艦載激光通信設(shè)備設(shè)計及試驗研究

劉金標(biāo)，徐林，馬建軍，安建欣，申永，劉學(xué)，蔣祖運，蔣相

(中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

艦船現(xiàn)有的通信方式以射頻、微波、衛(wèi)星等為主，傳統(tǒng)射頻、微波通信因其發(fā)射和傳輸信道的分布特點，容易產(chǎn)生同頻干擾及安全問題，且在復(fù)雜電磁環(huán)境容易受到磁場干擾，難以做到高效穩(wěn)定通信；衛(wèi)通、微波系統(tǒng)的帶寬有限，無法滿足現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下業(yè)務(wù)的高質(zhì)量的通信。利用空間光通信技術(shù)（FSO）通信容量大[1–2]、通信距離遠[3]、安全、保密的優(yōu)點，艦船之間可構(gòu)建長距離高速通信鏈路，完成實時高速傳輸控制指令、監(jiān)視和態(tài)勢信息的任務(wù)。復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，平臺之間的通信質(zhì)量直接決定了任務(wù)的成功與否，通信數(shù)據(jù)鏈路必將成為敵我雙方電子偵察與干擾的重點，F(xiàn)SO 通信在發(fā)射和接收可見光時難以被敵方捕獲和偵察識別，通信過程不易被破壞，信息不易被竊聽，具備強抗干擾特性，能夠幫助平臺高效傳輸信息，從而提升戰(zhàn)場環(huán)境下的任務(wù)執(zhí)行能力和生存能力。

本文針對艦載激光通信的長距離應(yīng)用場景和使用環(huán)境進行分析，介紹長距離艦載激光通信的關(guān)鍵技術(shù)，并進行方案設(shè)計和試驗測試。

1 海面信道分析及參數(shù)設(shè)計

當(dāng)激光在大氣信道中傳輸時，由于大氣中各種氣體分子和微粒，如塵埃、煙、雨、雪和霧等的散射和吸收，激光能量隨著傳輸距離的增大而減小[4 – 6]。FSO 系統(tǒng)在霧天因氣溶膠的吸收和散射從而造成通信性能降低，對于大氣衰減信道模型，霧天情況下激光信號衰減系數(shù)最大。霧有對流霧、平流霧兩類，不同類型的霧會導(dǎo)致不同的衰減，與霧的微粒分布、尺寸以及位置有關(guān)。平流霧是暖空氣運動到較冷的陸地或海洋表面附近形成的，是海面激光通信性能的主要影響因素。對于平流霧的分析，通常采用Naboulsi 模型。

Naboulsi 模型的平流霧衰減系數(shù)計算公式為：

其中：λ為波長，μm；V為能見度，km。

對于通信速率1000 Mb/s，通信距離30 km 的通信鏈路，指標(biāo)參數(shù)及數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 信號激光鏈路預(yù)算表Tab.1 Budget table of signal laser link

圖1 平流霧和對流霧對通信鏈路功率余量的影響分析Fig.1 Analysis of influence of advection fog and convection fog on the power margin of comuication link

2 設(shè)備組成及設(shè)計

2.1 設(shè)備組成

艦載激光通信設(shè)備主要由光學(xué)天線單元、通信單元、掃描捕獲跟蹤單元等部分組成。光學(xué)天線單元主要完成信號光、信標(biāo)光的發(fā)射與接收；通信單元主要完成用戶電信號與激光信號之間的相互轉(zhuǎn)換、激光信號的放大、微弱激光信號的高靈敏度接收以及信道糾錯編碼等功能；伺服穩(wěn)定跟蹤單元完成兩端設(shè)備的掃描、捕獲、對準(zhǔn)及穩(wěn)定跟蹤功能，具體組成如圖2 所示。

圖2 艦載激光通信設(shè)備組成圖Fig.2 Composition diagram of shipborne laser communication equipment

2.2 單元設(shè)計

2.2.1 長距離激光通信設(shè)計

針對長距離通信需求，從通信、編解碼及光學(xué)等方面進行高增益設(shè)計。在通信方面，采用高增益摻鉺光纖放大器，出射功率達到38 dBm，接收端采用APD 探測器并設(shè)計多級放大電路，提升探測靈敏度。在編解碼方面，選擇高增益FEC 技術(shù)，提升信道的功率余量。在光學(xué)方面，高準(zhǔn)直發(fā)射光路的發(fā)射角為0.5 mrad，采用150 mm 大口徑接收光路提升接收天線增益。信號光發(fā)射和接收光路的設(shè)計圖，如圖3 所示。

圖3 信號光收發(fā)光路設(shè)計Fig.3 Design of receiving and emitting signal light

圖4 掃描捕獲跟蹤設(shè)計Fig.4 Design of scanning,acquisition and tracking

2.2.2 動平臺掃描捕獲跟蹤設(shè)計

根據(jù)艦船平臺的使用環(huán)境和關(guān)鍵特性，設(shè)計粗跟蹤與精跟蹤結(jié)合的掃描捕獲跟蹤流程，更好抑制艦船平臺的多維運動、振動等對通信穩(wěn)定性的影響。粗跟蹤采用多閉環(huán)控制方案，具備啟動平穩(wěn)、無超調(diào)，工作帶寬合理及軌跡規(guī)劃合理等特點，采用高精度紅外相機及亞像素處理算法，實現(xiàn)跟蹤誤差達±100 μrad；精跟蹤采用二維振鏡+高精度QD 探測器及卡爾曼濾波模塊，實現(xiàn)光束的精密指向及跟蹤，跟蹤誤差±30 μrad。

2.2.3 高精度視軸穩(wěn)定設(shè)計

激光通信設(shè)備需要克服艦船的大幅度擺晃并保持視軸穩(wěn)定，因此配置的伺服轉(zhuǎn)臺需要具備陀螺穩(wěn)定功能。考慮激光通信對橫滾軸向變化不敏感，在設(shè)計時只需考慮水平、俯仰2 個回轉(zhuǎn)自由度的陀螺穩(wěn)定萬向框架，包括電機、位置傳感器、速率陀螺等，主控模塊包括控制驅(qū)動電路、接口電路和電源變換電路等。視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的伺服控制采用三閉環(huán)控制，如圖5 所示。

圖5 視軸穩(wěn)定控制設(shè)計Fig.5 Design of LOS stabilization servo control

視軸穩(wěn)定系統(tǒng)采用速率陀螺作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的姿態(tài)誤差傳感器，檢測穩(wěn)定系統(tǒng)方位和俯仰軸由于角運動擾動產(chǎn)生的角誤差，通過陀螺儀信號處理電路產(chǎn)生相應(yīng)極性和線性比例的誤差電壓，經(jīng)過數(shù)字濾波算法，控制器輸出速度控制信號給速度控制器，在直流電機軸上產(chǎn)生反作用穩(wěn)定力矩，從而實現(xiàn)穩(wěn)定系統(tǒng)的擾動抑制、保持在慣性空間的相對穩(wěn)定。通過設(shè)計將穩(wěn)定系統(tǒng)閉環(huán)帶寬提升到20 Hz，有效地抑制平臺10 Hz 以下低頻大幅擺晃的影響。

3 設(shè)備研制及試驗

根據(jù)設(shè)計方案研制艦載激光通信設(shè)備。伺服轉(zhuǎn)臺和光學(xué)天線采用集成式密封設(shè)計，共同構(gòu)成艦載激光通信設(shè)備；組合慣導(dǎo)、北斗天線和三角支架組成了設(shè)備的應(yīng)用配置。

利用研制的艦載激光通信設(shè)備進行外場試驗測試，通信速率1000 M 以太網(wǎng)信號，試驗的設(shè)備及測試連接如圖6 所示。以太網(wǎng)測試儀連接本端艦載激光通信設(shè)備的用戶輸入和輸出端，遠端的用戶輸入和用戶輸出互連，構(gòu)建了整個鏈路的回環(huán)測試。

圖6 艦載激光通信設(shè)備測試連接圖Fig.6 Test connection diagram of shipborne laser communication equipment

表2 為試驗天氣情況及測試數(shù)據(jù)，總計進行了3 次海上試驗，最遠通信距離33.5 km（能見度15 km），最大接收光功率?31.3 dBm，受大氣湍流的影響，設(shè)備采用100 μm 探測器的情況下，接收光功率抖動明顯，丟包率1%，滿足海上艦船間通信的需求。

表2 艦載激光通信設(shè)備外場測試情況Tab.2 Field test of shipborne laser communication equipment

4 結(jié)語

本文采用Naboulsi 模型進行基于海面信道的艦載激光通信參數(shù)設(shè)計及鏈路功率余量分析，介紹艦載長距離激光通信、動平臺掃描捕獲跟蹤和高精度視軸穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)及總體設(shè)計方案，利用研制的艦載激光通信設(shè)備搭載于艦船在海上進行了應(yīng)用測試，實現(xiàn)了32 km，1 000 M 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。試驗表明設(shè)備的各項性能參數(shù)符合設(shè)計要求，為在艦船上的實際應(yīng)用提供了支撐。下一步，需要提升艦載激光通信設(shè)備通信的穩(wěn)定性x 和易用性，并針對艦船組網(wǎng)應(yīng)用進行深入研究。