CN111092662A - 跨介质高速激光通信仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光通信技术领域，具体涉及一种跨介质高速激光通信仪，其以系留光纤浮标平台为中继实现自由空间激光向上通信的飞行器潜艇双向通信方案，该通信仪以飞行器对潜艇下行蓝绿激光通信、以系留光纤浮标平台为中继实现跨介质向上通信的飞行器潜艇双向通信方案。与现有方案比较，本发明在上行链路通信中采用1550nm激光作为上行链路信号光，可以实现大视场高带宽高速率跨介质上行链路通信。
Description
技术领域
本发明属于激光通信技术领域，具体涉及一种跨介质高速激光通信仪，其以系留光纤浮标平台为中继实现自由空间激光向上通信的飞行器潜艇双向通信方案。
背景技术
大海在为潜艇提供隐蔽性的同时，也给潜艇的水下通信带来了巨大的挑战，因为海水屏蔽了绝大部分的电磁波，人们日常生活中广泛使用的无线电通信系统在海水下几乎都无法使用。寻找新型通信方式，实现实时、高速、安全保密、双向的通信能力，是充分发挥潜艇作战效能的重要前提。
当潜艇在水下时，当前应用的对潜水下通信方式主要依赖可穿透海水的长波电台(包括甚低频VLF和极低频ELF等频段)、水声通信等方式；而潜艇如要对外界通信则需要上浮至潜望镜深度或是释放水面浮标才能进行，这时一般采用高频等无线电作为载波。长波电台已成为各国对潜水下通信的主要手段，但其传输容量较低，双向通信难度高；水声通信传输容量稍大，但安全性能较低，且难以对岸对空通信；对于上浮至潜望镜深度的通信方式而言，上浮会导致潜艇暴露自身目标可能性增大；以无线电作为载波的浮标通信方式近年来发展迅速，但无线电被干扰定位的隐患仍无法得到根本性地根除。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现一种跨介质高速双向激光通信仪。
(二)技术方案
为解决现有技术问题，本发明提供一种跨介质高速激光通信仪，所述激光通信仪为一种飞行器与潜艇之间的双向激光通信系统，其包括：下行链路和上行链路；
所述下行链路用于飞行器向潜艇传输控制命令，下行链路利用蓝绿激光直接对潜艇通信；所述上行链路用于潜艇的紧急报告、求救和必要应答命令，上行链路以系留光纤浮标平台为中继，利用特定波长的激光作为光源，实现大功率高速率高带宽上行传输。
其中，所述上行链路所利用的特定波长的激光，为1550nm激光。
其中，所述下行链路中包括：潜艇位置预判模块、姿态测量模块、脉冲光束发射模块、光端机、多元探测器、滤光模块；其中，所述潜艇位置预判模块、姿态测量模块、脉冲光束发射模块设置在飞行器上；所述光端机、多元探测器、滤光模块设置于潜艇上。
其中，所述潜艇位置预判模块用于在预判按预案在水下隐蔽航行的潜艇的大概位置；
所述姿态测量模块用于通过姿态测量，解算光束指向；
所述光端机用于根据光束指向发射脉冲光束，照射到海洋表面某一区域，并在驻留时间内发送信息，然后进行预定模式扫描，直到覆盖整个海洋表面区域。
其中，所述驻留时间由通信容量和通信速率决定。
其中，所述脉冲光束为蓝绿激光。
其中，所述蓝绿激光的激光束通过自由空间、大气、云层的扩束、功率衰减和脉冲展宽后作用到海面，连同天空背景光经过海面和不同深度与质量的海水衰减后，
所述光端机用于接收脉冲光束；
所述多元探测器用于分集接收，提高灵敏度；
所述滤光模块用于对海底荧光和残余天空背景光进行抑制，进而提高接收单元的信噪比。
其中，所述上行链路包括：激光发射器、光纤放大器、光电调制器、光纤释放机构、光纤收回机构、浮漂平台、发射天线；
所述光纤释放机构用于在启动上行通信时，将浮漂平台释放；
所述激光发射器用于发射1550nm激光，通过光纤放大器和高速光电调制器，实现信息流的传输；
所述光纤收回机构用于在上行通信结束后，收回浮漂平台；
所述发射天线设置在浮漂平台上，用于在上行通信过程中，向空域发射携带信息流的激光束。
其中，所述光纤释放机构采用滚动式光纤释放结构。
其中，所述发射天线采用“猫眼”的大视角天线。
(三)有益效果
现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)体积小、能耗小，隐秘性好。脉冲激光通信及其它功能模块可置于潜艇内部，通过光纤与浮标内部连接，浮标上只需要携带脉冲激光通信系统的发射及接收天线；光学发射及接收天线体积小，天线甚至不需要伸出海面，隐秘性好，且光学天线基本属于无源器件，能耗较小。
(2)高速数据传输、安全保密性强、抗电磁干扰。脉冲光属于光波，光频率比电磁波频率高出许多，在高速数据传输及抗电磁干扰性等方面具有天然的优势，且光波具有较强的方向性，被侦测定位的概率更小，安全保密性强。
(3)可成为蓝绿光对潜的有效实现方式。众所周知，蓝绿光通信方式是一个极具技术优势的潜艇水下通信技术，经过多年的发展，蓝绿光水下通信却仍未得到各国海军的应用。除了部分关键器件不够成熟之外，主要原因还包括：潜艇上装备蓝绿光发射系统难度较大，即双向通信存在较大挑战；由于难以双向通信，导致卫星、飞机等空中平台对潜艇的定位难度大，即通信链路难以建立。
而，本发明技术方案所提供的基于脉冲激光的系留浮标潜艇水下双工通信方式可以为蓝绿光通信技术提供一个有效的双向通信实现平台，解决蓝绿光通信链路不易建立的难点。一旦潜艇具有向外通信能力以后，潜艇就可以通过这类光学浮标向具有特定飞行轨道的卫星发送位置信息，进而简便地建立双向通信链路。
附图说明
图1为本发明技术方案中潜艇利用跨介质激光通信仪与飞行器通信的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种跨介质高速激光通信仪，所述激光通信仪为一种飞行器与潜艇之间的双向激光通信系统，其包括：下行链路和上行链路；
所述下行链路用于飞行器向潜艇传输控制命令，下行链路利用蓝绿激光直接对潜艇通信；所述上行链路用于潜艇的紧急报告、求救和必要应答命令，上行链路以系留光纤浮标平台为中继，利用特定波长的激光作为光源，实现大功率高速率高带宽上行传输。
其中，所述上行链路所利用的特定波长的激光，为1550nm激光。
其中，所述下行链路中包括：潜艇位置预判模块、姿态测量模块、脉冲光束发射模块、光端机、多元探测器、滤光模块；其中，所述潜艇位置预判模块、姿态测量模块、脉冲光束发射模块设置在飞行器上；所述光端机、多元探测器、滤光模块设置于潜艇上。
其中，所述潜艇位置预判模块用于在预判按预案在水下隐蔽航行的潜艇的大概位置；
所述姿态测量模块用于通过姿态测量，解算光束指向；
所述光端机用于根据光束指向发射脉冲光束，照射到海洋表面某一区域，并在驻留时间内发送信息，然后进行预定模式扫描，直到覆盖整个海洋表面区域。
其中，所述驻留时间由通信容量和通信速率决定。
其中，所述脉冲光束为蓝绿激光。
其中，所述蓝绿激光的激光束通过自由空间、大气、云层的扩束、功率衰减和脉冲展宽后作用到海面，连同天空背景光经过海面和不同深度与质量的海水衰减后，
所述光端机用于接收脉冲光束；
所述多元探测器用于分集接收，提高灵敏度；
所述滤光模块用于对海底荧光和残余天空背景光进行抑制，进而提高接收单元的信噪比。
其中，所述上行链路包括：激光发射器、光纤放大器、光电调制器、光纤释放机构、光纤收回机构、浮漂平台、发射天线；
所述光纤释放机构用于在启动上行通信时，将浮漂平台释放；
所述激光发射器用于发射1550nm激光，通过光纤放大器和高速光电调制器，实现信息流的传输；
所述光纤收回机构用于在上行通信结束后，收回浮漂平台；
所述发射天线设置在浮漂平台上，用于在上行通信过程中，向空域发射携带信息流的激光束。
其中，所述光纤释放机构采用滚动式光纤释放结构。
其中，所述发射天线采用“猫眼”的大视角天线。
工作过程中，
当需要向潜艇发送控制命令时，可启动下行链路蓝绿激光通信。对于飞行器平台，可以通过控制平台上跨介质通信仪的功率及光束束散角的大小实现下行激光通信。此时潜艇按预案在水下隐蔽航行，飞行器平台可预判潜艇的大概位置，然后再通过姿态测量，解算光束指向，进而从飞行器平台发射束散角较窄的高峰值功率光脉冲光束，照射到海洋表面某一区域，并在驻留时间内发送信息，驻留时间由通信容量和通信速率决定；然后进行预定模式扫描，直到覆盖整个区域。激光束通过自由空间、大气、云层的扩束、功率衰减和脉冲展宽后作用到海面，连同天空背景光经过海面和不同深度与质量的海水衰减后，通过多口径、宽接收视场的潜艇光端机接收后，通过多元探测器分集接收，提高灵敏度，采用滤光片对海底荧光和残余天空背景光进行抑制，进而提高接收单元的信噪比。
考虑到海水散射、吸收、光束通过海面后束散角的变化、云层的影响、器件发展水平等因素，潜艇对飞行器平台直接进行上行激光通信目前实现难度较大；而采用消耗性浮标平台为中继实现自由空间激光向上通信是很好的选择。为了在潜艇与飞行器之间进行双向、双工全光通信，以系留光纤浮标平台为中继实现自由空间激光向上通信是可行的方案。
该方案将上行链路分为2段，潜艇与浮漂平台间采用系留光纤实现信息传输，通过浮标平台实现与卫星间激光通信，进而实现上行全光、高速保密通信。当启动上行通信时，将浮漂平台释放，为了减小释放浮漂平台所产生的尾迹，采用滚动式光纤释放结构，尽量使浮漂平台处于准静止状态。潜艇的跨介质激光通信设备，采用1550nm激光作为上行通信链路的发射光源，通过光纤放大器和高速光电调制器，实现信息流的大功率高速率高带宽传输，高速率数据传输在不压缩传输数据量的前提下可以尽可能减少上行通信时间，上行通信一旦结束，就可以收回浮漂平台，避免潜艇行踪被发现。浮漂平台的发射天线采用“猫眼”的大视角天线，实现全向发射，可以降低激光对准难度和建链时间，解决跨介质激光通信上行链路不易建立的难题。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种跨介质高速激光通信仪，所述通信仪结构主要包括三部分：①潜艇(含激光通信设备中除天线外的主要通信模块)；②浮标及与潜艇相连的光纤或电缆，其中浮标包括收发天线、漂浮体及相应的控制系统；③卫星或空中飞行器等平台(含激光通信设备)。
所述①潜艇通信设备，采用1550nm激光作为上行通信链路的发射光源，通过光纤放大器和高速光电调制器，实现信息流的大功率高速率高带宽传输；
所述②浮标及与潜艇相连的光纤或电缆，浮漂平台的发射天线采用“猫眼”的大视角天线，实现全向发射，可以降低激光对准难度，解决跨介质激光通信上行链路不易建立的难题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述激光通信仪为一种飞行器与潜艇之间的双向激光通信系统，其包括：下行链路和上行链路；
所述下行链路用于飞行器向潜艇传输控制命令，下行链路利用蓝绿激光直接对潜艇通信；所述上行链路用于潜艇的紧急报告、求救和必要应答命令，上行链路以系留光纤浮标平台为中继，利用特定波长的激光作为光源，实现大功率高速率高带宽上行传输。
2.如权利要求1所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述上行链路所利用的特定波长的激光，为1550nm激光。
3.如权利要求1所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述下行链路中包括：潜艇位置预判模块、姿态测量模块、脉冲光束发射模块、光端机、多元探测器、滤光模块；其中，所述潜艇位置预判模块、姿态测量模块、脉冲光束发射模块设置在飞行器上；所述光端机、多元探测器、滤光模块设置于潜艇上。
4.如权利要求3所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述潜艇位置预判模块用于在预判按预案在水下隐蔽航行的潜艇的大概位置；
所述姿态测量模块用于通过姿态测量，解算光束指向；
所述光端机用于根据光束指向发射脉冲光束，照射到海洋表面某一区域，并在驻留时间内发送信息，然后进行预定模式扫描，直到覆盖整个海洋表面区域。
5.如权利要求4所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述驻留时间由通信容量和通信速率决定。
6.如权利要求4所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述脉冲光束为蓝绿激光。
7.如权利要求6所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，
所述蓝绿激光的激光束通过自由空间、大气、云层的扩束、功率衰减和脉冲展宽后作用到海面，连同天空背景光经过海面和不同深度与质量的海水衰减后，
所述光端机用于接收脉冲光束；
所述多元探测器用于分集接收，提高灵敏度；
所述滤光模块用于对海底荧光和残余天空背景光进行抑制，进而提高接收单元的信噪比。
8.如权利要求3所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述上行链路包括：激光发射器、光纤放大器、光电调制器、光纤释放机构、光纤收回机构、浮漂平台、发射天线；
所述光纤释放机构用于在启动上行通信时，将浮漂平台释放；
所述激光发射器用于发射1550nm激光，通过光纤放大器和高速光电调制器，实现信息流的传输；
所述光纤收回机构用于在上行通信结束后，收回浮漂平台；
所述发射天线设置在浮漂平台上，用于在上行通信过程中，向空域发射携带信息流的激光束。
9.如权利要求8所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述光纤释放机构采用滚动式光纤释放结构。
10.如权利要求8所述的跨介质高速激光通信仪，其特征在于，所述发射天线采用“猫眼”的大视角天线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200501 |