光通信技術(shù)在潛艇武器系統中的應用

        光纖制導技術(shù)具有信息傳輸容量大、制導精度高及隱蔽性好等特點(diǎn)，光纖制導武器由于質(zhì)量輕、體積小和費用低，成為延長(cháng)并提高有線(xiàn)制導距離和武器命中概率的重要途徑。

        隨著(zhù)潛艇武器系統的發(fā)展，以及系統中各設備間通信內容的增加，傳統的通信形式和通信介質(zhì)難以滿(mǎn)足要求，所以光通信以其容量大、時(shí)延短、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。潛艇武器通信系統包括系統中各設備間的通信以及潛艇武器系統與武器之間的通信。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，武器的速度和航程已經(jīng)遠遠超出了原來(lái)的范圍，隨之而來(lái)的是高航速、大航程帶來(lái)了更多的信息通信量，基于傳統金屬導線(xiàn)的通信形式難以滿(mǎn)足大量的信息交換的要求，于是光纖通信技術(shù)以其自身的諸多優(yōu)勢，逐漸受到了人們的普遍關(guān)注。

        1.光纖通信技術(shù)在潛艇武器系統中應用是必然

        在講述潛艇武器系統之前首先講一下通信系統的分類(lèi)：

        1)按消息的物理特性分類(lèi)：根據消息的物理特征不同，通信系統可以分為電報通信系統、電話(huà)通信系統、數據通信系統和圖像通信系統等。

        2)按調制方式分類(lèi)：根據是否采用調制，可將通信系統分為基帶傳輸和頻帶(調制)傳輸。

        3)按信號特征分類(lèi)：可以分為模擬通信系統和數字通信系統。

        4)按傳輸媒介分類(lèi)：分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩類(lèi)。 

        5)按信號復用方式分類(lèi)：傳送多路信號有3種復用方式，即頻分復用、時(shí)分復用和碼分復用。頻分復用是用頻譜搬移的方法使不同信號占據不同的頻率范圍；時(shí)分復用是用抽樣的或脈沖調制方法使不同信號占據不同的時(shí)間區間；碼分復用是用一組包含相互正交的碼組攜帶多路信號。

        按照上述的分類(lèi)標準，潛艇武器系統屬于時(shí)分復用、有線(xiàn)、數字、頻帶傳輸、數據通信系統。在潛艇武器系統中采用光纖通信技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

        1)通信容量大：采用光纖通信遠遠大于傳統的采用金屬導線(xiàn)的通信容量；

        2)通信可靠； 

        3)光纖密度小，質(zhì)量輕：光纖成分為二氧化硅，所以其密度小于銅導線(xiàn)，在海水中是零浮力或者正浮力，所以無(wú)論通信距離多長(cháng)，都不需考慮自身重力對整個(gè)通信系統的影響；

        4)光纖物美價(jià)廉：光纖的物理成分為二氧化硅，在自然界中含量很高，而且民用光纖已發(fā)展得很成熟，所以成本較低；
        5)抗電磁干擾能力加強：眾所周知，在潛艇武器系統通信中電磁干擾是一大難題，但光纖通信由于采用了光信號形式，也就自然擺脫了電磁干擾的困擾；

        6)民用技術(shù)成熟，便于移植：現在光纖通信技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛而深入的研究，并且在電信等領(lǐng)域已得到了廣泛應用，所以光纖通信在潛艇武器系統中的應用可以在民用技術(shù)的基礎上進(jìn)行移植，縮短了研制周期和成本。

        2.光纖通信系統的實(shí)現

        2．1 光纖通信系統的組成 

        光通信系統一般由光發(fā)送部分、光接收部分、光源、光電檢測器、光波分復用器、光連接器等部分組成。下面對其中的幾部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

        1）光發(fā)送機和接收機

        要實(shí)現信息傳輸，必須實(shí)現光調制和解調。信息信號對光源發(fā)出的光信號的調制即光調制。調制后的光信號經(jīng)過(guò)光纖傳送到光檢測器，經(jīng)過(guò)處理再恢復出原有的信息，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為解調。光信號的調制是光發(fā)送機來(lái)完成的，解調是光接收機來(lái)完成的。光信號的幅度、頻率、相位和光強都可以被調制。對數字調制而言，前3種的調制方式與電信號的ASK，FSK，PSK相對應，光強度調制(IM)是目前光纖通信中最主要的調制方式。光強調度制用電信號的“1”，“0”來(lái)控制光源的開(kāi)和關(guān)，因而也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)鍵控制OOK(On-Off-Key)方式，它既可以直接對光源進(jìn)行調制，也可以采用外調制器。直接調制方便，價(jià)格低廉；外調制技術(shù)復雜，價(jià)格高，但性能優(yōu)越。

        2）光電檢測器

        光電檢測器是光纖通信系統的一個(gè)核心器件，主要完成光信號到電信號的轉換功能，要求具有靈敏度高、響應時(shí)間短、噪聲小、消耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前能較好地滿(mǎn)足這些要求的是由半導體材料做成的光電檢測器。實(shí)際應用的光電檢測器有兩種類(lèi)型。一種是PIN光電二極管(PIN-PD)；另一種是雪崩光電二極管(APD)。PIN光電二極管主要應用于短距離、小容量的光纖通信系統；APD主要應用于長(cháng)距離、大容量的光纖通信系統。

        3）光波分復用器 

        光波分復用器的功能是把多個(gè)不同的光信號復合在一起，并注入到一根光纖傳輸。體特性的好壞很大程度上決定了整個(gè)系統的性能。根據其制造方法的不同，光波分復用器可以分為4種類(lèi)型：角色散型，介質(zhì)膜干涉型，光纖耦合型和集成光波導型。 

        4）光纖連接器 

        光纖連接方法：熔接法，V型槽機械連接和彈性管連接。 

        連接損耗分為內部損耗和外部損耗，外部損耗又稱(chēng)為機械對準誤差或連接錯位損耗，它顧名思義是由于光纖之間的連接錯位引起的損耗。內部損耗又稱(chēng)為與光纖相關(guān)的損耗，這主要是由于光纖的波導特性和幾何特性的差異導致的損耗。連接錯位一般有以下幾種情況：軸向位移，連接間隔，傾斜位移，截面不平。 

        2．2 光纖通信系統中的關(guān)鍵參數

        1)平均發(fā)送光功率 

        光發(fā)送機的平均發(fā)送光功率，是在正常條件下光發(fā)送機發(fā)送光源尾纖輸出的平均光功率。平均發(fā)送光功率指標應根據整個(gè)系統的經(jīng)濟性、穩定性、可維護性及光纖線(xiàn)路的長(cháng)短等因素全面考慮，并不是越大越好。

        2)消光比

        消光比定義為全“1”碼平均發(fā)送光功率與全“0”碼平均發(fā)送光功率之比，可用式(1)表示：

        (1) 式中：P11為全“1”碼平均發(fā)送光功率；P00為全“0”碼平均發(fā)送光功率。消光比直接影響光接收機的靈敏度，從提高接收機靈敏度的角度希望消光比盡可能大，有利于減少功率代價(jià)，但也不是越大越好。大的消光比會(huì )產(chǎn)生諸如啁啾聲功率代價(jià)增加、激光器圖案相關(guān)抖動(dòng)增加等弊端。 

        3)光譜特性

        對于高速光纖通信系統，光源的光譜特性成為制約系統性能的至關(guān)重要的參數指標，它影響了系統的色散性能，需要仔細考慮。

        4)接收機的靈敏度

        用滿(mǎn)足給定的誤碼率(如10-9)指標條件下可靠工作所需要的最小平均光功率pmin(mw)來(lái)表示。工程上光接收機的靈敏度常用光功率相對值來(lái)表示，單位是分貝毫瓦(dBm)。二者的推算關(guān)系為： 

        (2) 式中：Pmin單位為W，S的單位即為dBm。當入射光功率P大于Pmin時(shí)，系統的誤碼率BER<10-9，能可靠地工作。當入射光功率小于Pmin時(shí)，誤碼率較大，不能正常工作?？梢?jiàn)某一光接收機能在最低的入射功率下，達到同樣的指標，該接收機靈敏度就比較高。

        5)接收機的動(dòng)態(tài)范圍

        是在保證系統的誤碼率指標要求下，光接收機最低輸入光功率Pmin和最大允許光功率Pmax的變化范圍。這個(gè)范圍用D表示，一般在工程上用二者(用dBm描述)之差來(lái)表示。其表示了光接收機對信號的適應能力，數值越大越好。

        (3) 之所以要求光接收機有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，是因為光接收機的輸入信號不是固定不變的，為了保證系統正常工作，光接收機必須具備適應輸入信號在一定范圍內變化的能力。低于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的下限(即靈敏度)，將產(chǎn)生過(guò)大的誤碼；高于這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的上限，在判決時(shí)亦將造成過(guò)大的誤碼。顯然一部好的光接收機應有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。

        2．3 光通信系統實(shí)現中需關(guān)注的幾個(gè)方面

        1)工作波長(cháng)的確定

        長(cháng)距離大容量的系統，則選用長(cháng)波長(cháng)的傳輸窗口，即1 310 nm和1 550 nm，因為這兩個(gè)波長(cháng)區具有較低的損耗和色散。另外還要注意所選用的波長(cháng)具有可供選擇的相對器件。

        2)光纖的選擇

        光纖有單模和多模光纖，每種都有階躍的和漸變折射率的纖芯分布。對于短距離傳輸和短波長(cháng)應用，可以用多模光纖。但長(cháng)波長(cháng)傳輸一般使用單模光纖。目前可以選用的單模光纖有G．652,G．653，G．654，G．655等。G．652對1 310 nm波段是最佳選擇，G653只適用于1 550 nm波段，對于WDM系統，G．655和大有效面積光纖是最合適。另外，光纖的選擇也與光源有關(guān)，LED與單模光纖的耦合率最低，所以L(fǎng)ED一般適合于多模光纖，但近年來(lái)的1 310 nm的邊發(fā)光二極管與單模光纖的耦合取得了進(jìn)展。另外，對于傳輸距離為數百米的系統，可以用塑料光纖配以L(fǎng)ED。

        3)光檢測器的選擇

        選擇光檢測器需要看系統在滿(mǎn)足特定誤碼率的情況下所需的最小接收光功率，即接收機的靈敏度，此外還要考慮檢測器的可靠性、成本和復雜程度。PIN比APD結構簡(jiǎn)單，溫度特性更穩定，成本低廉。正常情況下，PIN的偏置電壓低于5 V。但是若要檢測極其微弱的信號，還需要靈敏度較高的APD或PIN-PET等。

        4)光源的選擇

        選擇LED還是LD，需要考慮一些系統參數，比如色散、誤碼率、傳輸距離和成本等。LED輸出頻譜的譜寬比LD寬得多，這樣引起的色散較大，使得LED的傳輸容量(碼速距離積)較低，限制在2 500 Mb·s-1·km以下(1 310 nm)；而LD的譜線(xiàn)較窄，傳輸容量可達500 Gb·s-1·km以下(1 550 nm)。典型情況下，LD耦合進(jìn)光纖中的光功率比LED高出10 dB～15 dB，因此會(huì )有更大的無(wú)中繼傳輸距離。但是LD的價(jià)格比較昂貴，發(fā)送電路復雜，并需要自動(dòng)功率和溫度控制電路。而LED價(jià)格便宜，線(xiàn)性好，對溫度不敏感，線(xiàn)路簡(jiǎn)單。

        3.潛艇武器系統中的光纖通信系統還需解決的關(guān)鍵技術(shù)

        1)低衰耗色散小的光纖的研制 

        眾所周知，光纖傳輸系統一般采用1 310 nm和1 550 nm窗口作為傳輸信號。對于一般光纖1 310 nm典型值為：窗口的衰減為0．3 dB／km～0．4 dB／km，色散系數為Ops／nm-km～3．5 ps／nm-km；1 550 nm窗口的衰減為0．19 dB／km～0．25 dB／km，色散系數為15 ps／nm-km～20 ps／nm-km?？梢钥闯鏊p小的窗口，色散系數大，衰減大的窗口，色散系數小，因此研制出一種低色散、衰減小的光纖是非常必要的。

        2)提高光纖的抗形變能力

        由于武器的高速運動(dòng)而引起的光纖導線(xiàn)的較大形變，會(huì )對信號的可靠傳輸產(chǎn)生較大影響，故在工程應用中需要光纖有較強的抗形變能力。

        3)提高光連接器的使用壽命，減小插入損耗 

        因為潛艇裝備都具有較高的使用頻率和較長(cháng)的使用壽命，這就對關(guān)鍵設備的穩定性和可靠性提出了非常高的要求。對于光纖通信系統的關(guān)鍵部件——光纖連接器，要求其有較長(cháng)的使用壽命和較小的插入損耗，這也是急需解決的一項關(guān)鍵技術(shù)。
        4)大動(dòng)態(tài)范圍的可靠通信技術(shù)

        由于武器在水中高速運動(dòng)，隨著(zhù)運動(dòng)速度和海洋環(huán)境的變化，有可能對信號的傳輸產(chǎn)生較大的影響，這就對在較大動(dòng)態(tài)范圍下的信號傳輸提出了非常高的要求。

        5)快速運動(dòng)中的放線(xiàn)技術(shù)

        利用武器運動(dòng)過(guò)程中的拉力來(lái)實(shí)現光纖放線(xiàn)，可能導致光纖形變，帶來(lái)通信可靠性降低的問(wèn)題。解決方法有：a)采用抗形變光纖，即對形變不敏感的光纖；b)在光纖外增加一層保護層，減少拉力對光纖形變的影響；c)改變放線(xiàn)方式，減小放線(xiàn)過(guò)程中的拉力。

        4. 結論

        隨著(zhù)關(guān)鍵技術(shù)的逐步解決，光纖通信技術(shù)在潛艇武器系統中應用將成為現實(shí)，且優(yōu)越性將更加明顯?？梢灶A見(jiàn)在不久的將來(lái)，光纖通信技術(shù)在潛艇武器系統中將有更大的應用前景，同時(shí)由于潛艇武器系統采用光纖通信技術(shù)，其各方面的性能指標也將會(huì )有一個(gè)較大的提高。