水下可见光通信在水下作战体系中的应用设想

吕斌斌,林酩涞,万 鑫

(上海瀚界科技发展有限公司,上海,201702)

0 引言

在水下攻防作战信息体系中,各类平台和节点之间需要进行作战态势、预警探测、指挥控制等信息的高效共享和传输,这就要求提供隐蔽、高效的传输保障。水下通信技术支撑实现全海域水下战场信息获取和传输,将战场感知、指挥控制、攻防交战等全过程功能的作战资源进行有效链接,是水下攻防作战信息体系的重要组成部分[1]。

海洋环境因素复杂,水下通信技术在提升传输速率方面存在瓶颈,水下通信能力一直滞后于地面、空中和空间通信。目前,世界各国都在大力推进水下作战体系建设,而水下可见光通信技术将成为支撑水下作战体系建设和发展的关键技术之一。

水下可见光通信能够实现水下双向高速通信,利用波长为450～550 nm 的蓝绿发光二极管(light emitting diode,LED)或激光二极管(laser diode,LD)作为光源,采用雪崩光电二极管、硅光电倍增管等光学探测器进行信号接收,从而实现中近距离范围内高速双向通信[2]。相比于长波通信和水声通信技术,水下可见光通信技术具有速率高、功耗低、安全保密性好和抗截获性强等优点。其传输速率可达传统通信手段的1 000 倍以上,且由于中近距离通信的特点,避免了长距离无线传输可能产生的监听和截获问题,是一种难以被替代,具有突出特点的新兴水下通信技术[3]。

水下可见光通信技术的另一特点是可近距宽带接入。目前我国水下预警探测体系中节点接入和信息传输保障主要采用光缆或水声通信,高效、安全、保密的无线通信传输能力不足,限制了水下预警信息系统效能发挥。依托水下可见光通信技术,建立高效、隐蔽的水下通信系统,实现水下作战节点与海底基阵之间的近距宽带接入,保障水下预警探测信息的实时采集与高速回传,满足大容量监测数据传输需求。

水下可见光通信技术适用于多种军事应用场景。近年来,无人水下航行器(unmanned undersea vehicles,UUV)发展迅速,UUV 与潜艇的伴随式作战将成为未来水下作战的主要样式之一[4]。水下可见光为潜艇与浮标、UUV 之间的通信提供了一种宽带化传输手段[5],能够实现潜艇与浮/潜标、UUV、遥控水下航行器(remotely operated vehicles,ROV)及海底基阵之间的高速接入,提高侦察情报和指挥命令信息传输效率,避免了水声通信和电磁波通信速率低、时延大、易截获和机动性弱等问题,是一种解决水下信息传输速率和保密性等问题的有效手段。可以预见,该技术必将催生出新的水下作战样式。

综上所述,水下可见光通信技术是一种难以替代的通信手段,更适应未来信息化条件下高技术海战的需要[6]。水下可见光通信技术是水下通信体系的有效补充,是水下中近距离无线高速传输的核心解决方案。

1 发展现状

目前,世界各国都在大力推进水下作战体系建设,而水下可见光通信技术将成为支撑水下作战体系建设和发展的关键技术之一。

1.1 国外发展现状

水下可见光通信技术可为潜艇、UUV 以及传感器等水下装备提供高速、稳定的数据传输,受到越来越多国家的重视。自20 世纪70 年代美国海军展开“卫星-潜艇”通信的可行性研究[7]后,水下可见光通信被迅速纳入美国的战略性研究计划,目前美国已基本完成了蓝绿水下光通信的相关试验,且美军依托国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)和国家自然科学基金委等机构,长期支持开展水下可见光通信领域研究[8]。

2008 年,美国海军原太空与海战系统司令部(Space and Naval Warfare Systems Command,SPAWAR)的研究人员将实测数据与仿真数据进行对比,初步证实了水下可见光通信高速、保密的优势。

2009 年,美国麻省理工学院的Doniec 等[9]研制出2 种小型、轻便的试验样机Aqua Optical,集成了6 个5 W 的LED 阵列发射480 nm 的光波,并采用了离散脉冲间隔调制技术,分别用于短距离通信(1～5 m)和较长距离(十几米)通信,通信速率均为1 Mbps。试验表明,在清澈水中,通信距离30 m,传输速率为1.2 Mbps;在能见度为3 m 的浑水中,通信距离9 m,传输速率为0.6 Mbps。

2010 年,Doniec 等[9]设计出一套利用可见光通信技术控制水下机器人工作的原型系统,实现了对水下机器人的实时控制。同年11 月,该团队又开发出新一代水下可见光通信设备Aqua Optical II,其通信距离50 m,信噪比5.1,最大传输速率2.28 Mbps。

2013 年,Doniec 利用Aqua Optical II 实现了15 Hz 水下实时视频传输,时延100 ms。并于同年,介绍了一种用于自主水下航行器的通信水下无线光通信系统,通信距离为50 m,传输速率达4 Mbps。

2017 年7 月,日本海洋科学与技术中心[7]在骏河湾口附近组织开展了水下可见光通信试验。试验利用水面船只作为工作母船,水下机器人作为水下平台,主要检验水下蓝绿光通信在实际海况下,作为无线网络节点间高速通信的能力。试验系统由一对主、从蓝绿光通信收发终端构成,分别采用450 nm 蓝光LD 和525 nm 绿光LD 作为光源,单个终端发射功率不小于5 W,功耗350 W,质量约40 kg,可承受1 000 m 耐压,采用以太网协议实现网络接入。试验实现了水下700～850 m 潜深120 m 距离间的双向通信,最大通信速率达20 Mbps,100 m 内可实现稳定可靠通信。

2018 年,法国巴黎国际海防与海事展览会(Euro Naval 2018)上,土耳其STM 公司展示了一种新型水下光无线通信(underwater optical wireless communication,UOWC)系统“AnglerfishTM”,该产品根据潜水员的操作要求设计开发,通过挂载在潜水全面罩上的耳机和LED,提供全双工水下语音通信,LED 的使用保障了人眼安全,不仅可以在潜水员之间进行水下通信,还可支持潜水员与潜艇进行水下通信,具有广泛的用途[10]。

1.2 国内发展现状

2016 年4 月,胡锋等[11]完成了基于蓝光LED的水下双向通信系统整体硬件设计,并在深1 m,宽1.5 m,长8 m 的水池中进行测试。水箱里的可见光收发机由密封电缆供电,通过防水的网络线接口传输数据信号(见图1)。试验结果表明,在水下收发距离5 m 时,可实现可靠的全双工通信。

图1 基于蓝光的水下可见光通信系统(信息工程大学)Fig.1 Underwater visible light communication system based on blue light (by Information Engineering University)

2017 年,Liu 等[12]提出了基于低功率520 nm LD 的水下无线光通信系统,通过NRZ-OOK(nonreturn-to-zero on-off keying)调制方案实现了在34.5 m距离内最高为2.7 Gbps 的通信速率。该UOWC链路在水下通信距离为2.3,11.5,20.7 和34.5 m 时实现的最高传输速率分别达4.60,3.93,3.48 和2.70 Gbps。相应的误码率分别为2.10 × 10-3,2.16×10-3,3.30 × 10-3和3.40 × 10-3,均低于3.80 × 10-3的前向纠错(forward error correction,FEC)标准,表明激光在用于高速长距离水下无线通信领域中具有很大的潜力。

2013 年,胡秀寒等[13]用电光调制激光实现了水下和空中直升机平台的通信,该激光光源能量非常大,适合水下平台到空中平台的通信,但是开关速率不会太快,虽然可以传播声音和图像,但不能传播视频。该团队研究的重点主要是跨域海气界面的长距离低速率激光脉冲通信。

2016 年,Song 等[14-15]提出了基站、浮标构成的水下航行器通信系统概念,设计了系统结构,并进行了光学分析。该系统依托浮标在海气界面充当无线电通信和水下光通信的中介,适用于海面附近通信,不能应用于深海水下固定节点和UUV移动节点之间的通信。

2 关键技术

为实现可见光通信技术在水下攻防作战中的应用,需要突破制约装备发展的关键性、瓶颈性技术,探索水下可见光通信作战能力生成途径,增强对水下攻防作战的信息支撑和保障。

2.1 水下背景光噪声影响分析及抑制技术

在水下可见光通信中,接近海水表层位置的背景光噪声强度往往远大于光信号强度,且强度变化范围大,对水下光通信影响较大。基于水下背景光噪声特点,研究背景光噪声抑制技术,引入光域滤波、自适应信号提取和负反馈技术,可有效减小噪声对光信号传输的影响。

2.2 海水湍流影响分析及抑制技术

海水是非均匀介质,其温度、盐度及海水折射率呈随机变化,这使得光束由水下信道传输时产生湍流效应,进而出现光束扩展、抖动和强度起伏等现象。在研究海水湍流机理基础上,研究湍流效应抑制手段,采用空间分集和自动增益控制技术,可有效减小光强起伏对信号的影响[16]。

2.3 编码增益技术

信道编码影响光通信系统的传输能力和LED非线性补偿能力等。为获得最佳性能,在常用信道编码如RS(reed solomon)码、卷积码、Turbo 码和LDPC(low density parity check)码基础上,需综合考虑传输距离、误码性能、吞吐率及延时等多方面要求,制定自适应编码调制方案,提高编码增益,满足带宽要求和复杂性要求[17]。

2.4 水下光学天线跟踪瞄准技术

不同于传统无线射频通信,水下无线光通信系统发射信号光束窄、传输距离长、信道干扰复杂等特殊条件对收发端对准提出了较高要求。采用跟踪瞄准技术,可基于较小的光学波束实现光学捕获和瞄准,获得稳定高速、长距离的水下无线光通信。

3 应用设想

3.1 装备设想

针对不同应用平台和应用场景,水下可见光通信装备可结合多种型态发挥作战效能。

1)移动平台类

图2 为一种典型的移动平台类装备型态,具有半球型光学镜头,耐压性强,最大视场角度不小于120°,最大传输距离大于200 m,最大通信速率不小于20 Mbps,工作最大潜深大于300 m,满足潜艇与UUV 协同作战和可视化信息实时传输的要求。

图2 水下半球形光学镜头Fig.2 Underwater hemispherical optical lens

2)水下固定节点类

采用类似图3 的装备型态,主要安装于水下基阵、预置式武器等装备中,传输速率大于100 Mbps,视场角度不小于120°,最大传输距离不小于100 m,工作最大潜深大于300 m,为用户提供安全、泛在的通信服务。

图3 固定节点类水下装备Fig.3 Underwater fixed node class equipment

3)便携移动类

针对水下蛙人可提供便携移动类装备型态,具有体积小、质量轻及功耗低等特点,最大传输速率不小于5 Mbps,视场角度不小于60°,最大传输距离不小于50 m,工作最大潜深大于300 m。装备型态如图4 所示。

图4 便携移动类水下装备Fig.4 Underwater portable mobile class equipment

3.2 应用设想

1)潜艇、浮/潜标和UUV

未来军事领域应用中,可基于水下光通信技术构建新型立体通信网络[18],如图5 所示。潜艇、浮/潜标和UUV 之间采用非接触式水下光通信方式实现高带宽、强隐蔽的信息传输,摆脱传统通信方式的束缚,能够实现UUV 可视化布放和回收,可支撑协同信息类型向战场综合态势、实时战术情报、实时控制信息以及战场监视信息等多种综合业务发展。

图5 新型立体通信网络示意图Fig.5 Diagram of new three-dimensional communication network

2)鱼雷遥控和组阵

近年来,水下攻防体系不断演进,协同作战样式渐趋丰富。以潜射线导鱼雷为例,多鱼雷协同作战场景如图6 所示。作战过程包括: 有线引导、自导和末制导3 个阶段[19]。自导阶段时,鱼雷和潜艇距离较远,无法利用光纤导线进行通信。此时多鱼雷之间可依托可见光通信技术进行链路组网,便于对鱼雷进行实时遥控,支撑实现鱼雷组阵协同部署和针对同一目标的协作攻击。

图6 多鱼雷协同作战场景Fig.6 Multi-torpedo cooperative operation scenario

3)水下预警探测和海底观测

随着水下预警探测和海底观测需求的日益提高,海底观测网络(海洋地质调查、海洋内环境观测、矿物资源勘察)以及水下预警等体系建设的重要性日益明显。海底观测网络通常包含海底观测平台、UUV 等。海底观测平台收集到数据信息后利用可见光通信上传至UUV;UUV 接收到信息后再利用光通信、水声通信等技术将数据传输给水面舰艇、潜艇及浮标等水下平台[20]。可见,水下可见光通信可为各种水下平台和信息节点有机联合提供支撑保障,提升水下预警探测和观测效果,如图7 所示。

图7 水下预警探测和海底观测示意图Fig.7 Diagram of underwater early warning detection and seabed observation

4)定位导航

光通信具有高度定向性和精确的距离感知能力,可实现亚厘米级精准引导,为发展无人光导航技术提供条件。水下光通信技术为量子通信提供了光传输信道,使具有高度安全、保密特征的量子通信技术在水下应用成为可能。未来,通过与水声、导航、量子通信等其他手段的结合,水下可见光通信技术必将在无人精确引导、信息加密等方面发挥优势。

5)跨介质通信

可见光通信技术可支撑组建空海一体光通信网,促进空海一体联合作战的发展。其中对潜光通信方案包括天基、陆基和空基3 种。以空基方案为例,在飞机上配置大功率激光发射器,通过光波束扫过潜艇所在海域来实现对潜跨介质光通信[21],如图8 所示。

图8 对潜跨介质通信示意图Fig.8 Diagram of communication to submarine cross medium

4 发展趋势

4.1 光学信道测量技术

水下光学信道测量技术通过测量透光度、反射度、浑浊度及叶绿素浓度等环境信息,调整传输模式,提高光传输效果。考虑采用多波长LED 作为探测载波光源,分时发射探测光束,并加载不同调制信号,提高不同信道条件下的通信传输可靠性[6]。

4.2 自适应光学通信技术

由于不同海洋环境对光波通信具有明显差异性,应当采用一定的信道自适应技术,根据实际工作水下信道环境进行实时测量和反馈,并对通信光波长、通信速率进行自适应选择,从而扩展通信距离,提高通信效能。

4.3 接收端光学阵列设计

由水下可见光通信信道模型和光学链路的计算结果可知,单个光学探测器配合相应透镜,视场角度一般约20°(考虑到接收光功率不能过小,接收透镜焦距不能太小,通常选择16 mm 的透镜焦距,视场角度约为20°),不能满足作战应用提出的宽视场角度要求。因此必须开展光学通信收发阵列设计,针对收发通信阵列进行光学聚光和视场角度的性能分析设计。

4.4 大尺寸LED 通信光学系统设计

LED 光源的光学系统优化对于扩展光通信水下通信技术至关重要。为了保证足够的光能量照射在接收端光电探测器上,要求发送端LED 光源能量足够高、光束发散角足够小,且光源远场辐照度均匀。为了获得稳定大功率的光能量输出,LED 光源尺寸必然相应增大,且尺寸越大,光源光束发散角越大、光源发光模型越复杂,光学系统越难建立和设计,这就给光学系统优化提出了挑战。大尺寸LED 通信光学系统设计主要涉及大尺寸LED 光源的小角度准直和辐照度优化设计[13]。

4.5 建链保持技术

建链保持技术是在不同平台上实现基于可见光 “动中通”的关键技术。建链保持技术主要包括快速对准与捕获技术以及精确跟踪技术。快速对准与捕获技术主要目的是在大范围内快速搜索到目标,缩短初始建链时间;精确跟踪技术是在快速对准与捕获系统实现目标捕获后,对目标进行实时精确的跟踪和对准[18]。

5 结束语

水下可见光通信技术是一种能够实现跨域、跨介质通信的手段,可实现中近距离、高带宽的通信功能,支持百米量级,而且在传输速率、隐蔽性、抗截获性方面具有突出优势,适合于保障水下UUV 侦察信息回传、UUV 集群协同、蛙人特战协同、空海跨域作战等信息传输需求,可作为一种水下通信的补充手段,完善水下信息传输体系和作战保障能力。