舰载动中通无线光通信系统的设计与试验

唐玉春，冯 杰，罗广军

（1.总参信息化部 驻桂林地区军事代表室，广西 桂林，541004；2.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林，541004）

舰载动中通无线光通信系统的设计与试验

唐玉春1，冯 杰1，罗广军2

（1.总参信息化部 驻桂林地区军事代表室，广西 桂林，541004；2.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林，541004）

设计并实现了一种可以进行语音、数据以及实时图像等信息传输的舰载动中通无线光通信系统，进行了通信距离最远8.5km、通信速率为155M b/s的船上搭载动中通模拟实验。提出了一些海上无线光通信系统的发展建议。

舰载无线光通信；动中通；扫描捕获跟踪；伺服稳定系统

0 引言

近年来常用的舰队通信手段有旗语 （或信号灯）和无线电通信。但是，随着电子对抗技术的发展，无线电通信必将面临截获侦听、测向定位和全频谱高密度电磁压制等电子对抗作战的严重威胁。同时，随着舰艇编队视频会议、高清图像实时传输等大容量数据传输需求的增加，旗语（或信号灯）无线电通信已经难以满足日益增长的带宽需求。随着激光技术与激光器件技术水平的发展与提高，无线光通信技术备受各军事大国的青睐。无线光通信的传输媒介是红外光波段的不可见光，载波在100THz以上,且沿直线传播，光束极窄（mrad甚至μrad量级），难以被截获，具有安全保密性强、抗干扰能力强和通信容量大等优势[1]，正好可以弥补现有舰艇之间通信手段的不足，为舰艇与舰艇间的信息传输提供了一种高效实时、高可靠性的无线保障手段，在现代和未来战争以信息战和协同作战为特点的环境下,具有意义深远的军事应用价值。目前国内尚无装备舰艇的无线光通信设备，因此，本文提出并实现一种可以进行语音、数据和实时图像等信息传输的舰载动中通无线光通信系统，能实现舰艇高速行进中的远距离通信。

1 舰载动中通无线光通信系统的设计方案

舰载动中通无线光通信系统总体框图如图1所示。系统流程图如图2所示，具体工作流程如下。

图1 舰载无线光通信系统总体框图

①粗对准。初始时，两舰载无线光通信设备的光学天线并不是相互对准的，操作人员可利用已有的位置指示设备获得通信对象所在方向，并利用舱内监控终端控制稳定/跟踪系统朝位置指示设备指示的方向旋转，使光学天线大致指向通信对象。

②扫描和捕获。当本端光学天线大致指向远端通信对象后，操作人员可利用舱内监控终端启动稳定/跟踪系统的小范围扫描功能，使光学天线在一定范围内搜索远端通信对象，直至远端通信对象落入本端监控视野内。

③对准和跟踪。当远端通信对象落入本端监控视野后，稳定/跟踪系统会自动开启自动跟踪功能，使本端光学天线始终对准远端通信对象。

④建立通信。当两舰载无线光通信设备光学天线完全对准并相互跟踪后便可利用无线光通信设备进行通信。

图2 舰载无线光通信系统工作流程

2 通信系统中各子系统的实现方式

根据舰载无线光通信系统特点，将整个系统划分为3个子系统，分别为：舱内监控与通信子系统、无线光通信子系统、稳定/跟踪子系统，其组成框图如图3所示。

图3 舰载无线光通信系统组成框图

相比车载无线光通信系统，舰载动中通无线光通信系统最大的不同在于设计时需要针对海上舰船的振动和摇摆频率等问题为其设计合适的稳定/跟踪子系统，并且为保证通信质量，对跟踪精度也要求极高。同时，针对海上的特殊环境，舰载动中通无线通信系统需要特别加强防盐雾设计,可将其设计为分立系统，把与光学和稳定/跟踪无关的信号处理等工作全部放在舱内监控与通信子系统内，以减少海上环境对系统的影响。下面介绍3个子系统的实现方式。

2.1 舱内监控与通信子系统

舱内监控和通信子系统的结构框图如图4所示。系统主要组由控制端机与监视器、无线光通信端机和供电系统3部分组成。该系统的主要功能如下：①通过控制端机可人工控制稳定/跟踪系统转向，并启动小范围扫描功能。②通过监视器可观察到远端通信对象。③将语音、图像及数据链业务转换为光信号，通过光缆传输给无线光通信子系统；接收由无线光通信子系传输来的光信号，并将其转换成电信号，输送给各业务端机；将控制信号通过电缆传输给稳定/跟踪子系统。④为无线光通信子系统和稳定/跟踪子系统供电。

图4 舱内监控与通信子系统结构示意图

2.2 无线光通信子系统

无线光通信子系统主要有以下功能：信号光的准直、发射与接收，信标光的调制、准直、发射与接收。其主要组成部分如下：信号、信标收发光学天线；信标光、信号光光纤准直器；信号光接收探测器和接收集束光纤；信标光发射激光器与调制器。

本文采用“3发2收”的光学系统，该系统包括信号光发射筒2个，信号光接收筒、信标光发射筒和接收筒各1个，信标与信号采用不同波长的光进行传输，降低了发射信号对接收信号的干扰。光学系统的设计之所以没有采用收发合一的设计方案是因为收发合一的光学系统调试难度大，且可靠性低，不宜于在恶劣环境中使用。无线光通信子系统的结构框图如图5所示。

图5 无线光通信子系统结构

本系统的设计对信标光加以一定频率的信号调制，利于信标光接收系统从背景光中选择出信标光，完成对信标光的捕捉。对于信号光，发射机采用高功率掺铒光纤放大器（EDFA），出射功率可达33dBm，发散角为0.1mard，探测器灵敏度为-35dBm，接收口径为120mm，通信距离为30km，可得几何损耗为-28dBm。因此，本系统容许的大气损耗衰减系数为1.3dB/km，可以在除中雾和浓雾外的大部分天气条件下应用。

2.3 稳定/跟踪子系统

稳定/跟踪子系统是保证舰载无线光通信系统激光通信链路正常、可靠通信的重要保证系统，主要功能是保证光学天线之间的光束视轴能在一定精度要求条件下实现动态对准，其工作原理如图6所示。该系统的具体功能如下：捕获，由接收端确定发射光束的到达方向；瞄准，使发射机对准正确的方向；跟踪，在通信期间，维持瞄准和跟踪的任务。

图6 稳定/跟踪子系统工作原理

稳定/跟踪子系统可以粗略地分为惯性稳定系统和动态跟踪系统两大部分，主要由实时稳定分系统、高速跟踪分系统、光电探测分系统（CCD、四象限探测器及光学镜头）和减振装置这4个分系统组成。

减振装置的目的是将舰艇上的高频振动（如舰艇马达工作产生的高频振动、风力产生的高频振动）隔离，并转换成低频振动。实时稳定系统以惯性陀螺仪角振动传感器为核心，实时感测舰艇产生的摇摆和部分振动等姿态变化，保证发射激光束在一定精度要求条件下能对准远端通信对象。高速跟踪平台的设计目的是通过CCD和四象限探测器实时感测通信对象的信标光位置，并通过高速伺服电机实时修正本端天线指向，以保证舰载无线光通信系统光学天线时刻对准。通过以上“实时稳定＋高速跟踪”方式的联合处理，舰载无线光通信系统将具有实时动态感测舰艇载体摇摆、振动等姿态变化的功能。同时，系统具有补偿载体姿态变化引起的光束指向偏差功能，通过高速跟踪处理，可以保证发射、接收激光束在一定精度要求下实现对准。

3 试验结果和分析

为了验证舰载动中通无线光通信系统的工作性能，我们于2013年8月在广西桂林市青狮潭水库进行了水上搭载动中通无线光通信实验。设备一端位于车上固定，另一端搭载于船上并在青狮谭水库巡游，通信距离为4.5～8.5km。实验分3次进行，分别选择了晴、雨、雾3种不同的天气条件，每次试验持续时间分别为6.5h、9h和26h，测试得到的情况如表1所示。

表1 舰载动中通无线光通信系统外场测试数据

根据数据统计可以看出，本系统的通信误码率在阴天最优，其次是晴天、小雨和雾。这是因为晴天水面上会有较大的湍流，而水面上的小雨会产生微弱水雾，雾对激光吸收较大。由于条件有限，设备没有进行舰载实验，但我们通过三维摇摆台模拟舰艇摇摆幅度和频率进行了室内模拟实验和长时间船上模拟实验。实验结果可以证明舰载动中通无线光通信系统的伺服稳定系统与扫描捕获跟踪系统能满足大部分情况下的稳定跟踪，保障通信正常进行。

4 发展建议

基于无线光通信技术的特点，未来舰载无线光通信系统在舰艇编队的通信保障中必将占据重要地位，目前国内还没有舰载无线光通信设备装备舰艇，需加快发展进程。对此，本文提出以下几点发展建议。

①发展点对点无线光通信链路技术，实现舰载机之间、舰载机与舰艇之间、舰艇与舰艇之间的信息传输，包括大容量（2.5～10Gb/s）短距离（10km）、长距离（50km）语音信息（19.2kb/s）传输[2,3]。同步发展水下蓝绿光通信技术，采用蓝绿光实现短距离（300～500m，5Mb/s）和大容量（500Mb/s，30m）水下光通信。

②通过空中平台中继,实现舰艇与岸、舰艇与舰艇之间的远距离（200～1000km）大容量信息传输。目前美国利用飞行高度为8km的飞机实现了200km，10Gb/s的通信[4,5]，通过飞机中继，可以实现1000km以上的大容量信息传输，平流层飞艇（飞行高度为18～25km）成熟后，可不需中继直接建立1000km以上的通信联络，中继实现几千千米以上的通信。

③组建舰艇编队无线光通信网络，实现舰艇编队和舰载机之间的组网通信，为保障可用率，在前期技术不成熟的情况下，可考虑采用无线光/微波混合通信手段，进行优势互补。

④建立动态实时的陆海空天立体无线光通信网络，实现舰艇编队、岸、空中平台、水下潜艇和卫星之间的实时高速组网通信，并兼容现有海军无线电通信网络和地面光纤通信网络。

5 结束语

本文介绍了一种舰载动中通无线光通信系统的实现方案，并通过实验验证了该系统的可行性。本文的设计为舰艇与舰艇之间的信息传输提供了一种实时高效、可靠性强且安全保密的无线通信保障手段。由于舰载动中通无线光通信系统要在随参大气信道中传输数据，需要通过舰艇搭载试验等大量外场试验来验证其工作性能。因此，我们的下一步工作是进行实际的舰艇-舰艇通信试验，并根据试验采集的数据对系统的自动跟踪与伺服稳定系统进行修正。同时，我们还需对海上各种气候条件下的大气信道参数进行长期测量，为舰载动中通无线光通信系统的优化设计提供数据基础。

[1]李鑫.舰船激光通信系统的大气特性及系统优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2008.

[2]林贻翔,艾勇,单欣,等.船-岸无线激光通信实验[J].光电子.激光,2014, 25(3)：478-484.

[3]KAVEHRAD M,HAMZEH B.Laser communication system using wavelet-based multi-rate signaling[C].Proceedings of the IEEE Military Communications Conference,2004.

[4]STADLER B,DUCHAK G.Terahertz operational reachback a mobile free space optical network technology program[C].IEEE Aerospace conference proceedings,2004.

[5]MOORE C I,BURRIS H R,SUITE M,et al.Lasercomm demonstration during US navy trident warrior 06 forcenet exercise[C].Honolulu：IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2007.

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，工程师，主要从事军事光通信方面的工作。