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光通信技術(shù)在潛艇武器系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

        隨著潛艇武器系統(tǒng)的發(fā)展,以及系統(tǒng)中各設(shè)備間通信內(nèi)容的增加,傳統(tǒng)的通信形式和通信介質(zhì)難以滿足要求,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(tǒng)包括系統(tǒng)中各設(shè)備間的通信以及潛艇武器系統(tǒng)與武器之間的通信。隨著技術(shù)的發(fā)展,武器的速度和航程已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(tǒng)金屬導(dǎo)線的通信形式難以滿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(shì),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(tǒng)中應(yīng)用是必然

        在講述潛艇武器系統(tǒng)之前首先講一下通信系統(tǒng)的分類:

        1)按消息的物理特性分類:根據(jù)消息的物理特征不同,通信系統(tǒng)可以分為電報(bào)通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和圖像通信系統(tǒng)等。

        2)按調(diào)制方式分類:根據(jù)是否采用調(diào)制,可將通信系統(tǒng)分為基帶傳輸和頻帶(調(diào)制)傳輸。

        3)按信號(hào)特征分類:可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

        4)按傳輸媒介分類:分為有線和無(wú)線兩類。 

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

        按照上述的分類標(biāo)準(zhǔn),潛艇武器系統(tǒng)屬于時(shí)分復(fù)用、有線、數(shù)字、頻帶傳輸、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在潛艇武器系統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的采用金屬導(dǎo)線的通信容量;

        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(dǎo)線,在海水中是零浮力或者正浮力,所以無(wú)論通信距離多長(zhǎng),都不需考慮自身重力對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)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(qiáng):眾所周知,在潛艇武器系統(tǒng)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(hào)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(xiàn)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(yīng)用,所以光纖通信在潛艇武器系統(tǒng)中的應(yīng)用可以在民用技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行移植,縮短了研制周期和成本。

        2.光纖通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

        2.1 光纖通信系統(tǒng)的組成 

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

        1)光發(fā)送機(jī)和接收機(jī)

        要實(shí)現(xiàn)信息傳輸,必須實(shí)現(xiàn)光調(diào)制和解調(diào)。信息信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)的調(diào)制即光調(diào)制。調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳送到光檢測(cè)器,經(jīng)過(guò)處理再恢復(fù)出原有的信息,這個(gè)過(guò)程稱為解調(diào)。光信號(hào)的調(diào)制是光發(fā)送機(jī)來(lái)完成的,解調(diào)是光接收機(jī)來(lái)完成的。光信號(hào)的幅度、頻率、相位和光強(qiáng)都可以被調(diào)制。對(duì)數(shù)字調(diào)制而言,前3種的調(diào)制方式與電信號(hào)的ASK,F(xiàn)SK,PSK相對(duì)應(yīng),光強(qiáng)度調(diào)制(IM)是目前光纖通信中最主要的調(diào)制方式。光強(qiáng)調(diào)度制用電信號(hào)的“1”,“0”來(lái)控制光源的開(kāi)和關(guān),因而也被稱為開(kāi)關(guān)鍵控制OOK(On-Off-Key)方式,它既可以直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制,也可以采用外調(diào)制器。直接調(diào)制方便,價(jià)格低廉;外調(diào)制技術(shù)復(fù)雜,價(jià)格高,但性能優(yōu)越。

        2)光電檢測(cè)器

        光電檢測(cè)器是光纖通信系統(tǒng)的一個(gè)核心器件,主要完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能,要求具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、噪聲小、消耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前能較好地滿足這些要求的是由半導(dǎo)體材料做成的光電檢測(cè)器。實(shí)際應(yīng)用的光電檢測(cè)器有兩種類型。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(yīng)用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng);APD主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)。

        3)光波分復(fù)用器 

        光波分復(fù)用器的功能是把多個(gè)不同的光信號(hào)復(fù)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(tǒng)的性能。根據(jù)其制造方法的不同,光波分復(fù)用器可以分為4種類型:角色散型,介質(zhì)膜干涉型,光纖耦合型和集成光波導(dǎo)型。 

        4)光纖連接器 

        光纖連接方法:熔接法,V型槽機(jī)械連接和彈性管連接。 

        連接損耗分為內(nèi)部損耗和外部損耗,外部損耗又稱為機(jī)械對(duì)準(zhǔn)誤差或連接錯(cuò)位損耗,它顧名思義是由于光纖之間的連接錯(cuò)位引起的損耗。內(nèi)部損耗又稱為與光纖相關(guān)的損耗,這主要是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性的差異導(dǎo)致的損耗。連接錯(cuò)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(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)

        1)平均發(fā)送光功率 

        光發(fā)送機(jī)的平均發(fā)送光功率,是在正常條件下光發(fā)送機(jī)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(biāo)應(yīng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性及光纖線路的長(zhǎng)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(jī)的靈敏度,從提高接收機(jī)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(duì)于高速光纖通信系統(tǒng),光源的光譜特性成為制約系統(tǒng)性能的至關(guān)重要的參數(shù)指標(biāo),它影響了系統(tǒng)的色散性能,需要仔細(xì)考慮。

        4)接收機(jī)的靈敏度

        用滿足給定的誤碼率(如10-9)指標(biāo)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(jī)的靈敏度常用光功率相對(duì)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(dāng)入射光功率P大于Pmin時(shí),系統(tǒng)的誤碼率BER<10-9,能可靠地工作。當(dāng)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(jī)能在最低的入射功率下,達(dá)到同樣的指標(biāo),該接收機(jī)靈敏度就比較高。

        5)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍

        是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下,光接收機(jī)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(jī)對(duì)信號(hào)的適應(yīng)能力,數(shù)值越大越好。

        (3) 之所以要求光接收機(jī)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍,是因?yàn)楣饨邮諜C(jī)的輸入信號(hào)不是固定不變的,為了保證系統(tǒng)正常工作,光接收機(jī)必須具備適應(yīng)輸入信號(hào)在一定范圍內(nèi)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(jī)應(yīng)有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。

        2.3 光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中需關(guān)注的幾個(gè)方面

        1)工作波長(zhǎng)的確定

        長(zhǎng)距離大容量的系統(tǒng),則選用長(zhǎng)波長(zhǎng)的傳輸窗口,即1 310 nm和1 550 nm,因?yàn)檫@兩個(gè)波長(zhǎng)區(qū)具有較低的損耗和色散。另外還要注意所選用的波長(zhǎng)具有可供選擇的相對(duì)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(duì)于短距離傳輸和短波長(zhǎng)應(yīng)用,可以用多模光纖。但長(zhǎng)波長(zhǎng)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(duì)1 310 nm波段是最佳選擇,G653只適用于1 550 nm波段,對(duì)于WDM系統(tǒng),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LED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(duì)于傳輸距離為數(shù)百米的系統(tǒng),可以用塑料光纖配以LED。

        3)光檢測(cè)器的選擇

        選擇光檢測(cè)器需要看系統(tǒng)在滿足特定誤碼率的情況下所需的最小接收光功率,即接收機(jī)的靈敏度,此外還要考慮檢測(cè)器的可靠性、成本和復(fù)雜程度。PIN比APD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,溫度特性更穩(wěn)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(cè)極其微弱的信號(hào),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(tǒng)參數(shù),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的譜線較窄,傳輸容量可達(dá)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(fù)雜,并需要自動(dòng)功率和溫度控制電路。而LED價(jià)格便宜,線性好,對(duì)溫度不敏感,線路簡(jiǎn)單。

        3.潛艇武器系統(tǒng)中的光纖通信系統(tǒng)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(tǒng)一般采用1 310 nm和1 550 nm窗口作為傳輸信號(hào)。對(duì)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(shù)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(shù)為15 ps/nm-km~20 ps/nm-km??梢钥闯鏊p小的窗口,色散系數(shù)大,衰減大的窗口,色散系數(shù)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(yùn)動(dòng)而引起的光纖導(dǎo)線的較大形變,會(huì)對(duì)信號(hào)的可靠傳輸產(chǎn)生較大影響,故在工程應(yīng)用中需要光纖有較強(qiáng)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?yàn)闈撏аb備都具有較高的使用頻率和較長(zhǎng)的使用壽命,這就對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性提出了非常高的要求。對(duì)于光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——光纖連接器,要求其有較長(zhǎng)的使用壽命和較小的插入損耗,這也是急需解決的一項(xiàng)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(yùn)動(dòng),隨著運(yùn)動(dòng)速度和海洋環(huán)境的變化,有可能對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生較大的影響,這就對(duì)在較大動(dòng)態(tài)范圍下的信號(hào)傳輸提出了非常高的要求。

        5)快速運(yùn)動(dòng)中的放線技術(shù)

        利用武器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的拉力來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖放線,可能導(dǎo)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(duì)形變不敏感的光纖;b)在光纖外增加一層保護(hù)層,減少拉力對(duì)光纖形變的影響;c)改變放線方式,減小放線過(guò)程中的拉力。

        4. 結(jié)論

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

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