水下可見光通信在水下作戰體系中的應用設想

呂斌斌,林酩淶,萬 鑫

(上海瀚界科技發展有限公司,上海,201702)

0 引言

在水下攻防作戰信息體系中,各類平臺和節點之間需要進行作戰態勢、預警探測、指揮控制等信息的高效共享和傳輸,這就要求提供隱蔽、高效的傳輸保障。水下通信技術支撐實現全海域水下戰場信息獲取和傳輸,將戰場感知、指揮控制、攻防交戰等全過程功能的作戰資源進行有效鏈接,是水下攻防作戰信息體系的重要組成部分[1]。

海洋環境因素復雜,水下通信技術在提升傳輸速率方面存在瓶頸,水下通信能力一直滯后于地面、空中和空間通信。目前,世界各國都在大力推進水下作戰體系建設,而水下可見光通信技術將成為支撐水下作戰體系建設和發展的關鍵技術之一。

水下可見光通信能夠實現水下雙向高速通信,利用波長為450～550 nm 的藍綠發光二極管(light emitting diode,LED)或激光二極管(laser diode,LD)作為光源,采用雪崩光電二極管、硅光電倍增管等光學探測器進行信號接收,從而實現中近距離范圍內高速雙向通信[2]。相比于長波通信和水聲通信技術,水下可見光通信技術具有速率高、功耗低、安全保密性好和抗截獲性強等優點。其傳輸速率可達傳統通信手段的1 000 倍以上,且由于中近距離通信的特點,避免了長距離無線傳輸可能產生的監聽和截獲問題,是一種難以被替代,具有突出特點的新興水下通信技術[3]。

水下可見光通信技術的另一特點是可近距寬帶接入。目前我國水下預警探測體系中節點接入和信息傳輸保障主要采用光纜或水聲通信,高效、安全、保密的無線通信傳輸能力不足,限制了水下預警信息系統效能發揮。依托水下可見光通信技術,建立高效、隱蔽的水下通信系統,實現水下作戰節點與海底基陣之間的近距寬帶接入,保障水下預警探測信息的實時采集與高速回傳,滿足大容量監測數據傳輸需求。

水下可見光通信技術適用于多種軍事應用場景。近年來,無人水下航行器(unmanned undersea vehicles,UUV)發展迅速,UUV 與潛艇的伴隨式作戰將成為未來水下作戰的主要樣式之一[4]。水下可見光為潛艇與浮標、UUV 之間的通信提供了一種寬帶化傳輸手段[5],能夠實現潛艇與浮/潛標、UUV、遙控水下航行器(remotely operated vehicles,ROV)及海底基陣之間的高速接入,提高偵察情報和指揮命令信息傳輸效率,避免了水聲通信和電磁波通信速率低、時延大、易截獲和機動性弱等問題,是一種解決水下信息傳輸速率和保密性等問題的有效手段。可以預見,該技術必將催生出新的水下作戰樣式。

綜上所述,水下可見光通信技術是一種難以替代的通信手段,更適應未來信息化條件下高技術海戰的需要[6]。水下可見光通信技術是水下通信體系的有效補充,是水下中近距離無線高速傳輸的核心解決方案。

1 發展現狀

目前,世界各國都在大力推進水下作戰體系建設,而水下可見光通信技術將成為支撐水下作戰體系建設和發展的關鍵技術之一。

1.1 國外發展現狀

水下可見光通信技術可為潛艇、UUV 以及傳感器等水下裝備提供高速、穩定的數據傳輸,受到越來越多國家的重視。自20 世紀70 年代美國海軍展開“衛星-潛艇”通信的可行性研究[7]后,水下可見光通信被迅速納入美國的戰略性研究計劃,目前美國已基本完成了藍綠水下光通信的相關試驗,且美軍依托國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)和國家自然科學基金委等機構,長期支持開展水下可見光通信領域研究[8]。

2008 年,美國海軍原太空與海戰系統司令部(Space and Naval Warfare Systems Command,SPAWAR)的研究人員將實測數據與仿真數據進行對比,初步證實了水下可見光通信高速、保密的優勢。

2009 年,美國麻省理工學院的Doniec 等[9]研制出2 種小型、輕便的試驗樣機Aqua Optical,集成了6 個5 W 的LED 陣列發射480 nm 的光波,并采用了離散脈沖間隔調制技術,分別用于短距離通信(1～5 m)和較長距離(十幾米)通信,通信速率均為1 Mbps。試驗表明,在清澈水中,通信距離30 m,傳輸速率為1.2 Mbps;在能見度為3 m 的渾水中,通信距離9 m,傳輸速率為0.6 Mbps。

2010 年,Doniec 等[9]設計出一套利用可見光通信技術控制水下機器人工作的原型系統,實現了對水下機器人的實時控制。同年11 月,該團隊又開發出新一代水下可見光通信設備Aqua Optical II,其通信距離50 m,信噪比5.1,最大傳輸速率2.28 Mbps。

2013 年,Doniec 利用Aqua Optical II 實現了15 Hz 水下實時視頻傳輸,時延100 ms。并于同年,介紹了一種用于自主水下航行器的通信水下無線光通信系統,通信距離為50 m,傳輸速率達4 Mbps。

2017 年7 月,日本海洋科學與技術中心[7]在駿河灣口附近組織開展了水下可見光通信試驗。試驗利用水面船只作為工作母船,水下機器人作為水下平臺,主要檢驗水下藍綠光通信在實際海況下,作為無線網絡節點間高速通信的能力。試驗系統由一對主、從藍綠光通信收發終端構成,分別采用450 nm 藍光LD 和525 nm 綠光LD 作為光源,單個終端發射功率不小于5 W,功耗350 W,質量約40 kg,可承受1 000 m 耐壓,采用以太網協議實現網絡接入。試驗實現了水下700～850 m 潛深120 m 距離間的雙向通信,最大通信速率達20 Mbps,100 m 內可實現穩定可靠通信。

2018 年,法國巴黎國際海防與海事展覽會(Euro Naval 2018)上,土耳其STM 公司展示了一種新型水下光無線通信(underwater optical wireless communication,UOWC)系統“AnglerfishTM”,該產品根據潛水員的操作要求設計開發,通過掛載在潛水全面罩上的耳機和LED,提供全雙工水下語音通信,LED 的使用保障了人眼安全,不僅可以在潛水員之間進行水下通信,還可支持潛水員與潛艇進行水下通信,具有廣泛的用途[10]。

1.2 國內發展現狀

2016 年4 月,胡鋒等[11]完成了基于藍光LED的水下雙向通信系統整體硬件設計,并在深1 m,寬1.5 m,長8 m 的水池中進行測試。水箱里的可見光收發機由密封電纜供電,通過防水的網絡線接口傳輸數據信號(見圖1)。試驗結果表明,在水下收發距離5 m 時,可實現可靠的全雙工通信。

圖1 基于藍光的水下可見光通信系統(信息工程大學)Fig.1 Underwater visible light communication system based on blue light (by Information Engineering University)

2017 年,Liu 等[12]提出了基于低功率520 nm LD 的水下無線光通信系統,通過NRZ-OOK(nonreturn-to-zero on-off keying)調制方案實現了在34.5 m距離內最高為2.7 Gbps 的通信速率。該UOWC鏈路在水下通信距離為2.3,11.5,20.7 和34.5 m 時實現的最高傳輸速率分別達4.60,3.93,3.48 和2.70 Gbps。相應的誤碼率分別為2.10 × 10-3,2.16×10-3,3.30 × 10-3和3.40 × 10-3,均低于3.80 × 10-3的前向糾錯(forward error correction,FEC)標準,表明激光在用于高速長距離水下無線通信領域中具有很大的潛力。

2013 年,胡秀寒等[13]用電光調制激光實現了水下和空中直升機平臺的通信,該激光光源能量非常大,適合水下平臺到空中平臺的通信,但是開關速率不會太快,雖然可以傳播聲音和圖像,但不能傳播視頻。該團隊研究的重點主要是跨域海氣界面的長距離低速率激光脈沖通信。

2016 年,Song 等[14-15]提出了基站、浮標構成的水下航行器通信系統概念,設計了系統結構,并進行了光學分析。該系統依托浮標在海氣界面充當無線電通信和水下光通信的中介,適用于海面附近通信,不能應用于深海水下固定節點和UUV移動節點之間的通信。

2 關鍵技術

為實現可見光通信技術在水下攻防作戰中的應用,需要突破制約裝備發展的關鍵性、瓶頸性技術,探索水下可見光通信作戰能力生成途徑,增強對水下攻防作戰的信息支撐和保障。

2.1 水下背景光噪聲影響分析及抑制技術

在水下可見光通信中,接近海水表層位置的背景光噪聲強度往往遠大于光信號強度,且強度變化范圍大,對水下光通信影響較大。基于水下背景光噪聲特點,研究背景光噪聲抑制技術,引入光域濾波、自適應信號提取和負反饋技術,可有效減小噪聲對光信號傳輸的影響。

2.2 海水湍流影響分析及抑制技術

海水是非均勻介質,其溫度、鹽度及海水折射率呈隨機變化,這使得光束由水下信道傳輸時產生湍流效應,進而出現光束擴展、抖動和強度起伏等現象。在研究海水湍流機理基礎上,研究湍流效應抑制手段,采用空間分集和自動增益控制技術,可有效減小光強起伏對信號的影響[16]。

2.3 編碼增益技術

信道編碼影響光通信系統的傳輸能力和LED非線性補償能力等。為獲得最佳性能,在常用信道編碼如RS(reed solomon)碼、卷積碼、Turbo 碼和LDPC(low density parity check)碼基礎上,需綜合考慮傳輸距離、誤碼性能、吞吐率及延時等多方面要求,制定自適應編碼調制方案,提高編碼增益,滿足帶寬要求和復雜性要求[17]。

2.4 水下光學天線跟蹤瞄準技術

不同于傳統無線射頻通信,水下無線光通信系統發射信號光束窄、傳輸距離長、信道干擾復雜等特殊條件對收發端對準提出了較高要求。采用跟蹤瞄準技術,可基于較小的光學波束實現光學捕獲和瞄準,獲得穩定高速、長距離的水下無線光通信。

3 應用設想

3.1 裝備設想

針對不同應用平臺和應用場景,水下可見光通信裝備可結合多種型態發揮作戰效能。

1)移動平臺類

圖2 為一種典型的移動平臺類裝備型態,具有半球型光學鏡頭,耐壓性強,最大視場角度不小于120°,最大傳輸距離大于200 m,最大通信速率不小于20 Mbps,工作最大潛深大于300 m,滿足潛艇與UUV 協同作戰和可視化信息實時傳輸的要求。

圖2 水下半球形光學鏡頭Fig.2 Underwater hemispherical optical lens

2)水下固定節點類

采用類似圖3 的裝備型態,主要安裝于水下基陣、預置式武器等裝備中,傳輸速率大于100 Mbps,視場角度不小于120°,最大傳輸距離不小于100 m,工作最大潛深大于300 m,為用戶提供安全、泛在的通信服務。

圖3 固定節點類水下裝備Fig.3 Underwater fixed node class equipment

3)便攜移動類

針對水下蛙人可提供便攜移動類裝備型態,具有體積小、質量輕及功耗低等特點,最大傳輸速率不小于5 Mbps,視場角度不小于60°,最大傳輸距離不小于50 m,工作最大潛深大于300 m。裝備型態如圖4 所示。

圖4 便攜移動類水下裝備Fig.4 Underwater portable mobile class equipment

3.2 應用設想

1)潛艇、浮/潛標和UUV

未來軍事領域應用中,可基于水下光通信技術構建新型立體通信網絡[18],如圖5 所示。潛艇、浮/潛標和UUV 之間采用非接觸式水下光通信方式實現高帶寬、強隱蔽的信息傳輸,擺脫傳統通信方式的束縛,能夠實現UUV 可視化布放和回收,可支撐協同信息類型向戰場綜合態勢、實時戰術情報、實時控制信息以及戰場監視信息等多種綜合業務發展。

圖5 新型立體通信網絡示意圖Fig.5 Diagram of new three-dimensional communication network

2)魚雷遙控和組陣

近年來,水下攻防體系不斷演進,協同作戰樣式漸趨豐富。以潛射線導魚雷為例,多魚雷協同作戰場景如圖6 所示。作戰過程包括: 有線引導、自導和末制導3 個階段[19]。自導階段時,魚雷和潛艇距離較遠,無法利用光纖導線進行通信。此時多魚雷之間可依托可見光通信技術進行鏈路組網,便于對魚雷進行實時遙控,支撐實現魚雷組陣協同部署和針對同一目標的協作攻擊。

圖6 多魚雷協同作戰場景Fig.6 Multi-torpedo cooperative operation scenario

3)水下預警探測和海底觀測

隨著水下預警探測和海底觀測需求的日益提高,海底觀測網絡(海洋地質調查、海洋內環境觀測、礦物資源勘察)以及水下預警等體系建設的重要性日益明顯。海底觀測網絡通常包含海底觀測平臺、UUV 等。海底觀測平臺收集到數據信息后利用可見光通信上傳至UUV;UUV 接收到信息后再利用光通信、水聲通信等技術將數據傳輸給水面艦艇、潛艇及浮標等水下平臺[20]。可見,水下可見光通信可為各種水下平臺和信息節點有機聯合提供支撐保障,提升水下預警探測和觀測效果,如圖7 所示。

圖7 水下預警探測和海底觀測示意圖Fig.7 Diagram of underwater early warning detection and seabed observation

4)定位導航

光通信具有高度定向性和精確的距離感知能力,可實現亞厘米級精準引導,為發展無人光導航技術提供條件。水下光通信技術為量子通信提供了光傳輸信道,使具有高度安全、保密特征的量子通信技術在水下應用成為可能。未來,通過與水聲、導航、量子通信等其他手段的結合,水下可見光通信技術必將在無人精確引導、信息加密等方面發揮優勢。

5)跨介質通信

可見光通信技術可支撐組建空海一體光通信網,促進空海一體聯合作戰的發展。其中對潛光通信方案包括天基、陸基和空基3 種。以空基方案為例,在飛機上配置大功率激光發射器,通過光波束掃過潛艇所在海域來實現對潛跨介質光通信[21],如圖8 所示。

圖8 對潛跨介質通信示意圖Fig.8 Diagram of communication to submarine cross medium

4 發展趨勢

4.1 光學信道測量技術

水下光學信道測量技術通過測量透光度、反射度、渾濁度及葉綠素濃度等環境信息,調整傳輸模式,提高光傳輸效果。考慮采用多波長LED 作為探測載波光源,分時發射探測光束,并加載不同調制信號,提高不同信道條件下的通信傳輸可靠性[6]。

4.2 自適應光學通信技術

由于不同海洋環境對光波通信具有明顯差異性,應當采用一定的信道自適應技術,根據實際工作水下信道環境進行實時測量和反饋,并對通信光波長、通信速率進行自適應選擇,從而擴展通信距離,提高通信效能。

4.3 接收端光學陣列設計

由水下可見光通信信道模型和光學鏈路的計算結果可知,單個光學探測器配合相應透鏡,視場角度一般約20°(考慮到接收光功率不能過小,接收透鏡焦距不能太小,通常選擇16 mm 的透鏡焦距,視場角度約為20°),不能滿足作戰應用提出的寬視場角度要求。因此必須開展光學通信收發陣列設計,針對收發通信陣列進行光學聚光和視場角度的性能分析設計。

4.4 大尺寸LED 通信光學系統設計

LED 光源的光學系統優化對于擴展光通信水下通信技術至關重要。為了保證足夠的光能量照射在接收端光電探測器上,要求發送端LED 光源能量足夠高、光束發散角足夠小,且光源遠場輻照度均勻。為了獲得穩定大功率的光能量輸出,LED 光源尺寸必然相應增大,且尺寸越大,光源光束發散角越大、光源發光模型越復雜,光學系統越難建立和設計,這就給光學系統優化提出了挑戰。大尺寸LED 通信光學系統設計主要涉及大尺寸LED 光源的小角度準直和輻照度優化設計[13]。

4.5 建鏈保持技術

建鏈保持技術是在不同平臺上實現基于可見光 “動中通”的關鍵技術。建鏈保持技術主要包括快速對準與捕獲技術以及精確跟蹤技術。快速對準與捕獲技術主要目的是在大范圍內快速搜索到目標,縮短初始建鏈時間;精確跟蹤技術是在快速對準與捕獲系統實現目標捕獲后,對目標進行實時精確的跟蹤和對準[18]。

5 結束語

水下可見光通信技術是一種能夠實現跨域、跨介質通信的手段,可實現中近距離、高帶寬的通信功能,支持百米量級,而且在傳輸速率、隱蔽性、抗截獲性方面具有突出優勢,適合于保障水下UUV 偵察信息回傳、UUV 集群協同、蛙人特戰協同、空海跨域作戰等信息傳輸需求,可作為一種水下通信的補充手段,完善水下信息傳輸體系和作戰保障能力。