基于激光潜艇通信的光信道综述

张 玮，刘 洋，徐 强

(西安电子科技大学理学院，陕西西安 710071)

激光通信是以大气、其他介质或自由空间为媒介，使载波激光传输有效信息的一种新型通信技术。根据传输介质的不同，激光通信可分为宇宙空间、大气、水下和光纤通信4类。随着大气激光通信和光纤通信的发展成熟，人类活动区域的扩展，特别是军事上的需求应用，使得水下激光通信技术特别是激光对潜通信技术越来越受到人们的关注。

1963 年 S.A.Sullivan 和 S.Q.Duntely［1］等 人 发现，在海水中存在一个类似于大气的透光窗口，海水对470～580 nm之间波长范围内蓝绿光的衰减系数较小，这一发现解决了水下通信衰减严重的问题。采用蓝绿激光通信，可以与全球海洋中活动的潜艇建立通信链路，通信时，潜艇可以不浮出水面而在巡航深度或更深的海水中，用自身壳体上的光学天线接收报文，完成信息传递，且不会影响潜艇的活动，也不会暴露目标。蓝绿激光对潜通信还具有高数据传输速率、优良的保密性和抗干扰性等优点［2］。

蓝绿激光对潜通讯系统由光发射机、光接收机及信号检测与处理系统、其他辅助系统等组成。其实现方式主要有3种途径:陆基系统，天基系统和空基系统。

1 国内外研究现状及研究方法

1.1 国内外研究现状

大气和海水信道光学特性的研究在国外始于20世纪60年代后期，随着蓝绿光谱在大气和海水传输窗口被发现而逐渐展开。G.N.Plass和GW.Kattawar从1968开始进行光在大气传输效应的仿真和试验分析。D.Arnush［3］研究了米氏粒子散射环境中的光辐射传输，在小角度散射假设下，得到了海水中传输光场的近似解析解。Sherman Kar［4］采用D.Arnush的解，进行了上下行卫星对潜通信中接收光能量的解析计算。H.T.Yura［5］分析了有限截面光束在水下的传输过程。Paul F.Schipp nick［6］建立了海水中光束传播的唯象理论，把光场分成准直部分和非准直部分，得到了水下光场辐射能量分布的计算公式。Vladimir I.Haltrin［7］讨论了一个参数分两种范围分析的H－G函数用于更好地表示海水散射相位函数。Howard R Gordon 和 Otis B Brown［8］计算了分层平坦的各向同质海水的表观及固有光学特性的关系。N.J.McCormick分析了海洋光学相位函数反变换方程。

梁波，朱海［9］等应用蒙特卡罗方法模拟激光脉冲在大气海洋信道中传输的算法和原理。对激光脉冲受到云层的影响进行数值仿真，云层厚度为300～500 m时，对水下激光脉冲的空间扩展影响最大。对激光脉冲的时间展宽也进行了数值模拟，得到不同光场分布位置的激光脉冲的时间波形，分析了其不同的展宽机理。李小川［10］等以球形粒子的Mie散射理论、Stokes矢量法以及Mueller矩阵研究了海水的散射特性和散射中的退偏振度变化;并对蓝绿激光在海水传输过程中的散射现象以及散射中的退偏度变化与海水深度的关系进行了Monte Carlo模拟，结果发现随着海水深度的增加，散射后的光斑半径、退偏振度将逐渐增大。周亚民、刘启忠等针对水下传输时由多重光散射引起的激光脉冲时域波形展宽问题，采用简单的小角度近似方法进行了分析。周田华［11］等基于几何光学理论分析、三维海浪模拟和蒙特卡罗仿真，并辅以水池观测实验加以验证，对水下向上传输激光束通过海气界面的出射光场分布特性进行了研究。

Edward A.Bucher［12］利用 Monte Carlo 方法定性计算了光通过云层的散射效应，计算中假定云层是各向同性的，且云层均匀分布。结果表明光斑和传输路径都会有较大的扩展。王丽黎利用大气湍流模型进行激光在湍流信道中水平传输远场光斑的模拟仿真，和试验测量光斑对比分析不同湍流、不同传输距离接收光斑的分布。邓代竹，荣健仿真分析了大气湍流效应引起的大气闪烁、光束弯曲、光束漂移、光束展宽等，说明大气闪烁随大气湍流强度的变化关系。詹恩奇［13］分析了星载激光对潜通信系统的大气和海水信道的组成结构和光学性质的基础上，利用MonteCarfo方法模拟光子在地球大气和不同海域海水中的传输过程。分析了不同条件下光信号在水下的能量分布、多径时间扩展等问题，讨论大气和海水信道对水下光信号接收性能的计算和信号调制方式的选择等问题。首次综合研究了地球大气和海水对光信号的传输效应问题，完成了水下光信号接收性能估算。

1.2 研究方法

研究光在多散射介质中传输过程的方法，主要有分析法和数值模拟法(蒙特卡罗法)。由于传输介质的复杂性和时变性，因此利用传统分析法描述光在多散射介质中的传输时，必须做大量简化假设，而这些大量的简化假设较大地影响了估计的结果;蒙特卡罗方法(Monte Carlo)，是一种区别与一般数值计算的方法，属于实验数学的一个分支，其本质是利用随机数进行统计试验，把得到的统计特征值作为待解问题的数值解。光子在海水中的散射过程是一种随机运动，它能够用Monte Carlo方法正确地模拟。

Monte Carlo方法解题的3个主要步骤［8］:

(1)构造或描述概率过程。

(2)实现从已知概率分布抽样。

(3)建立各种估计量。

如图1所示，蒙特卡罗模拟可以分为4个步骤，第一步是光子的随机产生，第二步是光子的随机迁移，第三步是光子的吸收与散射，第四步判定光子的是否终止。其中最为重要的步骤是光子终止的判定。

图1 Monte Carlo模拟光子传输流程图

Monte Carlo方法之所以应用广泛当然有它自身的优点:(1)易在计算机上实现，程序编写简单，能够在所需的精度上求出结果。(2)能模拟各种不同情况下接收机与发射机特性、介质边界条件和散射特性。还可以考虑Mie散射、多次散射等的影响。(3)易计算反射光子和散射光子的平均光学路径。但Monte Carlo方法存在的最大缺点是计算的时间过长，并且由于单个光子运动的统计特性和物理模型精度的限制，就使得在给定的时间内光子到达接收机的概率很小。因此为得到可靠的统计结果，需要对大量的光子轨迹进行跟踪。

散射相位函数的选取较大程度上决定了，利用Monte Carlo方法的计算精度与所费计算时间。文献［13］通过比较用于大气和海水散射相位函数的各种近似表达式，将 Henyey–Greenstein函数和pcs(θ，g)函数的优点相结合，提出了一种较合适的散射相位函数的近似方法。其中散射角 θ=arcos，散射相位函数pcs(θ，这样，达到了既能直接得到介质散射角又能确保相位函数精度的目的。

2 目前激光对潜通信的研究

一般水下激光通讯的实现方式主要有3种途径:陆基系统、天基系统和空基系统。但无论采用哪种途径，传输光路均要通过大气、云层、海水界面和海水(或水加冰)等传输信道。

目前国内外对下行信道的特性研究较多，但对上行信道特性研究较少，特别是对上行信道中的海－空界面的数值模拟、仿真研究少。因为激光通过海－空界面、空－海界面作上行和下行传输，并不是简单的可逆关系，故必须对激光通过海－空界面、空－海界面的传输分别加以研究。故对激光水下通信上行信道特别是海－空界面的研究显得比较重要，其对激光对潜通信的研究起到了举足轻重的作用。

除大气和海水信道外，海水界面也是激光通信信道的重要组成部分，对整个通信系统的性能有不可忽视的影响。激光束在信道中传输时，会受到海水界面的吸收、散射，也会发生折射效应，使得光束能量衰减，传播方向偏移等。光束在海水界面中传输比在大气中传输要复杂得多，海水界面的吸收和散射对光的作用不同，，主要影响光束能量的衰减，对光束的扩散影响不大;而散射作用是光束扩散，在海面上形成的光斑变大，也造成光束的能量减少。目前这方面的研究也需要更进一步。

3 结束语

本文通过激光对潜通信的研究背景、现状、方法的分析，提出了研究激光对潜通信信道的必要性，特别是对激光上行信道以及海水－空气界面的模拟仿真研究的重要性。

蓝绿激光对潜通信系统虽然占有较大的优越性，但也有缺点:气象和海况条件对通信仍有较大影响。因此人们认为解决对潜通信的最好办法是实施全面通信手段，保证系统最大限度的可靠性。即将蓝绿激光对潜通信系统和甚低频、超低频通信系统结合起来，相互补充，保障潜艇在不同条件下的通信联络。

因此，对潜通信的发展趋势将是以蓝绿激光通信系统为主，ELF、VLF系统为辅，两种系统相辅相成，互为补充，从而能够更好地完善对潜通信系统，提高潜艇的战斗力和生存能力。

［1］ LEVIN J.The sea of light［M］.Second Edition.New York:New York Plume，1994.

［2］ 司立宏.蓝绿激光上行通信信道特性的研究［D］.桂林:桂林电子科技大学，2007.

［3］ ARNUSH D.Underwater light－ beam propagation in the small－ angle scattering ［J］.J.Opt.Soc.Am，1972，62(9):1109－1117.

［4］ Sherman Karp.Optical communications between underwater and above surface(satellite)terminals［J］.IEEE.Trans.Commun，1976，224(1):66 －81.

［5］ YURA H T.Propagation of finite cross－ section laser beam in sea water［J］.APPI.Opt，1973，12(1):108 －115.

［6］ 徐启阳.蓝绿激光雷达海洋探测［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［7］ Vladimir1 Haltrin.One Parameter two term Henyey Greenstein Phase function for light Scattering in sea water［J］.Appl.Opt，2002，41(6):1022 －1025.

［8］ HOWARD R G，OTIS B B，MICHAEL M J.Computed relationships between the inherent and apparent optical properties of a flat homogeneous ocean ［J］.Appl.Opt，1975，14(2):417－427.

［9］ 梁波，朱海，陈卫标.大气到海洋激光通信信道仿真［J］.光学学报，2007，27(7):1166 －1172.

［10］李小川.蓝绿激光在海水中的散射特性及其退偏研究［D］.成都:电子科技大学，2006.

［11］周田华，陈卫标，贺 岩，等.通过海气界面的上行激光光场分布［J］.中国激光，2010，37(8):1978 －1982.

［12］ BUCHER E A.Computer simulation of light pulse propagation for communication through thick clouds［J］.Appl.Opt，1973，12(10):2391 －2400.

［13］詹恩奇.光在大气和海水信道的传输性能研究［D］.武汉:华中科技大学，2007.