CN102075252A - 基于水下光缆的水下航行体通信方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感、保密通信技术领域，具体为基于水下光缆的水下航行体通信方法与系统。本发明利用既有的水下光缆作为声传感器，构建水下被动声传感系统，用于接收水下航行体对其发出的声信号，并将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，再通过解调设备，还原信号，达到单向通信的目的。该解调设备具有保密性和唯一性。该技术具有水下通信深度大，抗毁性好，隐蔽性强，通信抗干扰，保密性能强，实时、快速的特点。使用本发明的方法，可新布设光缆传感网络，也可利用既有的水下光缆网络体系，构建一个遍布海洋的被动声接受网，实现水下航行体与陆上基站单向通信。

Description

基于水下光缆的水下航行体通信方法与系统

技术领域

本发明属于光纤传感、保密通信技术领域，具体涉及一种基于水下布设的水下光缆实现水下航行体主动与岸基基站进行单向通信的方法与系统。

背景技术

水下航行体的通信，尤其是深潜状态下的通信，一直是公认的难题。由于短波在水中衰减很快，水中与岸上的联络主要依靠长波和甚长波通信，以被动接收为主，即水下航行体在规定的时间内按照规定的频率，浮出水面或将接收天线伸出水面，接收岸上发送的信息。但是，有时水下航行体需要和陆上指挥部主动联络，这时，则需要在水中施放浮标天线或浮力天线，即把天线施放到水面。这种方式给主动联络带来了很大的不便。因为水下航行体浮出水面在远距离用短波通信，其信号本身就不保密，可能被敌方截获破译，并测出航行体的位置，而且露出水面的浮标天线也有可能被敌方雷达探测到，这就大大增加了航行体暴露的机率。同时，这种方式也不能很好的满足水下航行体在工作深度上进行不间断通信的要求，且在航行体改变深度时很难保持持续通信。

为了能够更好地满足水下通信要求，人们一直在寻找新的通信方式。1980年代以来，陆续提出的一些新技术，如中微子通信技术，蓝绿激光技术，同样存在需要构建全新陆基场站，需要天基飞行器、卫星支持，研发周期长，技术原理性难题多，难以以相对经济、便捷的方式，在有限的时间内，填补航行体水下通信的技术和装备空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经济、便捷、快速实现水下航行体主动与岸基基站进行单向通信的方法与系统。

本发明提出的水下航行体主动与岸基基站进行单向通信的方法，利用布设通讯传输两用光缆，或是利用既有的水下光缆，构建水下的被动声传感系统，实现水下，尤其是深潜状态的水下航行体与岸基基站的主动（单向）通信。该技术是利用光纤传感技术，将布设在水下的光缆作为声传感器，接收水下航行体对其发出的声信号，并将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，然后通过解调设备，还原信号，实现单向通信。水下航行体可以从一定距离外向光缆发出声信号（例如通过主动声纳），也可以是通过接近光缆后以机械接触方式直接敲击光缆等产生信号。具体实现方法，如图1所示。

实现单向通信方法的声传感系统，是一种水下光缆6与光纤干涉组件2、反馈装置5构成的干涉光路结构，还包括光电转换及放大装置3、数据处理分析终端4；其中，光纤干涉组件2是由光纤器件构成的单元，光源1从光纤干涉组件2输入，光纤干涉组件2将光源1注入的光进行处理后注入到水下光缆6中，从水下光缆6中返回重新进入光纤干涉组件2中的光在其中发生干涉，干涉信号最终经光纤干涉组件2输出，并从水下光缆6出射进入反馈装置5，经反馈装置5处理后，重新进入水下光缆6中；反馈装置5可以是光纤器件，也可以是由多个光纤器件构成的组件。7为水下光缆上的任一干扰点，当点7处感应到的来自水下航行体发出的信号，由于光弹效应，光纤会产生微变，经7点传输的光的相位会发生改变。干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经光纤干涉组件2输出。光电转换及放大装置3将光信号变成电信号，数据处理分析终端4对电信号进行处理、分析，从而获得水下航行体传送的信息。

水下航行体发出的信号，可以是以主动声纳等换能装置发出的声信号，通过水的传播，以声压的形式作用到水下光缆上；也可以是驶近光缆后，以机械方式直接对水下光缆进行的敲击。

使用本发明可以将水下航行体发出的预先约定内容的编码声信号，或敲击信息，通过水下光缆传输至远端岸上的基站，从而实现信息的单向发送。

通过本发明获得的信号，还可提取出水下航行体的位置信息。

用于构建本发明干涉光路的水下光缆可以是水下光缆中冗余的光纤，也可以通过波分复用技术与通信信号复用光纤通道。

图2是本发明的一种干涉结构实现方式。光纤干涉组件2由N×M（N、M为整数）耦合器8、P×Q（P、Q为整数）耦合器9、光纤延迟器10（延迟为τ）构成。8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为耦合器8的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是耦合器8的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。9a1、9a2、9b1为耦合器9的端口，9a1、9a2是耦合器9的一组同向端口（共P个）中的两个端口，9b1是耦合器9的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。作为感应光纤（拾取水下航行体发出的信息）的水下光缆6接在耦合器9的端口9a1。在该结构中，存在两路光：

两路Ⅰ：端口8b1→光纤延迟器10→端口9a1→端口9b1→水下光缆6（点7）→反馈装置5→水下光缆6（点7）→端口9b1→端口9a2→端口8b2；

两路Ⅱ：端口8b2→端口9a2→端口9b1→水下光缆6（点7）→反馈装置5→水下光缆6（点7）→端口9b1→端口9a1→光纤延迟器10→端口8b1。

箭头所指方向表示光经过的路径。 

这两路光在耦合器8处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口8a1、8a2、…、8aN输出。

这样，水下光缆6以相位调制的方式获得的信息，通过干涉结构，以光强变化的方式被提取出来。对干涉信号采用相位还原等使用的算法，即可将水下光缆6拾取的信息解调出来，从而获得水下航行体发送的信息。

通过对信号频谱特征的分析，还可获得位置信息。设水下航行器对发出的信号对水下光缆6上的点7产生的相位调制为                                                

，则因反馈装置5的作用先后两次经过点7，相位受到的调制为：

其中，

，L为点7距反馈装置5的距离，c为真空中的光速，

为光纤的等效折射率。

则两相互干涉的光之间的相位差为：

在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”， “陷波点”如图3所示，在这幅通过时频变换得到的幅度-频率图中，“○”所标示的位置即为频率陷波点。陷波点与扰动位置的关系为：

 

其中，

为k阶陷波点的频率。因此，根据陷波点的位置即可确定点7的位置，也即，可确定水下航行器的位置。

本发明利用水下光缆作为水下航行体发送信息的手段，其突出特点是：

（1）抗毁性好。不需要在陆基上架设庞大的天线阵列、不需要天基飞行器或卫星中继。

（2）隐蔽性强。不需要水下航行体付出或接近水面，导致暴露，尤其对于深潜的状态，优势更加明显。

（3）通信抗干扰。无需考虑电磁兼容问题，不受环境的电磁辐射影响，且抗电子干扰能力强。通过声-光转换，不存在电磁转换环节。

（4）保密性能强。在水下光缆中传输的携带信息的光信号光强没有变化，从水下光缆中无法通过现有的光纤信息窃取方式防止截获信息，且不会被探测出有信息正在发送，这也是隐蔽性强的又一体现。而在路基接收端，需要特殊的专用设备解调信号，设备本身可设软硬件密钥。

（5）不受航行体在水下深度的限制。

（6）具有实时，快速性。

（7）经济性强。可利用既有的水下通讯光缆系统实现功能。

使用本发明的方法，可利用既有的海底光缆网络体系，构建一个遍布海洋的被动声传感——水下航行体与岸上主动通信的单向通信体系。

附图说明

图1本发明的实现方法的系统图示。

图2是本发明的一种干涉结构实现方式。

图3是从干涉信号解调出的相位信号的频谱，“○”为频率“陷波点”。

图中标号：1为光源， 2为光纤干涉组件，3为光电转换及放大装置，4为数据处理分析终端，5为反馈装置，6为水下光缆，7为水下光缆上的任一点，8为N×M耦合器，9为P×Q耦合器，10为光纤延迟器；8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为N×M耦合器8的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是N×M耦合器8的另一组同向端口（共M个）中的两个端口；9a1、9a2、9b1为P×Q耦合器9的端口，9a1、9a2是P×Q耦合器9的一组同向端口（共P个）中的两个端口，9b1是P×Q耦合器9的另一组同向端口（共Q个）中的一个端口。

具体实施方式

在本实施例中，采用是图2所示的干涉结构。耦合器8采用的是3××3均分耦合器，耦合器9采用的是均分的2×2耦合器，均为武汉邮电研究院生产；光纤延迟线圈10用单模光纤绕制而成；反馈装置5选用末端镀反射膜制成的光纤反射镜；光源采用的是中心波长为1300nm的SLD光源，为电子集团总公司44研究所生产。选取水下光缆中冗余的一芯，其一端与耦合器9的端口9b1相连，另一端接光纤反射镜。光纤干涉组件2需置于隔音设备中以屏蔽外界干扰。光源从光纤耦合器8的端口8a1输入，干涉信号从端口8a2、8a3输出。输出的光信号用44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器将其转为电信号经过放大等信号调理后，通过National Instruments公司数据采集卡PCI-6122将电信号采集进计算机进行信号处理，还原出水下光缆接收到的信号。

本实施例中，光纤干涉组件、光电转换及处理装置、数据分析终端皆位于陆上基站的接收中心。这样，确保了信息在传送过程中的安全性。

Claims (10)

1.一种基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于利用光纤传感技术，将布设在水下的光缆作为声传感器，构建声传感系统，用于接收水下航行体对其发出的声信号，并将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，然后通过解调设备，还原信号，实现单向通信；其中：

所述声传感系统，是一种水下光缆（6）与光纤干涉组件（2）、反馈装置（5）构成的干涉光路结构，还包括光电转换及放大装置（3）和数据处理分析终端（4）；光纤干涉组件（2）是由光纤器件构成的单元，光源（1）从光纤干涉组件（2）输入，光纤干涉组件（2）将光源（1）注入的光进行处理后注入到水下光缆（6）中，从水下光缆（6）中返回重新进入光纤干涉组件（2）的光在光纤干涉组件（2）中发生干涉，干涉信号最终经光纤干涉组件（2）输出，并从水下光缆（6）出射进入反馈装置（5），经反馈装置（5）处理后，重新进入水下光缆（6）中； 水下光缆（6）上的任一干扰点（7）处感应到的来自水下航行体发出的信号，由于光弹效应，使光纤产生微变，经干扰点（7）传输的光的相位会发生改变；干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经光纤干涉组件（2）输出；光电转换及放大装置（3）将光信号变成电信号，数据处理分析终端（4）对电信号进行处理、分析，从而获得水下航行体传送的信息。

2.根据权利要求1所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述水下航行体发出信号，是以主动声纳换能装置发出的声信号，通过水的传播，以声压的形式作用到水下光缆（6）上；或者是水下航行体驶近水下光缆（6）后，以机械方式直接对水下光缆（6）进行敲击发出信号。

3.根据权利要求1所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述光纤干涉组件（2）由N×M耦合器（8）、P×Q耦合器（9）、光纤延迟器（10）构成；光纤延迟器（10）的延迟为τ，N、M为整数，P、Q为整数；记8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为N×M耦合器（8的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是N×M耦合器（8）的另一组同向M个端口中的两个端口，9a1、9a2、9b1为P×Q耦合器（9）的端口，9a1、9a2是P×Q耦合器（9）的一组P个同向端口中的两个端口，9b1是耦合器（9）的另一组Q个同向端口中的一个端口；作为感应光纤的水下光缆（6）接在P×Q耦合器（9）的端口9a1；在该结构中，形成两路光：  

光路Ⅰ：端口8b1→光纤延迟器（10）→端口9a1→端口9b1→水下光缆（6）→反馈装置（5）→水下光缆（6）→端口9b1→端口9a2→端口8b2；

光路Ⅱ：端口8b2→端口9a2→端口9b1→水下光缆（6）→反馈装置（5）→水下光缆（6）→端口9b1→端口9a1→光纤延迟器（10）→端口8b1；

箭头所指方向表示光经过的路径；

这两路光在N×M耦合器（8）处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口8a1、8a2、…、8aN输出。

4.根据权利要求3所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述水下航行体传送的信息包括下航行体的位置信息；该位置信息获得方法如下：设水下航行器发出的信号对水下光缆（6）上的点（7）产生的相位调制为                                               

，由于反馈装置（5）的作用先后两次经过点（7），相位受到的调制为：

其中，

，L为点7距反馈装置（5）的距离，c为真空中的光速，

为光纤的等效折射率；

两相互干涉的光之间的相位差为：

在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即陷波点，陷波点与扰动位置的关系为：

 

其中，

为k阶陷波点的频率；根据陷波点的位置即可确定点（7）的位置，也即确定水下航行器的位置。

5.根据权利要求3所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述声传感系统中的水下光缆是水下光缆中冗余的光纤，或者通过波分复用技术与通信信号复用的光纤通道。

6.根据权利要求3所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述的光纤干涉组件、光电转换及处理装置、数据分析终端皆位于陆上基站的接收中心。

7.一种基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于利用光纤传感技术，将布设在水下的光缆作为声传感器，构建声传感系统，用于接收水下航行体对其发出的声信号，并将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，然后通过解调设备，还原信号，实现单向通信；其中：

所述声传感系统，是一种水下光缆（6）与光纤干涉组件（2）、反馈装置（5）构成的干涉光路结构，还包括光电转换及放大装置（3）和数据处理分析终端（4）；光纤干涉组件（2）是由光纤器件构成的单元，光源（1）从光纤干涉组件（2）输入，光纤干涉组件（2）将光源（1）注入的光进行处理后注入到水下光缆（6）中，从水下光缆（6）中返回重新进入光纤干涉组件（2）的光在光纤干涉组件（2）中发生干涉，干涉信号最终经光纤干涉组件（2）输出，并从水下光缆（6）出射进入反馈装置（5），经反馈装置（5）处理后，重新进入水下光缆（6）中； 水下光缆（6）上的任一干扰点（7）处感应到的来自水下航行体发出的信号，由于光弹效应，使光纤产生微变，经干扰点（7）传输的光的相位会发生改变；干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经光纤干涉组件（2）输出；光电转换及放大装置（3）将光信号变成电信号，数据处理分析终端（4）对电信号进行处理、分析，从而获得水下航行体传送的信息。

8.根据权利要求7所述的基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于所述光纤干涉组件（2）由N×M耦合器（8）、P×Q耦合器（9）、光纤延迟器（10）构成；光纤延迟器（10）的延迟为τ，N、M为整数，P、Q为整数；记8a1、8a2、…、8aN、8b1、8b2为N×M耦合器（8的端口，8a1、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8b1、8b2是N×M耦合器（8）的另一组同向M个端口中的两个端口，9a1、9a2、9b1为P×Q耦合器（9）的端口，9a1、9a2是P×Q耦合器（9）的一组P个同向端口中的两个端口，9b1是耦合器（9）的另一组Q个同向端口中的一个端口；作为感应光纤的水下光缆（6）接在P×Q耦合器（9）的端口9a1；在该结构中，形成两路光：  

光路Ⅰ：端口8b1→光纤延迟器（10）→端口9a1→端口9b1→水下光缆（6）→反馈装置（5）→水下光缆（6）→端口9b1→端口9a2→端口8b2；

光路Ⅱ：端口8b2→端口9a2→端口9b1→水下光缆（6）→反馈装置（5）→水下光缆（6）→端口9b1→端口9a1→光纤延迟器（10）→端口8b1；

箭头所指方向表示光经过的路径；

这两路光在N×M耦合器（8）处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口8a1、8a2、…、8aN输出。

9.根据权利要求7所述的基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于所述声传感系统中的水下光缆是水下光缆中冗余的光纤，或者通过波分复用技术与通信信号复用的光纤通道。

10.根据权利要求8所述的基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于所述的光纤干涉组件、光电转换及处理装置、数据分析终端皆位于陆上基站的接收中心。

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