1.激光对潜通信的作用及前景
一
一．潜艇通信概述
潜艇主要工作于水下30~400m，带有核弹头的导弹核潜艇可在海水300~400m深度活动几个月因此，发展核潜艇具有极重要的战略意义。而潜艇航行深度及航速的快速发展．给通信带来巨大困难。随着通信技术的发展，干扰机在定位、识别等领域取得了重大突破。对潜艇来说，隐蔽性就是生命。如采用传统的超短波无线电对潜通信，潜艇应浮至近水面伸出天线对外收发电文、极易暴露目标。
图1示出了无线电渡、红外、可见光和紫外、x射线在海水中的衰减曲线。从图看出，频率低于1×103Hz的无线电超长波在海水中的衰减值小于ldB／m；频率约6×1014Hz的0．48m
μ蓝绿激光波长在海水中的衰减值小于1×10-2。dB／m。困此，岸对潜通信具有两个“窗口”，即超长波无线电通信窗El和0．48v．m的蓝绿激光波长窗口两者相比，0．48v．m的蓝绿激光波长为对潜通信的最佳窗El，即激光通信“窗口”。
激光对潜通信不仅具有超长波通信的全部优点，还具有传输速率高、信息容量大、：抗电磁和核辐射干扰，方向性强、体积小、隐蔽性好等超长波无法与之比拟的优点，能实现最复杂的通信系统。如地面通过卫星对潜实施激光通信，仅发射三颗卫星，先从地面用微波向卫星发送信息，再经卫星上的激光束向潜艇所在海域进行扫描传输信息，而不影响潜艇的战术机动，能对400m 以下深度、航运3O节以上的战略核潜艇实施全球海域的通信联网。
二、激光对潜通信的作用及前景
不同波长的光波穿透水的能力不同，经测量表明，无论在海水或纯水中，水下传输的有效光波长范围0．47～0.54m
μ的蓝绿可见光，称光波穿透海水的蓝绿光“窗口”，最佳波长为0．48m
μ。
经测量，蓝绿光在海水中的穿透深度可达600m，这一特性与极低频120～180m 比较，在海军对潜通信中具有极大的吸引力。美国海军一开始的基本设想和方案是：
(1)先从地面将报文用微波送至卫星，再由卫星上的蓝绿激光发到潜艇所在海域；
(2)由地面激光发射机以小于2O。发散角将报文发至轨道卫星的反射器上，再经微机控制反射器的方向，将激光反射到潜艇所在海域(反射器由上千块反射镜组成)，实现对深潜核潜艇的蓝绿激光通信。
根据上述方案，美国海军从1978年至1988年花了1O年时阃进行蓝绿激光通信试验，证明激光对潜通信切实可行。1989年到1 991年美国海军又完成了以下研究项目：①用激光收发机模型验证双向通信能力；②评定潜艇上行线路低截获率的可行性；③研究蓝绿激光发射机用XeCI和HgB~-等激光器件技术}④验证新型窄带可调光学滤光技术；⑤用航天飞机发射试验蓝绿激光通信能力}@用战术飞机对潜艇进行了蓝绿激光通信联网。到1991年美国海军完成了蓝绿激光对潜通信的大部分试验项目并实施了实战演习对潜通信的系统性综合试验。
除美国外，前苏联也在积撅研究蓝绿激光对潜通信。1 983年前苏联曾在黑海舰队的主要基地塞瓦斯托波尔进行空间反射试验，即把蓝绿激光发送到轨道反射镜，然后转发给水下导弹核潜艇。前苏联除了研究蓝绿激光直接对潜通信外，还在利用激光在水下产生声波实现飞机对潜近距离通信研究方面向前迈了一大步。
据报道，从1978年到1 988年1O年问，美国海军在激光对潜通信的研究费用花了1．2亿美元；1 989年到1 991年3年的研究试验用费为5630万美元；两项合计近1．8亿美元。目前技术已基本解决，主要研究有以下三方面：激光传输特性、激光器件特性和探测滤光器特性等。
1．蓝绿激光束传输特性
激光对潜通信，不管采用哪种方案，传输光路均要通过大气，云层和水(或水加冰)，激光在云层传输最为复杂。
(1)激光在大气中传输受水蒸汽、悬浮微粒、二氧化碳和臭氧分子的吸收和散射，在传输光路上按指数e～规律逐渐减弱(r为光学厚度)。激光在无云大气中蓝绿光的r值应为0．05～ 1．0，并与接收位置有关。高功率(或高能)激光在大气中传输，因受大气湍流和热效应影响会产生严重畸变，必须应用相干光学自适应技术来加以修正和补偿
(2)激光经云层传输因澄反射系数接近1，目前尚未建立起较满意的传输模型，认为无吸收，即在接收点测到的只是能量重新分布。因此云层将出现多重散射。要完全掌握云层对蓝绿激光的衰减规律，不仅需要了解辐射通量密度，更需要了解云层下端的辐射强度与时间的关系。云层对光束的衰减效应与以下因素有关；①光的传输特陛和光束在空间的发散特性；②中心光路与多重前向散射光路和多光路发散之间的过渡区特性；③多光路延迟和几何延迟；④不均匀云层对不均匀边界的影响；
⑤有限横向云层边缘的衰减特性；⑥无云空间(蓝色天空)瑞利散射的影响；⑦入射角对光束的影响；⑥光从云层反射出来按一定角度发散刊海空交界面的特性。其中最复杂的是激励云层对蓝绿激光束的瞬间特性和发散特性。如采用卫星对潜通信方案，云层中的多光路延迟、角度和空间发散特性是极其重要的因素。
美国海军海洋系统中心分别对0．96km 和2．4kin 两个距离用蓝绿激光穿透浓雾传输光信息做了多次试验，建立飞机对潜光通信系统。试验中发射机采用倍频Nd YAG固体激光器及调Q技术，光波长为0．532~tm；接收机采用两部：一部用窄视场接收，一部用可变视场接收并测量了以下数据：①传输损耗与光路延迟和视场角(半角2～1 6。)的关系；②传输光路的光学厚度；③散射源与视场角的关系。试验中测量了如图2所示的能量传输三个区域。
a．在光学厚度0< f< 13范围内散射光很弱，衰减指数为4．34dB／f且无瞬间角发散，可视为直射或不反射的光束。
b．在光学厚度l3< r< 32范围内为中等散射，衰减指数很小，仅2riB／r，脉宽小于150ns且能量集中在2。以内。主要呈前向散射，且空间、角度和瞬发散均很小，对潜艇接收有利。
c．在光学厚度r> 32条件下，直射光和前向散射光均已耗尽，空间、角度和瞬发均较大，不呈指数衰减规律。此时，接收的能量以发散型多重散射光为主。光经云层传输除了散射衰减以外，还存在少量反射损耗。经测量结果表明，北大西洋海域的反射损耗大于10dB仅占测量时间的10℅；云层对激光脉冲展宽一般小于50ns，大于50ns的测量时间仅占10 且不降低接收功率(或能量)。但出现背景噪声时将影响探测。
此外，考虑通信时发射光束将在较大范围内扫描，如光束中心的扫描范围为半功率点宽度，则应留3dB功率余量，补偿最大角度的瞄准损耗。但卫星通信扫描的相对误差很小。
激光在水下的传输光路为多重散射。水对光的衰减主要是水分子和浮游生物的散射，其次是水的吸收效应。而水的吸收随水深、离岸远近、海上浮游生物的聚集程度及局部流动而变化。在浑浊海水中的吸收系数为0．1～0．3／m，有时达0、8～1．0／m，而在蓝色海水中韵吸
收系数仅为0、02／m。而散射系数约为吸收系数的1．5倍。
经单光路和多光路两传输模式能近似算出水下接收机从光源探测到的总光功率如下；
(1)单光路传输即假设全部光功率均通过收发光路且光功率在发散角内近似为均匀发散。由散射引起的光发散可以假定为一固定值“度／（水深）
m”。当光束照射于海面的光斑直径远远大于接收深度时，接收机从光源探测到的总光功率为：
式中，Po为海面接收光带内的功率密度(W／rn )；r为发射机天顶角(束散角)；a
为水的吸收系数；为潜艇接收机的水下深度；A为接收面积。
而
式中，f 为接收机规场角；D 为光束发散角且q 一2 {1一cosl-(sz0z／~cosrW~])；为水的散射系数(1lm)；0 为水的散射角均方值r
(2)多光路传输是接收机偏离主光路即收发不在同一光路上。计算这种传输模式时，假设光束横截面上或光的传输方向上的入射辐射强度分布均为高斯分布先由实验测出散射系效，然后近似计算出光在水中的传输系数。
(3)根据上述两种传输模式近似算出水对光的损耗与发射机天顶角的关系如图3所示
从图中可以看出，当天顶角鞍小时，两种传输模式算出的损耗一致；当激光射入水中以前经云层时，光源呈发散型(受不同方向天顶角影响)，这种发散光在水中的损耗比光源直射于水中的损耗太3～6倍。
由于散射效应，水对光脉冲展宽50～15(~ns与云层对光的延迟相比可忽略不计。
通过实验证明：用光径为3cm、衰减长度6．66傲接收试验。当接收口径为217cm 时，能接收的光能量为总能量的20 ；接收口径为340cm 时为总能量的50 ；接收口径为589cm时为总能量的80 。实验中还可看出，光束中心附近的辐射通量最强。
2．蓝绿激光器件特性
蓝绿激光器是光对潜通信用发送和传输信息的器件，其品种和类型见表1。早期对潜通信试验用的器件几乎都是固体Nd t YAG，发射波长1．064~m。用K’DP 晶体倍颇后转换为0．532~m的蓝绿光。该器件波长属水下传输“窗口。用硅探测器探测时，其灵敏度和系统响应度较高。因此，当时应用它做试验时仅加改进便能
用来探测水下潜艇。这种器件的优点是结构紧凑、轻便、技术成熟；缺点是氙灯的寿命短，经改进后仅数千小时，加上倍鞭晶体承受的功率有限，最太平均功率仅lOW，转换效率仅l℅。
8O年代初，激光对潜通信用的XeCI准分子激光器同世，输出波长为0．308／~m的紫外光，用铅蒸汽经喇曼转换后输出0．459／~m的蓝光。这种光波长系对潜光通信用的最佳传输“窗口”，输出功率较大，平均功率大于20W ，叉有与之配套的原子共振滤光探测器。缺点是氯气对金属电板的侵蚀和铅蒸汽对石英片的腐蚀，影响器件和高温铅蒸汽室的寿命。此外，体积和重量较大，对星载(或机载)的实麓有困难。
另一受重视的蓝色激光器是HgBr。美国西北数学科学公司于1980年开始研制，采用50kV低压X射线预电离方案，80年代中期制成长Im、激活区4cm×5cm激光器，脉冲输出能量为1．8J、效率为1．4 。该器件不需频移发射0．502~0．504~tm的可调激光波长。但存在卤素溴对电板的腐蚀，寿命仍未得到解决。
近3O年来，美国采用蓝绿激光对潜通信的研究和试验，得出星载对潜通信用的激光器应具有以下技术特性：
波长{0．48土0．03／~m；效率：大于1℅；脉宽：2O～1000ns；脉冲能量：1．O～10J；重复频率：1OO～1000Hz；寿命：大于10000h．
据报道，激光对潜通信用的蓝绿激光器技术，预计本世纪9O年代中期将走向实用阶段。
3．探测滤光器特性
潜艇接收机甩的关键器件是光探测滤光器。早期用的滤光器是用光活性晶体切片排成阵列的显馓片组。1976年和1977经研究钾、铷和铯蒸汽原子共振跃迁才发现量子限光共振探测器(QL0RD)，满足滤光器的探测要求。窄带原子共振滤光景謦的研究是针对数倍于信号之强的太阳光背景和海水微生物使激光引入强噪声等因素开始的。这种滤光器的吸收谱线根窄(1 m)且Q值很高，可大大降低背景噪声。此外还可大立体角接收，从理论上可达180。，同时接收效率极高，量子转换效率可达6O ，因而大大降低了蓝绿激光的发射功率，增加了海水的通信深度。它的工作原理是激光先进入蓝色滤光片，然后激励铯原子共振，只有共振频率的光才使铯原子产生共
振发出红外波长的光，再经红外滤光片到光电倍增管阵列。据报
道，装有这种探测滤光器的潜艇可以在净水700m深度或蓝绿激光经云层后，在净水570m深度接收光信号。
因此，1 984年发现的铯原子共振探测滤光器(ARF)是在量子限光共振探测器的基础上发展而来的。器件工作原理相同，不同点是蓝色滤光器制成了平晶元件，提高了红外滤光器的精度，消除了红外光子损耗。再经平晶元件“积分球体”特性展宽了视场。由于发现了ARF器件，整个潜艇蓝绿激光通信计划的实施比原计划提前5年左右，将于本世纪9o年代中期达到实用水平 ]。
20年来美国潜艇用接收机探测滤光器的研究和试验表明接收机必须满足如下要求：
(1)为减少光通道内太阳光背景干扰，信号发射和接收的带宽必须很窄。
(2)因海水对蓝绿光能量的吸收为指数分布，接收机的灵敏度必须很高
(3)因光散射所占比例很高，在空间、角度和时间上展宽了激光脉宽，进入海水的光束即使距离很近也迅速展宽。而在潜艇航行的深度上要接收来自卫星的光束，其光信号的发散度相当宽。因此，要求接收机具备接收到达潜艇的全部光传输信号的能力。
三、发展趋势
潜艇通信是现代化全球性的海域、空域和陆地通信，保持陆地和潜艇之问不间断的通信联络是个至关重要的问鼯。冷战时期美苏硼个超级大国对全球海域争夺激烈；苏联解体后，美国企图独霸全球海域，发达国家则不相让，而发展中国家力争在海域中保持一定的地位。因此，发展潜艇通信技术具有重要的战略意义。目前潜艇通信仍以“两超为主的格局，即超长波岸对潜和超短波潜对岸通信。它们各有所长，可以相互补充，但不能相互取代。蓝绿激光通信是近20年来发展的新型通信技术。由于光带宽、信息传输容量大；抗电磁和核辐射干扰以及惊人的水下通信铎度，超长波无法与此比拟，大有取代之势。因此，潜艇通信的发展动向是：
1．未来对潜通信应采用的新技术
发展下一代三军共用的通信卫星[ ：这种通信卫星能适应战略和战术机动部队在核战时具有抗干扰的全球通信能力i通信方式可同时采用极高频(上行44GHz、下行20GHz)和毫米波潜对岸通信及蓝绿激光对潜通信。
采用多波束自动调零天线：这种天线的方向由星上波束成形网络控制，具有很强的抗干扰性。地面站天线可制成各种形状提高灵敏度，而对敌方干扰机方向自动调零，干扰信号无法进入天线和转发器通道。’
提高卫星自适应位置保持能力：卫星自适应位置保持的功能是一旦地面控制系统受破坏，星上的高精度星光传感器和计算机能在几个月内自动保持卫星的姿态和轨道位置，提高生存能力。但目前发展如此复杂的系统还要攻克许多技术难关。预计本世纪未这种技术将有较大的突破。
2．对潜通信的发展趋势
尽管极低频(ELF)对潜通信已用了数年，保证潜艇在12O～180m探度、航速25～30节在数干海里航行通信不受限制。但随着潜艇技术的发罹，通信深度，航速和信息容量的提高，目前国际上4o多个国家约拥有1000艘潜艇中核潜艇约占40 ，水下作战深度300～400m，航速25~35节，要求传输核控制指令高速信息。如采用ELF
方式对潜通信，先上浮到l2o～180m接受ELF通知，然后又上浮到水下声纳层以上再甩VLF发收报文，极易暴露目标而激光对潜通信的频率高频带窄，敌方无法截获；抗干扰性强，不受电磁和核爆炸影响；信息传输容量大，即使核潜艇在水下300~400m 深度、航速3o～35节，不需上浮仍能接收高速核控制指令信息，大大提高了潜艇在核战下的保密性，抗摧毁和生存力。因此，美国海军大力发展卫星对潜蓝绿激光通信，解决远距离深潜核潜艇的指挥控制，还可与水面舰船、陆地组成通信联网，定时控制潜艇的深度航速及水下声纳水雷等兵器。I985年美国海军利田星载激光器与“海豚号潜艇进行了通信试验，深度达250m、航速3O节，通信容量达数kb／s，并取得了惊人的数据。因此，美国海军曾预言：到本世纪末蓝绿激光将取代现有ELF通信系统。但前苏联曾认为：目前解决对潜通信的最好办法是实施全部通信手段，保证系统最丈限度的可靠性。因此，对潜通信的发展趋势很可能是ELF系统和蓝绿激光通信系统并驾齐驱，相辅相成的局面。
水下无线光通信系统模型分析
1．引言
水下无线光通信系统是指在水下采用光信号进行无线通信的通信系统。目前水下通信的主要手段多采用极低频(ELF)或甚低频(VLF)的声波通信，采用这样的方式，船只可在水下lOOm左右的范围内完成通信。但存在带宽窄，传输速率低(只能达到10Kbps左右)，干扰严重，易受攻击，隐蔽性差等缺点。而水下无线光通信系统，传输速率可以达到几百Kbps．抗干扰和隐蔽性也有显著的提高。但由于海水对光的衰耗大，在通信距离上不如现行的声波通信系统。然而，通过对水体特性的分析发现水下无线光通信仍具有很大的潜力可挖，发展水下无线光通信对提高水下通信能力．具有十分重要的作用。本文将从以下几个方面讨论水下无线光通信系统，首先，在海水的低损耗“窗口”上．简单介绍水下光信号的漫衰减系数K和光学衰减系数C的分布特点．并给出光信号衰减系数的简化公式。作定性的分析。然后，设计了一个简单的水下无线光通信系统模型。在此基础上，讨论了系统的基本组成。分析了水下无线光通信系统的信噪比(SNR)和码速率(BR)。最后，对水下无线光通信系统提出了进一步发展的构想。
2．光在水下的传播特性和水体特征
由于海水对光波的散射和吸收作用，光信号在水下的衰耗很大，但某些波长范围的光在水下传播的衰耗远比其它波长的低，这个波长范围就是海水的低损耗“窗口”，波长为470nm～540nm之间的蓝绿光。在这个波长范围的蓝绿光线经过100m 深度的海水传播，其损耗仅为其它波长光线衰耗的1／l0。一定功率的蓝绿激光在清澈的海水中穿透力可以达到6O0m 以上。
光在水下的传播距离主要由水的透光度决定，即光信号在水中的衰减系数。海水中的沉积物、溶解有机物、叶绿素和浮游生物的含量都是影响海水透光度的因素．这些因素导致了光信号在海水中衰减系数的不同分布。总结起来主要有光学衰减系数(beam attenuationcoe雎cient)c(／m)和漫衰减系数(diffuse attenuation coefficient)K(／m)。光学衰减是对水中准直射光的衰减。它是水对光的吸收和散射(包括前向散射和后向散射)作用的结果。漫衰减是对水中发散光的衰减，它是水对光的吸收和后向散射作用的结果。光学衰减系数可用于分析有用光信号传播的能量分布，而漫衰减系数用于分析水下的背景噪声，如太阳辐射在水下产生的背景噪声。
通过美国宇航局(NASA)的Sea WIFS E21(海洋广视野探测器SeaWide Field一0f-view Sensor)和MODIS(中分辨率成像光谱仪)得到的数据图像。光信号的水平分布主要存在以下特点，在深海区域水面部分的衰减系数较小，水体透光度好，K值达到0．Ol／m～0．02／m；在沿海浅水区域由于溶解有大量的有机物、沉积物含量高，导致水体比较混浊，衰减系数较大。
而通过大量的现场测量数据分析。水下光信号衰减的垂直分布主要有一下特点．衰减存在不均匀性，这主要是由于海洋的物理作用、生物作用和化学作用等综合因素的影响，在不同水域水体的剖面上存在因沉积物再悬浮而形成的沉积物雾状层 (Sediment—ladenNepheloid Layer)。根据在水体剖面的不同分布，可分为表面雾状层(SNL，Surface Nepheloid Layer)、中部雾状层(MNL，Medial NepheloidLayer)和底部雾状层(BNL，Bottom Nepheloid Layer)。在雾状层中，光信号的衰减系数会急剧的增加。通常BLN悬浮颗粒物的浓度较SNL和INL要低．大陆边缘BNL较深海的BNL的悬浮颗粒物浓度高。雾状层在一定水域中的分布和厚度较稳定，通过在一定水域的现场测量可以得到相对稳定的衰减系数分布特性，其衰减系数存在最大值，这对于系统设计的可行性是非常重要的。
为了简化分析，我们不考虑光信号波长的影响，水下的光学衰减系数c和漫衰减系数K如下所示：
其中，，0为光源信号强度(W／m )，为接收端信号强度(W／m )，Z
为光的垂直传播距离(m)。
3．水下无线光通信系统的组成和主要参数分析
设计水下无线光通信系统，主要考虑的技术指标有SNR(Signal—to—Noise Ratio)和BR(Bit Rate)，下无线光通信系统对上面因素进行分析。
3．1水下无线光通信系统的组成
信号经过调制。由激光器激发携带信息的光信号，光信号通过光学投射系统(Projection optics)和光束控制器(Beam steering)投射到平台窗口(P1atformwindow)，再由平台窗口进入水体介质。在接收机部分，光信号通过平台窗口进入光学收集系统(collection optics)，光电二极管将收到的光信号转换为电信号，信号再经过信号处理器和解调器进行后端处理。还原出发送端的信息。
3．2水下无线光通信系统主要性能参数
3．2．1信噪比(SNR)和码速率(BR)
SNR是影响水下无线光通信系统最主要的参数，如(3)式所示，
其中，P t为发射信号功率，c为光学衰减系数，D为接收器孔径直径，φ为光轴与视线夹角，θ为发射机的半波束宽度，r为系统的通信范围．NEP(noise equivalent power)为噪声等效功率。在接收机部分 P由背景散粒噪声(shot noise)、信号散粒噪声(signal shot noise)检测器暗电流(dark current)散粒噪声和预放大器噪声组成水下无线光通信系统的码速率BR是与SNR密切相关的，它们的关系如(4)式，其中BW 为系统的带宽。
3．2．2噪声等效功率(NEP)
在式(3)中NEP实际上包含多种噪声，它们与、／B 成正比。其中主要是太阳光的背景散粒噪声。计算这些噪声的等效功率首先要得到上行太阳光辐亮度(upwelling solar radiance)(watts／m )
其中E为下行辐照度，R为水下下行辐射的反射系数，L tol水下光辐射的方向因子(观测器方向与光传播方向夹角为1800时)，K为漫衰减系数，D为垂直深度。
通过，L tol可以计算接收端光检测器的背景光源的信号能量，
其中D为光学接收器的直径，FOV(Filed Of View)为系统的视场
范围，△λ为光波通带。于是太阳背景散粒噪声NEP 为
其中，q为电子电荷，S为光检测器的感光灵敏度(安培，瓦)，P bg光背景功率，BW cn为噪声有效带宽，为πBW／2，F过量噪声因数(excessnoise factor)。
与此类似，可以得到信号散粒噪声的NEP ，暗电流散粒噪声的NEP
预放大器噪声的NEP，总的NEP为
在考虑水下无线光通信系统的性能时．首先计算出^fE ，然后通过式(3)、(4)得到系统的SNR和BR，通过计算我们可以得到系统的传输速率能够达到几百Kbps。4．水下无线光通信技术的展望
进一步发展水下无线光通信系统可以结合成熟的天基和陆基系统，达到通信系统整体的融合：对于区域范围的通信，可在自组网技术基础上更灵活组网。同时结合成熟的声波无线通信系统，结合声波长距离通信和光波高速率传输的优点，可以更进一步提高整体的系统通信效率。
水下激光探测与通讯及电子学的应用
1．激光在水介质中传播的衰减特性遵从朗伯定律．通过r水程之后_的功率为
式中P0为激光发射功率．a 为水介质的衰减系数，R为衰减长度。
水下光传播特性的理论和实验证明，水下光透过窗口只有兰绿色光。不同的海洋水．光波长与衰减长度的关系不周．对于500nm 光，远海的衰减长度可迭10m 以上，沿海则降低到2m左右，1000暝(304．8m)深水衰减最小的波长为460一480 nm。蓝绿色激光器有氩离子激光器、倍频Nd；YAG固体激光器、锏蒸气激光器、染料激光器、喇曼频移准分子激光器，淡化汞离解激光器等。
2．激光在水下传播的距离可按下列公式计算(不考虑多重散射)
式中NEP为探测器的噪声等效功率，s／Ⅳ为信噪比。
当接收器的面积小于激光束时，传输距离由下式确定
式中a0为接收器半径，θ为激光光束发散角。
考虑多重散射时由下式决定
直接光
散射光
所以激光在水下传播时衰减很大．要达到足够的探测距离或通讯距离，就必需发射足够大的激光功率，因而半导体激光器、氩离子激光器等不能用。
3．光在水中传播的衰溅系数口是吸收系数a与体积散射系数S之和：
均为波长^的函数． 500nm左右的可见光的吸收较小；光通过数倍衰减长度的水程以后，散射作用使光束产生很大扩展。水下激光探测时发射部分与接收部分装在一起，光在水中传播不仅有前散射，而且在光源附近有很强的背散射不断进入接收器，其光强远大于从日标反射来的回坡信号，因此激光探测昀一个特点是必需采用距离选通技术．在激光发射后的前一段时间对接收信号封锁，这可用电子学方法实现，如图1所示。
4. 水介质对光的多重散射引起散射光的位相迟后．因而直接影响脉冲传输的接收频带特性。日本松井实验确定激光在水中可能传输的截止频率，c 3，5×l 等，其中为实验确定的常数，月为衰减长度。大功率固体脉冲激光器的脉宽很窄，重复频率掼低，适于作探澍光源；脉码通讯需要较高的码速，宜采用声光调制的倍颓YAG连续激光器或铜蒸气激光器．
5．激光信号在水中传播受到各种杂散光的干扰，为了对付水下信道的恶劣情况，推荐通讯中采用伪噪声编码检错纠错，以往伪噪声m 序列用于纠错主要是译码设备复杂而不实用，需要2锕套匹配滤波器 (m为信息位数)．现在应用微计算机的软件编程，可简便地通过查表方法来实现。
激光水下通讯原理探究及部分实验
1 引言
激光对潜艇通讯不仅具有超长波的所有优点，还有传输效率高、信息容量大、抗电磁和核辐射干扰、方向性强、隐蔽性好等超长波无法比拟的优点。研究表明，频率低于1×10-2dbB/m的超长波在海水的衰减值小于ldB／m。而频率约6×10-14Hz的蓝绿激光在海水中的衰减值小于1×10-2dB／m。所以对潜通讯中蓝绿激光有着很好的应用前景。
因此。我们可以利用海水这个蓝绿光“窗口”，为潜艇通讯开辟新的途径。一般水下激光通讯的实现有以下几种途径：
1．1 陆基系统
由陆上基地台发出强脉冲激光束。经卫星上的反射镜，将激光束反射至所需照射的海域，实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩束成宽光束。实现一个相当大范围内的通信；也可以控制成窄光束，以扫描方式通信。这种方案灵活。通信距离远。可用于全球范围内光柬所能照射到的海域，通信速率也高。不容易被敌人截获。安全、隐蔽性好，但实现难度大。
1．2 天基系统
与陆基方案不同的是。把大功率激光器置于卫星上完成上述通信功能。地面通过电通信系统对卫星上设备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的通信。让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。这种方法不论是隐蔽性还是有效性都是不容置疑的。应该说它是激光对潜通信的最佳体制。当然实现的难度也很大。
1．3空基系统
将大功率激光器至于飞机上，飞机飞越固定海域时，激光束以一定形状的波束(如15KM长1KM宽的距形)扫过目标海域，完成对水下潜艇的广播式通讯。
2 水下激光通讯系统
我们的实验所采用的水下激光通讯原理及方框图如下：
在我们的实验中所要使用的通讯源是小功率的半导体红色激光器，采用传输广播信号对激光电源进行直接的调制。即将音频信号经过功率放大后作为激光器的电源，使激光的光强随着信号强弱的变化而变化，从而实现调制。被调制的信号在水中经过一定距离的传播后到达仪器的接受端，在接收端用光敏三级管接收再进行放大，并通过解调电路就可解调出传输信号了——广播信号就可听到了。
3 模拟实验框图
其中半导体激光器波长为650nm，输出功率不大于lmw；水缸1m*0．5m*0 8m。
4 实验电路
实验电路有两部分组成：
一是发射的调制电路(见图3)，实际是由小功率运算放大器LM386构成的功率放大电路，对要传输的信号(这里用音频信号)经功率放大后直接对半导体激光器进行电源调制，这样经过调制的激光束光强上随信号变化，即实现发射的调制；
二是接收部分(见图4)，也是由LM386构成的放大电路，由光敏三级管接收到的经过调制的激光信号，转化成和调制信号相应的微弱的电流信号，再经过LM386放大之后推动场声器发出声音。
水下激光通讯发射接收系统
水下激光通讯是近年来发展起来的一门高新技术，与其它传统的水下通讯方式(如声波通讯、无线电渡通讯等)相比较，具有两个突出特点：(1)空间定向性好，因而保密性和抗干扰能力都较好；(2)数据传输率高。根据国外已经发表的资料，海洋水体对光信号的信道带宽可以达到MBits／s甚至10MBits／s以上 (因水质及传输距离而异)。随着固体激光器件与光电接收器件技术工艺水平的提高，水下激光通讯的技术指标还有望进一步提高。
但是水下激光通讯也有明显的技术上的限制。海水水体光学性质的特点决定了激光光束在海水中传播时将受到海水水体的吸收，水体及水体中悬浮粒子的多次散射，这就造成了激光光束在传输过程中的衰减，这种衰减比激光光束在大气中传输时的衰减剧烈得多。同时，海水中还存在变化范围颇大的背景光辐射。这些因素的存在都将严重地影响水下激光通讯信号的信噪比，因此，必须在通讯装置的电路设计上予以充分考虑。
水体的衰减使接收信号的强度随接收距离按负指数下降，接收距离的不同可以造成几个数量级的接收信号的强度变化；因发射／接收装置的空问定位和空间取向而造成的对准状态的不同，也可以造成接收信号强弱的很大变化；海水中的浮游生物体甚至可能造成暂时的信号脱落。因而，实用的水下激光通讯装置应该具有自动增益控制(AGC)的能力，以在不同的通讯条件下都能正常的接收信号。它还必须与自动控制系统联机使用．从而可以根据接收信号的特点，自动地判断水下平台的相对位置、姿态、发射／接收装置的空问取向，及时判断信号是否完整和是否存在误码，并与通讯对方及时交流有关信息。
除此之外，水下背景光辐射随着水下激光通讯装置使用条件不同可以有很大的差异：白天与夜间、晴天与阴天、平静海面与风浪海况的水下背景光辐射差别很大；在不同的水深工作时或接收装置的俯仰角度不同，背景光辐射的强度也有很大的不同。其强度可以有几个数量级的差别。
考虑到以上诸因素，我们设计并研制了一个水下激光通讯的实验装置，它可针对性地解决实用水下激光通讯装置可能遇到的主要问题。
1 系统概述
本装置是一个可以适应水下通讯条件的由单片机控制的全双工激光通讯系统
它可作为船载计算机的下位机，也可作为其它水下自动走航仪器控制中心的下位机，不同的水下平台可通过它以较高的数据传输率在水下交换信息。在我们的系统中，可用软件根据实际情况调整数据传输率。
图1为实验装置系统框图，在实验室中模拟水下通讯条件，通过光衰减器模拟不同程长水体对光信号的吸收。图2为激光通讯装置硬件框图。
系统的核心是89C51单片机，其功能与目前已经广泛使用的单片机8031的功能全部兼容，与8031相比在内部多了一个EPROM(2KE)。因此可以内部编程，简化了硬件电路设计。89C51通过一个扩展的全双工串行通讯接口8251与激光通讯发射／接收单元相联结，并且通过自己的一对全双工串行通讯口与上位机联机，完成水下激光通讯的任务。
系统带有一个64KB RAM，用以储存待收发的通讯数据。因为64KB RMA已经占满所有的地址空间，所以不采用地址译码的工作方式，而是使用89C51 P 口的一个端口作为片选
89C51通过P n口和P2口及一个外加的地址锁存器与RAM 交换数据，RAM 中的数据通过8251及发射／接收单元发送出去；来自发射／接收单元的数据通过8251接收。89C51的P3口的RxD、TxD用于与上位机通讯iINT。用于接收来自8251 RxRDY的中断申请，这样在8251收到数据时可以实时响应，节省CPU工作时间；89C51的P 各口用于接收系统各单元的状态信息，或向各单元发出控制命令。比如8251的TxRDY状态信息，接收信号的强度信息、8251和RAM的片选信号，发射／接收头空间取向伺服系统的步进脉冲等。
8251为全双工串行通讯口，它可将来自发射／接收单元的串行数据转换为并行数据进往89C51，或将来自RAM的并行数据转换为串行数据送往发射／接收单元，传输方式采用异步方式。传输过程中自动产生或去除异步通讯所需要的各种附加位，并具有误差检测功能。一个附加的分频器提供8251接收和发射数据所需要的时钟。由于采用8251芯片，最大数据传输率可达19．2KBits／s，实际使用时采用9．6KBits ／s，可以满足通常情况下的使用要求。
2 发射／接收单元
发射／接收单元分为主电路板和发射／接收头。后者可通过水密的光学窗口发射或接收水下激光通讯信号，伺服系统可以根据上位机的指示调整它的角度，进行目标搜索和保证在通讯过程中的光学对准。水下的目标搜索和光学对准是一个复杂的问题，需要必要的象限检测单元和在上位机执行一个功能很强的程序。目前的实验系统中并没有包括这一部分内容，但是预留了必要的信号线和控制线。以下分别叙述发射和接收部分的光、电设计。
2.1发射部分由8251的TxD口输出的数字电压信号经反相后被专门的驱动电路放大，驱动半导体激光器发出数字光信号。反相的目的是使休闲信号的光强为“0”而起始信号的光强为“1”。驱动电路具有自动调整信号光强的能力。图3为发射部分简图。
2.2接收部分接收部分是决定水下激光通讯系统性能的关键。需要解决的两个主要的技术问题是：1)去除背景光的干扰；2)能适应不同强度信号的自动增益控制。其系统框图见图4。
用2个特性相同的光二极管PD 、PD 分别接收经干涉滤光片滤光后的信号光和背景光由于激光的频带很窄，只要滤光片的通频带与之匹配，大部分的背景光即被滤除。光二极管将光信号转换为电流信号，再经前置放大器变为放大的电压信号。前置放大器采用反馈式放大电路，具有阻抗高、噪声低的特点，它们的特性必须一致因前置放大器的输出中仍有残余的背景光，为避免它们与信号光一起被主放大器放大，我们将前置放大器输出的信号先进行相减预处理。相减后的输出基本只有通讯信号而无背景噪声，然后再送人主放大器进行放大。
为适应水下激光通讯信号可以具有很大动态范围强弱变化的特点，主放大器应该具有根据信号强弱自动改变增益的能力。采用T形反馈网络的接法，其特点是：可以在较小范围内改变增益电阻Px的阻值而获得较大范围的增益变化。增益电阻Rx由自动增益控制回路AGC根据主放大器输出信号的幅度分四档自动调整。
主放大器的输出再经整形反相，送往89C51的RxD口。自动增益放大控制回路(图5)的主要原理和功能如下：
由主放大器输出端引出控制信号V，，进行信号幅度甄别。一个用电阻构成的分压链提供了4个参考电平，它们分别为Vo Vo为信号有效甄别电平。这是一个很小的参考电平，在实验中根据实际情况通过调整可变电阻R。确定。当 激光水下通信TURBO码应用研究 1 引言 随着海洋开发和信息产业的发展，水下通信系统的需求日益扩大。因此，改进水下通信的可靠性成为水下通信研究的热点。 由于水下通信信号衰减严重的特殊性，一般光波在海水中衰减严重，以微波而言，即使选用甚低频（小于10kHz），配上兆瓦级的发射功率，也只能穿透海水不过100m，数据的传输速率只有100b/s。自从激光的发明，人们开始研究利用海水低损耗“窗口”的蓝绿激光（450~550nm）实现水下高效率的激光通信[1]，经过100m 深度海水的传播，其损耗仅为其他波长光的1/100。蓝绿激光在海水中的穿透能力可达600m 以上，其方向性极好，工作频率高，通信频带宽，数据传输能力强，波束宽度窄，不受电磁辐射和核辐射的影响，并且相应的设备轻巧，成为水下通信的最有效方式之一。 尽管如此，激光水下通信信道仍存在多种困难，如脉冲衰减、散射、折射、时间展宽、背景干扰等。同时，由于水下系统的体积和载重等限制，不可能提供大能量的信号。因此，数据传输的可靠性必须通过强有力的差错控制编码技术，才能获得较好的通信效果。国内水下通信系统信道编码的研究大都停留在卷积码和RS等成 熟编码技术上[2]，本文研究了水下信道的特点，并将最新的Turbo 码用于激光水下通信系统，通过仿真结果说明实现这种方式的可行性和优越性。 2 水下系统编码信道模型分析 由于激光水下通信系统的复杂性，在衰减、噪声和干扰等因素的影响下，信号在传输过程中产生严重畸变。加之水下无线通信系统中很难使用中继器，因此信噪比随传输距离的增加而迅速衰减。为简便起见，我们考虑的水下激光通信的信息量不是很大，因此通信具有充足的带宽资源，允许系统以较低的码速率传输数据（如采用1/2 速率的turbo码传输）。这样，数据之间的符号干扰可以忽略，信道引入的加性噪声和干扰可以用高斯白噪声来模拟，并且这种噪声在符号之间是相互独立的。所以，我们将水下激光通信环境近似为无记忆加性高斯白噪声（AWGN：Additive White Gaussian Noise)信道。 由上述信道分析可知，对水下传输信道可能产生的干扰类型，在信道中有必要采用纠错能力优越、适应性强的纠错码技术。 我们采用光通信系统成熟的调制格式：脉冲位置调制(PPM:Pulse Position Modulation)。这种调制的能量传输效率(每光子传输的信息量) 比任何调制(如外差检测)方式都高。在PPM 大气激光通信系统中，现行研究普遍采用分组码、卷积码和级联分组码。但是它们不具有同时纠突发错误和随机错误的能力，由于水下通信系统的复杂性，这几种纠错码方案并不适用。我们的目标是找到一种接近Shannon 限的优异编码方案，不但可以同时纠正突发和随机错误，且纠突发错误更有效。 1993 年Berro C等首先提出了一种全新的信道编码方式———turbo码[3]，它是由二个或多个子编码器通过交织器并行级联产生,由递归系统卷积码编码(RSC)、随机交织器以及删余模块三个部分构造turbo 码，并将简化的MAP算法和迭代译码算法应用于解码过程，获得了与香农理论极限仅差0.7dB 的性能，这种全新的信道编码方式立即以其优异的性能获得了广泛的关注，被认为是纠错理论发展史上最重要的成就之一。 turbo 码接近于随机码，有很好的距离特性，因而有很强的抗衰减和抗干扰能力。turbo 码经理想交织后在加性高斯白噪声信道中的性能与未编码相比有数分贝的增益[4]，只要接收机能检测到哪些频点受到干扰，对信号进行带删除纠错译码，则能得到其它码难以达到的性能，因而它特别适合于各种恶劣环境下的通信。通过比较，本文选用turbo码作为水下通信系统的纠错码，讨论了turbo 码编译的基本方法，并且给出了光PPM 信道的turbo码仿真曲线。 3 未编码系统通信系统性能分析 在水下激光通信系统中，我们先假设不使用纠错编码系统。在M元的PPM激光通信系统中，为简便计算，我们采用M=2的BPPM激光通信系统。本文不考虑接收机的热噪声，即假设接收机是散弹噪声限的。这里我们在AWGN信道上做性能比较，采用BPPM，信号在BSC信道上传输，在不采用任何编码的情况下，编码速率R=1，即未加入任何纠错编码成分。根据AWGN信道进行计算，我们得到解调器的误码率与信噪比的关系曲线，如图1所示。 实际中各种水下激光通信对误码率要求各不相同，且由于水下各片区的自然环境相差很大，因此对水下激光通信的性能指标没有一个统一的标准。水下通信环境恶劣，通常比大气通信的误码率要求要低。对于一个未编码的BPPM系统，要获得10-3的误码率，要求信噪比E b/N0=13dB。 4 Turbo码编码系统性能分析 考虑与未编码系统同等的通信环境，取M=2 的PPM 激光通信系统BPPM，信号在BSC(二元对称信道)上传输，信源等概产生符号0，1，并行/串行转换器不仅完成并串转换，并且完成速率转换。因此，通过光BPPM 的turbo码编码系统，根据文献[5]，在AWGN信道中，最大似然译码选择码字总码重为w而不是全0码的条件概率为 是编码BPPM 系统的信噪比，R 为编码速率。 这里，我们用码的自由距与性能限的关系[6]，以帧为单位编码，turbo 码可以看作一个等价的整体的线性分组码G（n，k），由此我们把分组码的平均误比特率上界公式用于turbo码，得出激光水下通信BPPM 系统的误码率上界为 由纠错码的汉明距离关系，我们用汉明距离表征系统的误码率上界，设d free是码间自由距离，即所有可能码字之间汉明距离的最小值，N free是自由距码字个数， free 是信息序列的平均码重，得出误码率与信噪比的关系式为 我们采用交织长度为256，G（1，5/7）的turbo 码系统，由于信道条件限制，取编码速率分别为1/2和1/3。由汉明距离公式分析得出这两种turbo 码的自由距特
相关主题
文本预览