光通信技術(shù)在潛艇武器系統(tǒng)中的應(yīng)用

        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)超出了原來的范圍，隨之而來的是高航速、大航程帶來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，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，所以無論通信距離多長，都不需考慮自身重力對整個(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、光電檢測器、光波分復(fù)用器、光連接器等部分組成。下面對其中的幾部分進(jìn)行簡單介紹：

        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)過光纖傳送到光檢測器，經(jīng)過處理再恢復(fù)出原有的信息，這個(gè)過程稱為解調(diào)。光信號(hào)的調(diào)制是光發(fā)送機(jī)來完成的，解調(diào)是光接收機(jī)來完成的。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”來控制光源的開和關(guān)，因而也被稱為開關(guān)鍵控制OOK(On-Off-Key)方式，它既可以直接對光源進(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）光電檢測器

        光電檢測器是光纖通信系統(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器。實(shí)際應(yīng)用的光電檢測器有兩種類型。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)來表示。工程上光接收機(jī)的靈敏度常用光功率相對值來表示，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?？梢娔骋还饨邮諜C(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)之差來表示。其表示了光接收機(jī)對信號(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)工作波長的確定

        長距離大容量的系統(tǒng)，則選用長波長的傳輸窗口，即1 310 nm和1 550 nm，因?yàn)檫@兩個(gè)波長區(qū)具有較低的損耗和色散。另外還要注意所選用的波長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應(yīng)用，可以用多模光纖。但長波長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(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(shù)百米的系統(tǒng)，可以用塑料光纖配以LED。

        3)光檢測器的選擇

        選擇光檢測器需要看系統(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，此外還要考慮檢測器的可靠性、成本和復(fù)雜程度。PIN比APD結(jié)構(gòu)簡單，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，對溫度不敏感，線路簡單。

        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的使用壽命，這就對關(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，有可能對信號(hào)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(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)過程中的拉力來實(shí)現(xiàn)光纖放線，可能導(dǎo)致光纖形變，帶來通信可靠性降低的問題。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(hù)層，減少拉力對光纖形變的影響；c)改變放線方式，減小放線過程中的拉力。

        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)見在不久的將來，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。