chǎn)生的高頻振動、風(fēng)力產(chǎn)生的高頻振動）隔離，并轉(zhuǎn)換成低頻振動。實時穩(wěn)定系統(tǒng)以慣性陀螺儀角振動傳感器為核心，實時感測艦艇產(chǎn)生的搖擺和部分振動等姿態(tài)變化，保證發(fā)射激光束在一定精度要求條件下能對準遠端通信對象。高速跟蹤平臺的設(shè)計目的是通過CCD和四象限探測器實時感測通信對象的信標光位置，并通過高速伺服電機實時修正本端天線指向，以保證艦載無線光通信系統(tǒng)光學(xué)天線時刻對準。通過以上“實時穩(wěn)定＋高速跟蹤”方式的聯(lián)合處理，艦載無線光通信系統(tǒng)將具有實時動態(tài)感測艦艇載體搖擺、振動等姿態(tài)變化的功能。同時，系統(tǒng)具有補償載體姿態(tài)變化引起的光束指向偏差功能，通過高速跟蹤處理，可以保證發(fā)射、接收激光束在一定精度要求下實現(xiàn)對準。

3 試驗結(jié)果和分析

為了驗證艦載動中通無線光通信系統(tǒng)的工作性能，我們于2013年8月在廣西桂林市青獅潭水庫進行了水上搭載動中通無線光通信實驗。設(shè)備一端位于車上固定，另一端搭載于船上并在青獅譚水庫巡游，通信距離為4.5～8.5km。實驗分3次進行，分別選擇了晴、雨、霧3種不同的天氣條件，每次試驗持續(xù)時間分別為6.5h、9h和26h，測試得到的情況如表1所示。

表1 艦載動中通無線光通信系統(tǒng)外場測試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，本系統(tǒng)的通信誤碼率在陰天最優(yōu)，其次是晴天、小雨和霧。這是因為晴天水面上會有較大的湍流，而水面上的小雨會產(chǎn)生微弱水霧，霧對激光吸收較大。由于條件有限，設(shè)備沒有進行艦載實驗，但我們通過三維搖擺臺模擬艦艇搖擺幅度和頻率進行了室內(nèi)模擬實驗和長時間船上模擬實驗。實驗結(jié)果可以證明艦載動中通無線光通信系統(tǒng)的伺服穩(wěn)定系統(tǒng)與掃描捕獲跟蹤系統(tǒng)能滿足大部分情況下的穩(wěn)定跟蹤，保障通信正常進行。

4 發(fā)展建議

基于無線光通信技術(shù)的特點，未來艦載無線光通信系統(tǒng)在艦艇編隊的通信保障中必將占據(jù)重要地位，目前國內(nèi)還沒有艦載無線光通信設(shè)備裝備艦艇，需加快發(fā)展進程。對此，本文提出以下幾點發(fā)展建議。

①發(fā)展點對點無線光通信鏈路技術(shù)，實現(xiàn)艦載機之間、艦載機與艦艇之間、艦艇與艦艇之間的信息傳輸，包括大容量（2.5～10Gb/s）短距離（10km）、長距離（50km）語音信息（19.2kb/s）傳輸[2,3]。同步發(fā)展水下藍綠光通信技術(shù)，采用藍綠光實現(xiàn)短距離（300～500m，5Mb/s）和大容量（500Mb/s，30m）水下光通信。

②通過空中平臺中繼,實現(xiàn)艦艇與岸、艦艇與艦艇之間的遠距離（200～1000km）大容量信息傳輸。目前美國利用飛行高度為8km的飛機實現(xiàn)了200km，10Gb/s的通信[4,5]，通過飛機中繼，可以實現(xiàn)1000km以上的大容量信息傳輸，平流層飛艇（飛行高度為18～25km）成熟后，可不需中繼直接建立1000km以上的通信聯(lián)絡(luò)，中繼實現(xiàn)幾千千米以上的通信。

③組建艦艇編隊無線光通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)艦艇編隊和艦載機之間的組網(wǎng)通信，為保障可用率，在前期技術(shù)不成熟的情況下，可考慮采用無線光/微波混合通信手段，進行優(yōu)勢互補。

④建立動態(tài)實時的陸海空天立體無線光通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)艦艇編隊、岸、空中平臺、水下潛艇和衛(wèi)星之間的實時高速組網(wǎng)通信，并兼容現(xiàn)有海軍無線電通信網(wǎng)絡(luò)和地面光纖通信網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種艦載動中通無線光通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。本文的設(shè)計為艦艇與艦艇之間的信息傳輸提供了一種實時高效、可靠性強且安全保密的無線通信保障手段。由于艦載動中通無線光通信系統(tǒng)要在隨參大氣信道中傳輸數(shù)據(jù)，需要通過艦艇搭載試驗等大量外場試驗來驗證其工作性能。因此，我們的下一步工作是進行實際的艦艇-艦艇通信試驗，并根據(jù)試驗采集的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的自動跟蹤與伺服穩(wěn)定系統(tǒng)進行修正。同時，我們還需對海上各種氣候條件下的大氣信道參數(shù)進行長期測量，為艦載動中通無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Design and experiment of shipborne wireless optical communication system with communication on the move

TANG Yu-chun1,FENG Jie1,LUO Guang-jun2
(1.Army Representation Office in Guilin of Informatization Department, Headquarters of the General Staff,Guilin Guangxi 541004,China; 2.The 34th Research Institute of CETC,Guilin Guangxi 541004，China)

The paper designs and implementations a shipborne wireless optical communication system with communication on the move,which can transmit voice,data and image,carries out the simulation experiment of shipborne wireless optical communication system with communication on the move,which availability distance is 8.5km,operates at 155Mb/s.The paper presents the suggestions for future maritime wireless optical communication development.

shipborne wireless optical communication,communication on the move,ATP,servo stabilized system

TN929.12

A

1002-5561（2016）04-0048-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.016

2014-09-18。

唐玉春（1972-），男，工程師，主要從事軍事光通信方面的工作。