激光輻射及應(yīng)用課件：激光通信

激光通信8.1光纖及光纖通信簡介8.2自由空間光通信及激光數(shù)據(jù)鏈路8.3機(jī)載激光鏈路快速高概率捕獲技術(shù)習(xí)題

8.1光纖及光纖通信簡介

8.1.1光纖的結(jié)構(gòu)和分類

1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡稱。其典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體,如圖8-1所示,自內(nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層。圖8-1典型光纖的結(jié)構(gòu)

核心部分是纖芯和包層,其中纖芯由高度透明的材料制成,是光波的主要傳輸通道;包層的折射率略小于纖芯,它使光的傳輸性能相對穩(wěn)定。纖芯粗細(xì)、纖芯材料和包層材料的折射率對光纖的特性起決定性影響。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆,它保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械的擦傷,同時(shí)又增加了光纖的柔韌性,延長了光纖的壽命。

2.光纖的分類

根據(jù)折射率在橫截面上的分布形狀,光纖可以分為階躍型和漸變型(梯度型)兩種。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變,纖芯的折射率nl和包層的折射率n2是均勻常數(shù);漸變型光纖纖芯的折射率nl隨著半徑的增加而按一定規(guī)律(如平方律、雙正割曲線等)逐漸減小,到纖芯與包層交界處為包層折射率n2,纖芯的折射率不是均勻常數(shù)。

按制造光纖所使用的材料分,有石英系列、塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、全塑光纖等四種。光通信中主要用石英光纖,后面提到的光纖也主要指石英光纖。

另外,若按工作波長來分,還可分為短波長光纖和長波長光纖。多模光纖可以采用階躍折射率分布,也可以采用漸變折射率分布;單模光纖多采用階躍折射率分布。因此,石英光纖大體可以分為多模階躍折射率光纖、多模漸變折射率光纖和單模階躍折射率光纖等幾種。它們的結(jié)構(gòu)、尺寸、折射率分布及光傳輸?shù)氖疽鈭D如圖8-2所示。圖8-2多模階躍折射率光纖、多模漸變折射率光纖和單模階躍折射率光纖

8.1.2光纖中的射線光學(xué)理論

光波長很短,但相對光纖的幾何尺寸要大得多,因此從射線光學(xué)理論的觀點(diǎn)出發(fā),研究光纖中的光射線,可以直觀認(rèn)識光在光纖中的傳播機(jī)理和一些必要的概念。這里用射線光學(xué)理論對階躍型及漸變型多模光纖的傳輸特性進(jìn)行分析。射線光學(xué)的基本關(guān)系式是有關(guān)其反射和折射的菲涅耳定律。

光在分層介質(zhì)中的傳播折射與反射如圖8-3所示。圖中介質(zhì)1的折射率為n1,介質(zhì)2的折射率為n2,設(shè)n1>n2。當(dāng)光線以較小的θ1角入射到介質(zhì)界面時(shí),部分光進(jìn)入介質(zhì)2并產(chǎn)生折射,部分光被反射。它們之間的相對強(qiáng)度取決于兩種介質(zhì)的折射率。圖8-3光在分層介質(zhì)中的傳播折射與反射

由菲涅耳定律可知

反射定律:

折射定律:

在n1>n2時(shí),隨著入射角的逐漸增大,進(jìn)入介質(zhì)2的折射光線進(jìn)一步趨向界面,直到θ2趨于90°。此時(shí),進(jìn)入介質(zhì)2的光強(qiáng)顯著減小并趨于零,而反射光強(qiáng)接近于入射光強(qiáng)。當(dāng)θ2=90°極限值時(shí),相應(yīng)的θ1角定義為臨界角θc。由于sin90°=1,所以臨界角

此時(shí),入射光線將產(chǎn)生全反射。應(yīng)當(dāng)注意,只有當(dāng)光線從折射率大的介質(zhì)進(jìn)入折射率小的介質(zhì),即θ1≥θc時(shí),在界面上才能產(chǎn)生全反射。

全反射現(xiàn)象是光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)。光纖的導(dǎo)光特性基于光射線在纖芯和包層界面上的全反射,它把光線限制在纖芯中傳輸。光纖中有兩種光線,即子午光線和斜射光線。子午光線是位于子午面(過光纖軸線的平面)上的光線,而斜射光線是不經(jīng)過光纖軸線傳輸?shù)墓饩€。這里以圖8-4所示的階躍折射率光纖為例說明。圖8-4子午光線在階躍折射率光纖中的傳播

設(shè)纖芯折射率為n1,包層的折射率為n2,且n1>n2,空氣折射率為n0。在光纖內(nèi)傳輸?shù)淖游绻饩€簡稱內(nèi)光線,遇到纖芯與包層的分界面的入射角大于θc時(shí),才能保證光線在纖芯內(nèi)產(chǎn)生多次全反射,使光線沿光纖傳輸。然而,內(nèi)光線的入射角大小又取決于從空氣中入射的光線進(jìn)入纖芯中所產(chǎn)生折射角θi,因此,空氣和纖芯界面上入射光的入射角θi就限定了光能否在光纖中以全反射形式傳輸。與內(nèi)光線入射角的臨界角θc相對應(yīng),光纖入射光的入射角θi有一個(gè)最大值θmax。如圖8-5所示。圖8-5光纖入射光的入射角θ

當(dāng)光線以θi>θmax入射到纖芯端面上時(shí),內(nèi)光線將以小于θc的入射角投射到纖芯和包層界面上。這樣的光線在包層中的折射角小于90°,該光線將射入包層,很快就會(huì)漏出光纖,如圖8-6所示。圖8-6光纖中光線的泄漏

由上述分析可知,當(dāng)光線從空氣入射到纖芯端面上的入射角θi<θmax時(shí),進(jìn)入纖芯的光線將會(huì)在芯包界面間產(chǎn)生全反射而向前傳播,而入射角θi>θmax的光線將進(jìn)入包層損失掉。因此,入射角最大值θmax確定了光纖的接收錐半角。θmax是個(gè)很重要的參數(shù),它與光纖的折射率有關(guān)。

n0sinθmax定義為光纖的數(shù)值孔徑,用NA表示。它的平方是光纖端面集光能力的量度。在空氣中的折射率n0=1,因此,對于一根光纖,其數(shù)值孔徑可以表示為

NA是表示光纖波導(dǎo)特性的重要參數(shù),它反映光纖與光源或探測器等元件耦合時(shí)的耦合效率。應(yīng)注意,光纖的數(shù)值孔徑NA僅決定于光纖的折射率,而與光纖的幾何尺寸無關(guān),如圖8-7所示。圖8-7θmax與光纖的數(shù)值孔徑

在多模階躍折射率光纖中,滿足全反射但入射角不同的光線的傳輸路徑是不同的,結(jié)果使不同的光線所攜帶的能量到達(dá)終端的時(shí)間不同,如圖8-8所示,從而產(chǎn)生了脈沖展寬,這就限制了光纖的傳輸容量。圖8-8-光纖中的脈沖展寬

如圖8-9所示,設(shè)光纖的長度為L,光纖中平行軸線的入射光線的傳輸路徑最短,為L;以臨界角入射到纖芯和包層界面上的光線的傳輸路徑最長,為L/sinθc。圖8-9傳輸時(shí)延

因此,最大時(shí)延差為

因?yàn)棣ぁ?n1-n2)/n1,所以單位長度光纖的最大群速度時(shí)延差為

8.1.3光纖的波動(dòng)理論

用射線光學(xué)理論分析法雖然可簡單直觀地得到光線在光纖中傳輸?shù)奈锢韴D像,但由于忽略了光的波動(dòng)性質(zhì),不能了解光場在纖芯、包層中的結(jié)構(gòu)分布以及其他許多特性。尤其是對單模光纖,由于芯徑尺寸小,射線光學(xué)理論就不能正確處理單模光纖的問題。因此,在光波導(dǎo)理論中,更普遍地采用波動(dòng)光學(xué)的方法,即把光作為電磁波來處理,研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律,得到光纖中的傳播模式、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及截止條件。本節(jié)先用波動(dòng)光學(xué)的方法求解波動(dòng)方程,而后引入模式理論得到光纖的一系列重要特性。

1.圓柱坐標(biāo)系中的波導(dǎo)方程式

對于圓柱形光纖,采用圓柱坐標(biāo)系更合適。如圖8-10所示。

1)圓柱坐標(biāo)系中的橫向場方程式

在圓柱坐標(biāo)系中用縱向場Ez、Hz分量表示的橫向場Er、Eφ、Hr、Hφ分量為

2)圓柱坐標(biāo)系中的波動(dòng)方程

2.階躍折射率光纖中波動(dòng)方程的解

1)解的形式

求解方程(8-18)的過程,實(shí)際上就是根據(jù)邊界條件選擇適當(dāng)?shù)呢惾麪柡瘮?shù)的過程。

(1)在纖芯中(r≤a),k=k1=k0n1。

(2)在包層里(r>a),k=k2=k0n2。

2)邊界條件和特征方程

求出來的Ez

和Hz分量應(yīng)滿足在纖芯和包層界面(r=a)上連續(xù)的條件,可寫為

利用式(8-6)~式(8-9)表示的橫向場方程式,可以求出其他的場分量,其中Eφ和Hφ

分量為

確定光纖中導(dǎo)波的特性,還需利用光纖的邊界條件。在纖芯和包層的邊界上,電磁場的切向方向均連續(xù),即在纖芯和包層界面r=a上Eφ

和Hφ

也應(yīng)連續(xù),可得到特征方程為

對于通信中所用的弱導(dǎo)波光纖(弱導(dǎo)光纖),n1≈n2,式(8-30)可簡化為

式(8-31)就是弱導(dǎo)光纖特征方程,其中“±”表示方程有兩組解,取“+”號為一組解,對應(yīng)的模式為EH模;取“-”號為另一組解,對應(yīng)的模式為HE模。

3)光纖中的各種導(dǎo)模

首先分析階躍折射率光纖中存在哪些模式。對應(yīng)特征方程式(8-31)中的m=0有兩種波形,即TE0n模和TM0n模,這里的m表示圓周方向的模數(shù),n表示徑向的模數(shù),n=1,2,3,…。由波導(dǎo)方程式可知,對于TM0n模,僅有Ez、Er和Hφ分量,Hz=Hr=Eφ=0;對于TE0n模,僅有Eφ、Hr和Hz

分量,Ez=Hr=Hφ=0。m=0意味著TE模和TM模的場分量沿圓周方向沒有變化。

當(dāng)m≠0時(shí),Ez和Hz

分量都不為零,此時(shí)的波形為混合模?；旌夏Ｒ卜譃镋Hmn和HEmn兩種模式,它們分別對應(yīng)式(8-31)取“+”號和“-”號的兩組群。

下面通過弱導(dǎo)光纖特征方程來分析各種模式的截止條件,并求出各種模式的截止頻率。

(1)TE0n模和TM0n模。令m=0,可得到TE0n模和TM0n模,二者有相同的特征方程,即

當(dāng)模式截止時(shí),w→0,u→uc,由第二類變形的貝塞爾函數(shù)的遞推關(guān)系及漸進(jìn)公式,可以得到

所以截止?fàn)顟B(tài)下的特征方程為

J0(uc)=0的根有2.4048,5.5201,8.6537,…,它們分別對應(yīng)著TE01(TM01),TE02(TM02),TE03(TM03),…模的截止頻率。也就是說,若歸一化頻率V>2.4048,則TE01(TM01)模就能在光纖中存在;反之,若歸一化頻率V<2.4048,TE01(TM01)模就不是導(dǎo)模。對其他模式可依此類推。應(yīng)該注意,TE0n和TM0n模有相同的截止頻率,它們是相互簡并的。

(2)EHmn模。令m≠0,可得到EHmn模的特征方程:

所以截止?fàn)顟B(tài)下EHmn的特征方程為

由式(8-37)解出uc=umn,umn是m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根,m≥1,對每一個(gè)m、n的組合,可得到一個(gè)相應(yīng)的EHmn模。

例如,當(dāng)m=1時(shí),得到一族EH1n模,其uc=u1n=3.8317,7.0156,10.1745,…,其他可依此類推。

(3)HEmn模。令m≠0,可得到HEmn的模特征方程:

由貝塞爾函數(shù)的遞推公式將式(8-38)化為

下面分m=1和m>1兩種情況進(jìn)行討論。

③遠(yuǎn)離截止時(shí)的EHmn和HEmn模。模式遠(yuǎn)離截止頻率時(shí),若W→∞,U→0,可得到遠(yuǎn)離截止EHmn和HEmn模的特征方程為

④光纖中的模式傳輸。由光纖的參數(shù)及工作波長計(jì)算出歸一化頻率V后,從圖8-11中就可以判斷光纖中可能存在幾種模式傳輸。圖8-11導(dǎo)模傳輸條件

8.1.4近似解——LP模

由于矢量模的求解繁瑣,對于大多數(shù)的實(shí)際光纖都采用近似解,最常用的近似方法是標(biāo)量近似法(用于階躍光纖)及WKM近似法(用于漸變光纖)。標(biāo)量近似法是指在弱導(dǎo)波光纖中,將光纖的橫向電場和橫向磁場當(dāng)作標(biāo)量處理,所得到的導(dǎo)波模式稱為線性偏振模,用LPmn(LinearlyPo1arizedmodes)表示。

1.特征方程

在近似模式理論基礎(chǔ)上,可得到標(biāo)量的亥姆霍茲方程,寫到圓柱坐標(biāo)系中,可得到

求解式(8-47),通過變換得到直角坐標(biāo)系中的橫向場分量為

由電磁場的邊界條件,可以確定出LPmn模的特征方程為

2.線性偏振模及其特性

當(dāng)模式截止,w→0時(shí),利用第二類變型的貝塞爾函數(shù)漸進(jìn)公式,由式(8-50)可得到

所以,截止?fàn)顟B(tài)下LPmn特征方程為Jm-1(u)=0,也就是說,LPmn模的歸一化截止頻率Vc由Jm-1(u)=0來確定。

求出各種LPmn模的歸一化截止頻率Vc=uc。因此,當(dāng)進(jìn)入光纖中的信號歸一化頻率V大于某種模式的截止頻率Vc時(shí),該信號可在光纖中傳輸;反之,若V<Vc,則與Vc相應(yīng)的模式將被截止,不能在光纖中傳輸。

對于遠(yuǎn)離截止時(shí)的傳輸特性,其特征值u隨歸一化頻率V而變化,因此遠(yuǎn)離截止時(shí)的特征方程可簡化為Jm(u)=0,從而遠(yuǎn)離截止時(shí)的特征方程u等于m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根。表8-2給出了光纖中幾個(gè)低次LPmn模截止時(shí)的uc值和遠(yuǎn)離截止時(shí)的u值。

在多模階躍光纖中,多個(gè)導(dǎo)模同時(shí)傳輸,光纖的歸一化頻率V愈大,導(dǎo)模數(shù)愈多,導(dǎo)模數(shù)M可按下式計(jì)算:

在多模漸變光纖中,當(dāng)g=2(g是漸變折射率光纖的折射率變化參數(shù))時(shí),導(dǎo)模總數(shù)為

即可傳輸模式數(shù)僅為階躍光纖的一半,這對于減小模間色散是有利的。

3.模功率分布

導(dǎo)模在光纖中傳輸時(shí),功率集中在纖芯和包層中。對于不同模式,光功率在纖芯和包層的分配比例不同,包層中的光功率易受各種因素的影響而失去。在弱導(dǎo)近似下,LP模的橫向場只有Ey和Hz分量,所以導(dǎo)模攜帶的光功率在纖芯和包層中分別為

將LPmn模的場分布代入,可得

式(8-57)中,P總=P芯+P包為光纖傳輸?shù)目偣β?η稱為波導(dǎo)效率。

圖8-12給出了各LP模的P包/P總與ν的關(guān)系?？梢钥闯?在遠(yuǎn)離截止時(shí),功率主要集中在纖芯中,且大部分在高階模中。在接近截止時(shí),功率向包層轉(zhuǎn)移,對于低階模(m=0或1),在截止時(shí)功率完全轉(zhuǎn)移到包層中;對于m>1的高階模,纖芯中仍保留較大的比例。圖8-12LP模光功率分布與V的關(guān)系

8.1.5光纖的損耗與色散

1.光纖的損耗

光波在光纖中傳輸,隨著距離的增加光功率逐漸下降,這就是光纖的傳輸損耗,該損耗直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短,是光纖最重要的傳輸特性之一。自光纖問世以來,人們在降低光纖損耗方面做了大量的工作,1.31μm光纖的損耗值在0.5dB/km以下,而1.55μm光纖的損耗值在0.2dB/km以下,這個(gè)數(shù)量級接近光纖損耗的理論極限。光纖的損耗如圖8-13所示。形成光纖損耗的原因很多,其損耗機(jī)理復(fù)雜,計(jì)算也比較復(fù)雜(有些是不能計(jì)算的)。

降低損耗主要依賴于工藝的提高和對材料的研究等。光纖損耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗,還有光纖結(jié)構(gòu)的不完善。0.85μm、1.31μm和1.55μm左右是光纖通信中常用的三個(gè)低損耗窗口。

圖8-13光功率的損耗

2.光纖的色散

由于光纖中所傳信號的不同頻率成分或信號能量的各種模式成分,在傳輸過程中,因群速度不同互相散開,引起傳輸信號波形失真、脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘柮}沖畸變,從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機(jī)理上說,光纖色散分為材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散由信號不是單一頻率所引起,后一種色散由信號不是單一模式所引起。這些都是影響光纖當(dāng)中信號傳輸?shù)囊蛩亍?/p>

8.1.6光纖通信簡介

光纖的主要作用是引導(dǎo)光在光纖內(nèi)沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實(shí)現(xiàn)長距離的光纖通信,必須減小光纖的衰減。英籍華人高錕早在20世紀(jì)60年代后期就指出,降低玻璃內(nèi)的過渡金屬雜質(zhì)離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面,玻璃內(nèi)的OH離子對衰減也有嚴(yán)重的影響。到了1976年,人們設(shè)法降低OH含量后發(fā)現(xiàn)低衰減的長波長窗口有1.31μm和1.55μm兩種。

1980年,光纖衰減已降低到0.2dB/km(1.55μm),接近理論極限。這樣,進(jìn)行長距離的光纖通信便成為可能。與此同時(shí),為促進(jìn)光纖通信系統(tǒng)的實(shí)用化,人們又及時(shí)地開發(fā)出適用于長波長的光源、激光器、發(fā)光管和光檢測器。應(yīng)運(yùn)而生的光纖成纜、光無源器件和性能測試及工程應(yīng)用儀表等技術(shù)日臻成熟。這些都為光纖光纜作為新的通信傳輸媒介奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.光纖通信使用波段

目前光纖通信所用光波的波長范圍為λ=0.8~2.0μm,屬于電磁波譜中的近紅外區(qū)。其中0.8~1.0μm稱為短波長段,1.0~2.0μm稱為長波長段。具體地說,光纖通信使用的波長有三個(gè):0.85μm、1.31μm和1.55μm。因?yàn)?.8~2.0μm的波長區(qū)間為光纖的低損耗區(qū)域,或稱為低損耗窗口,光纖通信所用光波的頻率是非常高的,約為1.67~3.75×1014Hz量級。正因?yàn)槿绱?光纖通信具有其他通信無法比擬的巨大的通信容量。

2.光纖通信的特點(diǎn)

與電纜或微波等電通信方式相比,光纖通信的優(yōu)點(diǎn)有:①傳輸頻帶極寬,通信容量很大;②由于光纖衰減小,無中繼設(shè)備,故傳輸距離遠(yuǎn);③串?dāng)_小,信號傳輸質(zhì)量高;④光纖抗電磁干擾,保密性好;⑤光纖尺寸小,重量輕,便于傳輸和鋪設(shè);⑥耐化學(xué)腐蝕;⑦光纖是由石英玻璃拉制成形的,原材料來源豐富,并節(jié)約了大量有色金屬。

光纖通信也有一此缺點(diǎn):①光纖彎曲半徑不宜過小;②光纖的切斷和連接操作技術(shù)復(fù)雜;③分路、耦合麻煩。

3.光纖通信系統(tǒng)

廣義而言,通信就是各種形式信息的轉(zhuǎn)移或傳遞。通常的具體做法是首先將擬傳遞的信息設(shè)法加載(或調(diào)制)到某種載體上,然后將被調(diào)制的載體傳送到目的地,再將信息從載體上解調(diào)出來。光纖通信系統(tǒng)中電端機(jī)的作用是對來自信息源的信號進(jìn)行處理,如模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換多路復(fù)用等;發(fā)送端光端機(jī)的作用則是將光源(如激光器或發(fā)光二極管)通過電信號調(diào)制成光信號,輸入光纖傳輸至遠(yuǎn)方;接收端的光端機(jī)內(nèi)有光檢測器(如光電二極管)將來自光纖的光信號還原成電信號,經(jīng)放大、整形、再生恢復(fù)原形后,輸至電端機(jī)的接收端。

對于長距離的光纖通信系統(tǒng)還需中繼器,其作用是將經(jīng)過長距離光纖衰減和畸變后的微弱光信號經(jīng)放大、整形、再生成一定強(qiáng)度的光信號,繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質(zhì)量。目前的中繼器多采用光—電—光形式,即將接收到的光信號用光電檢測器變換為電信號,經(jīng)放大、整形、再生后再調(diào)制光源將電信號變換成光信號重新發(fā)出,而不是直接放大光信號。近年來,適合作光中繼器的光放大器(如摻鉺光纖放大器)已研制成功,這就使得采用光纖放大器的全光中繼及全光網(wǎng)絡(luò)指日可待。

8.1.7光纖數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線作為航空電子系統(tǒng)的“骨架”和“神經(jīng)”,對航空電子系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用,其發(fā)展是與航空電子技術(shù)的發(fā)展同步進(jìn)行的。即使在20世紀(jì)初航空技術(shù)發(fā)展的萌芽階段,也要求相關(guān)信息及時(shí)到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)(飛行員)。當(dāng)時(shí),飛機(jī)狀況信息(油量、高度、速度等)通過機(jī)械、氣動(dòng)、液壓等方式傳送到座艙儀表上,信息的種類和數(shù)量都非常有限。50多年來,航空電子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)總線的性能提出了越來越高的要求,數(shù)據(jù)總線的性能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都在發(fā)生著深刻的變化。

高速光纖數(shù)據(jù)總線技術(shù)是新一代航空電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合化、數(shù)字化和智能化的核心和支柱,對實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)功能的綜合、提高飛機(jī)的作戰(zhàn)能力和生存能力起著決定性的作用。

光纖數(shù)據(jù)總線一般包括以下幾種:

(1)光纖:主要涉及光纖的物理特性、損耗及帶寬等。定義了兩種光纖:一種是多模光纖,纖芯62.5μm,包層125μm的漸變式多模光纖,使用廉價(jià)的LED作為光源,導(dǎo)入波長有850nm和1300nm兩種,以1300nm最常用,最大傳輸距離為2km;另一種是單模光纖,纖芯為8~10μm,包層為125μm,使用激光光源,導(dǎo)入波長為1300nm,傳輸距離理論值可達(dá)100km。

(2)光纖連接器:規(guī)定了介質(zhì)接口連接器(MIC)的物理特性。

(3)光信號旁路開關(guān):規(guī)定了光信號旁路開關(guān)的損耗和物理特性。光旁路開關(guān)是為保證系統(tǒng)有效運(yùn)行而定義的一種可靠性規(guī)范,當(dāng)站點(diǎn)未加入系統(tǒng)或發(fā)生故障時(shí),光信號自動(dòng)繞過該站點(diǎn),直接導(dǎo)入輸入光纖上,使網(wǎng)絡(luò)不受影響。

(4)光發(fā)送器和接收器:主要規(guī)定它們的輸出功率、靈敏度、輸出波形以及中心波長等特性。光發(fā)送器負(fù)責(zé)將光源產(chǎn)生的光束導(dǎo)入光纖,而光接收器將檢測到的光信號進(jìn)行還原處理,靈敏度是其最重要的指標(biāo)。此外,還有協(xié)議、訪問、站點(diǎn)管理等層。

8.2自由空間光通信及激光數(shù)據(jù)鏈路

8.2.1自由空間光通信光無線通信又稱為自由空間光通信(FreeSpaceOptics,FSO),光無線通信在人類通信發(fā)展歷史上是最早出現(xiàn)的通信形式之一,如遠(yuǎn)古時(shí)代用烽火臺點(diǎn)火報(bào)警就是利用可見光作為載體來傳輸信息的。與無線電和光纖通信迅猛發(fā)展的勢頭相比,光無線通信的研究一直處于低潮。

自由空間光通信系統(tǒng)主要由光接口模塊、媒體轉(zhuǎn)換器(快速以太網(wǎng)接口模塊)、光發(fā)射模塊、光接收模塊、光學(xué)天線、對準(zhǔn)系統(tǒng)和系統(tǒng)控制模塊組成,其系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖8-14所示。圖8-14系統(tǒng)功能模塊

1.光發(fā)射模塊

光發(fā)射模塊主要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,由輸入緩沖級、驅(qū)動(dòng)級和光發(fā)射器件組成。光發(fā)射器件一般要選用高功率、高效率的激光管,該元件可以是發(fā)光二極管LED和激光管LD,也可以是垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL。為了保證系統(tǒng)可通率達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)光發(fā)射功率要足夠大,以保證系統(tǒng)具有足夠強(qiáng)的抗干擾能力和抵御大氣衰減的能力。驅(qū)動(dòng)級應(yīng)該將數(shù)據(jù)電信號轉(zhuǎn)換為光信號來驅(qū)動(dòng)發(fā)射器發(fā)光。另外,由于發(fā)光元件的發(fā)光效率會(huì)隨時(shí)間和溫度變化,所以驅(qū)動(dòng)級部分應(yīng)該包括一個(gè)用于自動(dòng)功率控制的反饋控制回路,能夠保持穩(wěn)定的平均功率。

2.光接收模塊

在系統(tǒng)接收端,光學(xué)天線將空間傳播的激光信號匯聚到接收模塊中的光接收器件表面,光接收器件將激光信號轉(zhuǎn)換為電流信號后經(jīng)過前置放大器、限幅放大器、緩沖輸出后形成標(biāo)準(zhǔn)電壓數(shù)字信號。光接收器件與前置放大器為光接收模塊的關(guān)鍵部分,光接收器件可選用PIN或APD,APD具有內(nèi)增益和較高靈敏度的特點(diǎn),而PIN則具有使用簡單的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中要選擇量子效率高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的光電探測器,前置放大器的噪聲性能好壞對系統(tǒng)的信噪比等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要,所以必須精心設(shè)計(jì)前置放大器電路,最大限度地減小噪聲。

3.光接口模塊

光接口模塊分為接收部分與發(fā)射部分。接收部分的光接收器件(通常為PIN)將其他光接口設(shè)備輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,通過放大,緩沖后輸入系統(tǒng)。經(jīng)過空間信道傳輸后,光發(fā)射模塊將光信號進(jìn)行調(diào)制、編碼后輸入到光接口模塊中的發(fā)射部分,再驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器件(通常為LD)發(fā)送光信號。

4.快速以太網(wǎng)接口模塊

快速以太網(wǎng)接口的主要功能為對以太網(wǎng)端口輸入的加擾雙極性MLT－3標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)、碼型轉(zhuǎn)換、解擾后轉(zhuǎn)換為適宜進(jìn)行光發(fā)射器件調(diào)制的電信號;對光接收器件解調(diào)后的電信號進(jìn)行時(shí)鐘提取、數(shù)據(jù)判決、擾碼、碼型轉(zhuǎn)換后輸出加擾雙極性MLT－3信號,即快速以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)信號。這使得系統(tǒng)無需其他轉(zhuǎn)接設(shè)備就能直接應(yīng)用于以太網(wǎng)環(huán)境中。

5.光學(xué)天線

發(fā)射端光學(xué)天線主要將半導(dǎo)體激光器光束的發(fā)散角壓縮后再通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步準(zhǔn)直成毫弧度級光束。接收端光學(xué)天線的作用是將接收到的空間激光信號收集并匯聚到光接收器件的有效接收表面。在強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測的光無線通信系統(tǒng)中,如果光波覆蓋面的角度較寬,就需要采用分集技術(shù)進(jìn)行接收,即用多個(gè)排成陣列的檢測管,就可以得到質(zhì)量很好的電信號。這種技術(shù)可以在很寬的視線線路范圍內(nèi)得到較高的光增益,接收時(shí)環(huán)境光噪聲對有用信號的干擾小,還可減輕多徑色散等干擾。光接收端采用一個(gè)低損耗多合一光纖將多個(gè)檢測器輸出的光信號合成并耦合到光接收器件的有效接收表面上。

6.對準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在通信過程中,由于端機(jī)位置變動(dòng),能否快速將收發(fā)天線對準(zhǔn),使其很快進(jìn)入通信狀態(tài),這是衡量系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活性的主要指標(biāo),也是決定系統(tǒng)能否投入運(yùn)行十分關(guān)鍵的指標(biāo)。如果系統(tǒng)其他性能都很好,只是因?yàn)楹茈y對準(zhǔn)而不能進(jìn)行正常通信,這就失去了使用價(jià)值。因此,為增加機(jī)動(dòng)性,減少調(diào)校準(zhǔn)時(shí)間,必須有一個(gè)對準(zhǔn)系統(tǒng),收發(fā)光束對準(zhǔn)是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。對于近地可視距離激光大氣通信系統(tǒng),可以采用一些較簡單的方式解決快速對準(zhǔn)問題。一個(gè)極為簡單、經(jīng)濟(jì)可行的對準(zhǔn)方法就是利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行對準(zhǔn)。

采用人眼瞄準(zhǔn)器具和自行研制的具有高度靈活性及穩(wěn)定性的手工調(diào)整方法進(jìn)行快速對準(zhǔn)。調(diào)整支架可采用能升降的并能固定在通信車上的三角支架,支架上裝有多維調(diào)整裝置,發(fā)射、接收天線和瞄準(zhǔn)器具就裝在多維調(diào)整裝置上。

7.系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測和系統(tǒng)管理功能,包括接收光信號強(qiáng)度監(jiān)測、用戶端接口選擇等功能。

8.2.2機(jī)載激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的組成

機(jī)載激光數(shù)據(jù)鏈路是指在戰(zhàn)斗機(jī)與機(jī)載光端機(jī)之間建立光通路,利用激光束作為信息載體,實(shí)現(xiàn)兩機(jī)間的信息傳輸是自由空間激光通信的一種應(yīng)用。激光傳輸信息的過程如下:首先,采用捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)(ATP)技術(shù)將兩光端機(jī)相互對準(zhǔn),然后,兩光端機(jī)相互向?qū)Ψ桨l(fā)射調(diào)制的激光信號(語音、文件、圖像信息等),接收并解調(diào)來自對方的激光信號,實(shí)現(xiàn)雙工通信,即通信雙方都可以發(fā)送和接收信息。雙機(jī)之間的激光數(shù)據(jù)傳輸演示如圖8-15所示。圖8-15雙機(jī)之間的激光數(shù)據(jù)傳輸示意圖

機(jī)載平臺的激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)主要由激光光源子系統(tǒng)、發(fā)射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)以及大氣信道組成,其系統(tǒng)框圖如圖8-16所示。該系統(tǒng)可完成語音、數(shù)據(jù)、圖像等大信息量的雙向傳送。光發(fā)射機(jī)的作用是在發(fā)射端將電信號轉(zhuǎn)變成適合于大氣信道傳輸?shù)墓庑盘?光接收機(jī)的作用是在接收端對光信號進(jìn)行接收、放大和處理。信源是信息的產(chǎn)生之地,它是任務(wù)計(jì)算機(jī)確定的需要共享的戰(zhàn)術(shù)信息。編碼器負(fù)責(zé)把信源發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信息序列,同時(shí)加入冗余信息進(jìn)行糾錯(cuò)編碼。

編碼后的信號加載到調(diào)制器上,調(diào)制器的激勵(lì)電流就隨信號的變化規(guī)律而變化;通過調(diào)制器調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路對激光器進(jìn)行直接光強(qiáng)度調(diào)制后,驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光;最后經(jīng)過光學(xué)天線變換為發(fā)射角很小的已調(diào)光束向空間發(fā)射出去。接收機(jī)光學(xué)天線接收到已調(diào)光束之后,經(jīng)過光探測器將傳來的微弱光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電流脈沖信號。在解調(diào)之前,需要對光束進(jìn)行預(yù)處理,主要包括信號的放大、濾波和脈沖處理。譯碼器根據(jù)編碼方法和接收數(shù)據(jù)所含的冗余信息重構(gòu)原始序列、恢復(fù)原始信號。

圖8-16機(jī)載激光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

1.系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

機(jī)載平臺的鏈路系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成。

(1)顯示/輸入控制臺:由用戶使用,用來顯示和輸入信息。

(2)任務(wù)計(jì)算機(jī):計(jì)算機(jī)是激光傳輸信息的重要組成部分,也是信息按照傳輸要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)闹匾Ｕ?。它接收各種傳感器和操作員發(fā)出的各種數(shù)據(jù),并將其編排為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的輸入和輸出緩存器用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分發(fā),同時(shí)接收光鏈路中其他平臺發(fā)來的各種數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)終端設(shè)備:它是一個(gè)光、機(jī)、電等復(fù)合的系統(tǒng),是激光數(shù)據(jù)鏈路的核心部分,主要由發(fā)射與接收子系統(tǒng)、信號的調(diào)制與解調(diào)子系統(tǒng)、探測子系統(tǒng)和ATP子系統(tǒng)四部分組成。通信規(guī)程、激光傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)都在數(shù)據(jù)終端設(shè)備內(nèi),它控制著整個(gè)激光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作。

(4)收/發(fā)光學(xué)天線系統(tǒng):發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)主要的功能是壓縮光束的發(fā)散角,對光束進(jìn)行準(zhǔn)直;接收天線系統(tǒng)的作用是接收微弱光信號并匯聚到檢測探測器表面,增大檢測器的有效接收面積,光學(xué)天線性能的優(yōu)劣直接影響到通信的可靠性。發(fā)射與接收天線都采用的是透鏡系統(tǒng)。

從上面的機(jī)載平臺結(jié)構(gòu)組成可知,激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。其軟件部分是一套協(xié)議規(guī)程,對戰(zhàn)場信息的信息格式、信息的編碼與解碼、斷點(diǎn)續(xù)傳控制以及光路的對準(zhǔn)步驟等進(jìn)行了具體規(guī)定。而硬件部分是計(jì)算機(jī)、機(jī)載光端機(jī)等。

2.系統(tǒng)主要設(shè)備

本節(jié)主要研究機(jī)載激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng),它類似于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),因此下面重點(diǎn)介紹機(jī)載激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的主要設(shè)備,包括任務(wù)計(jì)算機(jī)、機(jī)載光端機(jī)和光學(xué)天線。其組成結(jié)構(gòu)如圖8-17所示。圖8-17激光傳輸系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

1)任務(wù)計(jì)算機(jī)

任務(wù)計(jì)算機(jī)的作用主要有:向接收平臺提供數(shù)字信息;接收并處理從其他平臺輸入的數(shù)字信息;維護(hù)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)庫。它還支持武器選擇,控制數(shù)據(jù)顯示設(shè)備。

2)機(jī)載光端機(jī)

機(jī)載光端機(jī)是飛機(jī)與飛機(jī)之間激光傳輸信息的主體,可以采用吊艙或者轉(zhuǎn)塔形式,這里介紹一種“球形”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)塔平臺。光電穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔萬向架在方位與俯仰兩個(gè)自由度上具有系統(tǒng)所要求的搜索范圍。機(jī)載光端機(jī)的外形如圖8-18所示。

機(jī)載光端機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,這里只從總體上進(jìn)行分析,可以分為以下幾個(gè)部分,如圖8-19所示。圖8-18-機(jī)載光端機(jī)外形圖8-19機(jī)載光端機(jī)系統(tǒng)組成

(1)機(jī)載光端機(jī)主機(jī)部分。它完成對目標(biāo)光捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤,其內(nèi)部包括內(nèi)萬向架、外萬向架、減震器、保護(hù)罩及光學(xué)窗口、角度傳感器及測量組件、陀螺、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件。

(2)穩(wěn)定跟蹤電子箱。電子箱箱體氣密、電磁屏蔽、采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱。內(nèi)部電路板與箱體之間采用鎖緊方式連接,既有利于電路板上電子元器件的散熱,又兼顧了結(jié)構(gòu)緊固。穩(wěn)定跟蹤電子箱通過電纜與光電穩(wěn)定轉(zhuǎn)塔、操控單元、機(jī)上綜合顯示等終端設(shè)備相連,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。穩(wěn)定跟蹤電子箱主要包括管理計(jì)算機(jī)、伺服控制板、伺服接口板、跟蹤器板、電源板、母板、濾波組件、箱體組件、托架組件、電路板加固結(jié)構(gòu)及散熱系統(tǒng)等電子單元和結(jié)構(gòu)組件。

(3)操控單元。機(jī)載轉(zhuǎn)臺的操控單元由一組控制開關(guān)和拇指單桿組成。操控手通過操縱桿操控,完成對工作狀態(tài)的控制、系統(tǒng)工作模式的轉(zhuǎn)換以及對目標(biāo)的搜索、瞄準(zhǔn)、跟蹤。操控單元上的拇指單桿采用拇指式力敏傳感器,體積小、操控靈活,具有非常好的人機(jī)工效。操控單元包括拇指單桿、各種控制開關(guān)和指示燈、邏輯控制與通信計(jì)算機(jī)及導(dǎo)光板。

(4)顯示單元。它是機(jī)載光端機(jī)的視頻顯示裝置(與主機(jī)共用)。

(5)光學(xué)天線。它主要用于接收和發(fā)射光波信號,分為發(fā)射光學(xué)天線與接收光學(xué)天線。根據(jù)設(shè)計(jì)的不同采用不同的天線模式,有收發(fā)合一光學(xué)天線與發(fā)射/接收獨(dú)立天線。光學(xué)系統(tǒng)通常采用透射式望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡兩種。

激光數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)在:

(1)對準(zhǔn)技術(shù)。除了上述的ATP對準(zhǔn)技術(shù)之外,對于飛機(jī)之間的對準(zhǔn)還可以采用一些更為簡單的對準(zhǔn)技術(shù),以便減輕設(shè)備重量,簡化機(jī)載設(shè)備。例如,可以應(yīng)用飛機(jī)現(xiàn)役裝備中的紅外定向等火控瞄準(zhǔn)裝置和頭盔瞄準(zhǔn)定位等快捷的定位技術(shù)對準(zhǔn)通信雙方或多方。由于目前先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)大多裝有光電設(shè)備,因此還可利用“貓眼效應(yīng)”進(jìn)行通信雙方的互相捕獲。在通信用光束上,在滿足通信距離的前提下,可以適當(dāng)擴(kuò)束,采用“錐體對準(zhǔn)”和“觸發(fā)循環(huán)通信”的方式,提高數(shù)據(jù)流量。

(2)光源及高碼率調(diào)制技術(shù)。在空間光數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中大多可采用大功率半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的YAG固體激光器作為信號光和信標(biāo)光源,其工作波長為0.8~1.5μm近紅外波段。信標(biāo)光源(采用單管或多個(gè)管芯陣列組合,以加大輸出功率)要求能提供在幾瓦量級的連續(xù)光或脈沖光,以便在大視場、高背景光干擾下,快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo),通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至千赫茲或幾千赫茲至幾萬赫茲,以克服背景光的干擾。信號光源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器,但要求輸出光束質(zhì)量好,工作頻率高(可達(dá)到幾十兆赫至幾十吉赫)具體選擇視需要而定。據(jù)報(bào)道,貝爾實(shí)驗(yàn)室已研制出調(diào)制頻率高達(dá)10GHz的光源。

(3)高靈敏度抗干擾的光信號接收技術(shù)?？臻g光數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,光接收端機(jī)接收到的信號是十分微弱的,加之在高背景噪聲場的干擾情況下,會(huì)導(dǎo)致接收端S/N<1。為了快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號,通常采取兩方面的措施:一是提高接收端機(jī)的靈敏度,達(dá)到nW至pW量級;二是對所接收信號進(jìn)行處理,在光信道上采用光窄帶濾波器(干涉濾光片或原子濾光片等),以抑制背景雜散光的干擾,在電信道上則采用微弱信號檢測與處理技術(shù)。

(4)精密、可靠、高增益的收發(fā)天線。為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤,光數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)均采用收發(fā)合一天線,它是隔離度近100%的精密光機(jī)組件。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差,要求天線增益要高。另外,為適應(yīng)空間系統(tǒng),天線(包括主副鏡,合束、分束濾光片等光學(xué)元件)總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。國際上現(xiàn)有系統(tǒng)的天線口徑一般為幾厘米至25cm。

(5)大氣信道的研究。在所有涉及激光傳輸?shù)倪^程中,傳輸路徑的研究是關(guān)鍵所在。尤其在激光大氣中傳輸時(shí),由于大氣介質(zhì)的隨機(jī)性和非線性,會(huì)給數(shù)據(jù)鏈的傳輸帶來很大影響。

8.2.3發(fā)射與接收器件

在激光數(shù)據(jù)鏈路中,激光器的選擇和光電探測器的確定是保證收/發(fā)雙方實(shí)現(xiàn)信息交換的基礎(chǔ),所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先需要根據(jù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對它們進(jìn)行選擇。

1.激光器的選擇

在激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)中,發(fā)射接收光束分為信標(biāo)光和信號光兩種,信標(biāo)光主要用于ATP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈路的建立,而信號光主要是信號載波。在ATP系統(tǒng)中,信標(biāo)光裝置主要由信標(biāo)光激光器以及調(diào)制驅(qū)動(dòng)部分組成,為了提高捕獲的概率,信標(biāo)光激光器要求有很大的發(fā)射功率;為了減少捕獲時(shí)間,信標(biāo)光要求有很大的發(fā)射角。

(1)信標(biāo)光激光器。由于信標(biāo)光用于系統(tǒng)粗對準(zhǔn),為了使信息交換雙方能夠方便并節(jié)省捕獲時(shí)間,信標(biāo)光光源應(yīng)有很大的光束發(fā)散角。為保證接收端能收到足夠強(qiáng)的光信號,作為信標(biāo)光源的激光器應(yīng)有足夠強(qiáng)的發(fā)射功率。

(2)信號光激光器。信息傳輸用的激光器應(yīng)該有較好的光束質(zhì)量和較高的調(diào)制頻率響應(yīng),由于信號光采用很小的發(fā)散角,故可采用功率小的激光器。

綜合考慮體積、價(jià)格、使用壽命和負(fù)載信息的難易程度等四個(gè)方面后,可以選擇占主流地位的半導(dǎo)體激光器VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)

2.光接收器件的選擇

激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)常用的光電探測器為PIN和APD。PIN的優(yōu)點(diǎn)是體積小、壽命長、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、靈敏度高。APD具有內(nèi)部增益可提高信噪比,但使用時(shí)要加很高的反向偏壓。而且雪崩電壓會(huì)隨著溫度發(fā)生漂移,因而使用APD時(shí)要有極穩(wěn)定的偏壓電源和溫度補(bǔ)償電路。目前常用的探測器材料有Si、Ge和InGaAs。由于Si探測面較大,更適合于機(jī)載平臺光探測。

8.2.4發(fā)射與接收

通常,在激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)中進(jìn)行信息傳輸時(shí),必須保持兩機(jī)之間的光路對準(zhǔn)。如果要進(jìn)行長時(shí)間的信息交換,那么兩機(jī)之間的光路必須保持始終對準(zhǔn)。但由于機(jī)載平臺自身的特點(diǎn)和環(huán)境因素對它的影響,它在飛行過程中的波動(dòng)較大,并且有些時(shí)候還需要做必要的機(jī)動(dòng),這就使得兩機(jī)之間的光路很難保持長時(shí)間的對準(zhǔn)。如果用激光傳輸信息,同時(shí)采用傳統(tǒng)的對準(zhǔn)工作方式進(jìn)行信息的傳輸,這必然會(huì)導(dǎo)致信息在很多時(shí)候因光路斷開而無法傳輸。因此,人們便設(shè)計(jì)了激光猝發(fā)接收系統(tǒng)。

1.激光猝發(fā)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

激光猝發(fā)接收系統(tǒng)需要在光路建立好后,瞬間快速地進(jìn)行信息的傳輸,為了適應(yīng)這種收發(fā)方式,我們將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圖8-20所示。圖8-20激光猝發(fā)接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各組成部件包括:

①機(jī)載傳感器,探測戰(zhàn)斗空域敵情信息并接收友機(jī)通信信息;

②任務(wù)計(jì)算機(jī),將傳感器獲得的信息進(jìn)行編碼、壓縮、存儲(chǔ)和發(fā)送,控制ATP組件搜索要進(jìn)行信息交換的友機(jī),對友機(jī)反饋回的信息進(jìn)行譯碼和響應(yīng),控制信息按照協(xié)議傳輸;

③調(diào)制器,將編碼后的信號轉(zhuǎn)換成電流信號,它加載到激光驅(qū)動(dòng)器上驅(qū)動(dòng)激光器隨著電流信號的變化進(jìn)行相應(yīng)的發(fā)光;

④光學(xué)ATP組件,對友機(jī)發(fā)射的激光進(jìn)行搜索與對準(zhǔn),控制光學(xué)天線旋轉(zhuǎn);

⑤光學(xué)天線,對激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直、發(fā)射與接收;

⑥探測器,接收從光學(xué)天線收到的信號;

⑦解調(diào)器,將探測器輸出的信號恢復(fù)出發(fā)射機(jī)發(fā)送的戰(zhàn)場信息。

激光猝發(fā)接收的原理(戰(zhàn)斗機(jī)A向戰(zhàn)斗機(jī)B發(fā)送信息)為:戰(zhàn)斗機(jī)A任務(wù)計(jì)算機(jī)對所需要發(fā)送的信息進(jìn)行編碼并存儲(chǔ),同時(shí)控制ATP組件對目標(biāo)機(jī)進(jìn)行搜索并建立光鏈路,當(dāng)光路建立后,探測器接收到戰(zhàn)斗機(jī)B發(fā)來的光脈沖響應(yīng)信號,信息被轉(zhuǎn)換成光脈沖通過光學(xué)天線進(jìn)行快速發(fā)送,在一次光通路后完成一次信息傳輸。

從圖8-20中可以看出猝發(fā)接收的大部分模塊與其他的通信方式是相同的,它們最大的區(qū)別在于猝發(fā)接收是基于“存儲(chǔ)—發(fā)送”結(jié)構(gòu),這樣發(fā)送方可以對信息發(fā)送進(jìn)行管理與控制,根據(jù)友機(jī)需要發(fā)送相應(yīng)信息,這個(gè)過程是由任務(wù)計(jì)算機(jī)完成的。與此同時(shí),為了在較短的時(shí)間內(nèi)盡可能地發(fā)送更多的信息,應(yīng)以“快速—瞬時(shí)”的方式發(fā)送。

2.斷點(diǎn)續(xù)傳原理

在機(jī)載激光猝發(fā)接收過程中,由于機(jī)載平臺受到多方面因素的影響,尤其是大氣擾動(dòng)和飛機(jī)自身機(jī)動(dòng),使得激光數(shù)據(jù)鏈路終端的伺服系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)快速跟蹤平臺變化,使得激光鏈路處于斷開狀態(tài),導(dǎo)致信息無法繼續(xù)傳輸。假設(shè)兩架戰(zhàn)斗機(jī)在一次良好的光鏈路下進(jìn)行猝發(fā)接收,當(dāng)光鏈路斷開時(shí)信息并未傳輸完畢的情況下,如果在下一次光路建立重新進(jìn)行信息傳輸,必然會(huì)導(dǎo)致很多信息重新傳輸,浪費(fèi)了時(shí)間,致使接收機(jī)無法實(shí)時(shí)有效地接收戰(zhàn)場信息,這對于接收機(jī)是非常不利的。

如果采用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)進(jìn)行信息傳輸,那么發(fā)射機(jī)就能夠?qū)鬏數(shù)男畔⑦M(jìn)行很好的管理,信息就不會(huì)因?yàn)殒溌返臄嚅_而重新傳輸,它會(huì)在下次良好的光鏈路中從數(shù)據(jù)斷開的位置繼續(xù)進(jìn)行信息傳輸,這樣就保證了信息傳輸?shù)母咝院蛯?shí)時(shí)性。

8.2.5激光束的傳輸與對準(zhǔn)

1.激光猝發(fā)接收的光束對準(zhǔn)

由于機(jī)載平臺是個(gè)機(jī)動(dòng)平臺,同時(shí)該平臺還受到自身振動(dòng)和大氣擾動(dòng)的影響,這就決定了在激光猝發(fā)接收中激光鏈路的建立是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。為了解決這個(gè)問題,機(jī)載激光數(shù)據(jù)鏈路終端ATP系統(tǒng)采用三步對準(zhǔn)方法完成一次光鏈路的建立。在激光數(shù)據(jù)鏈路中,系統(tǒng)將束散角大的信標(biāo)光用于對準(zhǔn),將束散角小的信號光用于傳輸信息,同時(shí)系統(tǒng)將信標(biāo)光和信號光設(shè)計(jì)為合束共軸發(fā)射和接收,它們的關(guān)系如圖8-21所示。圖8-21信標(biāo)光與信號光關(guān)系圖

對于機(jī)載光鏈路的建立,本節(jié)采用三個(gè)步驟完成,主要為初始指向、信標(biāo)光的捕獲以及信標(biāo)光的跟蹤與瞄準(zhǔn)。捕獲過程是指接收機(jī)搜索不確定區(qū)域,尋找發(fā)射機(jī)發(fā)射的激光信號的過程;跟蹤過程是指在接收機(jī)根據(jù)接收到的激光束判定光束到達(dá)方向,并且保持監(jiān)視接收光束的過程;瞄準(zhǔn)過程是指接收機(jī)根據(jù)接收到的光束到達(dá)方向,在精度允許的范圍內(nèi)將本地的發(fā)射光束對準(zhǔn)遠(yuǎn)端發(fā)射機(jī)的過程。

2.信標(biāo)光的捕獲

激光光束的捕獲需要經(jīng)過兩個(gè)步驟:首先是激光數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的光學(xué)天線旋轉(zhuǎn)到一個(gè)特定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)初始對準(zhǔn),這個(gè)特定的區(qū)域稱為捕獲不確定區(qū)域;其次是收發(fā)雙方發(fā)射信標(biāo)光對這個(gè)特定的區(qū)域進(jìn)行掃描完成信標(biāo)光的捕獲。

圖8-22為兩機(jī)信標(biāo)光捕獲示意圖,兩機(jī)之間以相對速度v飛行,戰(zhàn)斗機(jī)A以角速率ω1搜索不確定區(qū)域,戰(zhàn)斗機(jī)B以角速率ω2搜索不確定區(qū)域。圖8-22信標(biāo)光捕獲示意圖

1)機(jī)載光端機(jī)的初始對準(zhǔn)

機(jī)載光端機(jī)的初始對準(zhǔn)是將機(jī)載光端機(jī)的視軸按照一定的方法和原則指向?qū)Ψ?。最簡單的方法就是操縱飛機(jī)運(yùn)動(dòng),將光端機(jī)的發(fā)射方向?qū)?zhǔn)對方。

飛機(jī)與地面激光通信ATP系統(tǒng)引導(dǎo)方法對于機(jī)載鏈路的初始指向有很強(qiáng)的借鑒意義。不同于星際激光通信可通過星歷表和軌道預(yù)測來判斷對方的位置,長機(jī)通信終端是通過射頻輔助傳輸將自身的位置、速度、時(shí)間參數(shù)發(fā)送給僚機(jī)終端,僚機(jī)終端通過射頻將自身的位置和時(shí)間參數(shù)發(fā)送給長機(jī)終端。通信雙方在嚴(yán)格時(shí)間統(tǒng)一條件下,經(jīng)過各自的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣求解出指向?qū)Ψ降姆轿唤呛透┭鼋侵?通過控制各自的二維轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度將通信視軸旋轉(zhuǎn)到不確定區(qū)域,完成視軸初始對準(zhǔn)。

設(shè)(x,y,z)為僚機(jī)在長機(jī)光端機(jī)視軸坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)值,利用式(8-58)、式(8-59)解算出視軸旋轉(zhuǎn)的方位角α和俯仰角β:

2)頭盔瞄準(zhǔn)跟蹤定位

頭盔瞄準(zhǔn)具是安裝在飛行員頭盔上的一種瞄準(zhǔn)裝置,它使用方便、瞄準(zhǔn)迅速、能充分發(fā)揮人的作用。由于頭盔瞄準(zhǔn)具與飛行員頭部固連在一起,飛行員可以發(fā)揮主觀能動(dòng)性去瞄準(zhǔn)目標(biāo),使目標(biāo)被探測的概率大大增加。在采用頭盔瞄準(zhǔn)時(shí),飛行員用瞄準(zhǔn)標(biāo)線瞄準(zhǔn)并跟蹤目視可見目標(biāo)時(shí),頭位探測器通過測量頭部位置確定瞄準(zhǔn)線的位置,即被瞄準(zhǔn)跟蹤的目標(biāo)相對載機(jī)的位置,也就是瞄準(zhǔn)線相對于飛機(jī)坐標(biāo)系縱軸轉(zhuǎn)過目標(biāo)方位角和目標(biāo)俯仰角。將這兩個(gè)角度輸入到機(jī)載光端機(jī)的控制器就可以控制光端機(jī)的旋轉(zhuǎn),當(dāng)光端機(jī)旋轉(zhuǎn)到頭位探測器確定的瞄準(zhǔn)線的位置時(shí)也就完成了光端機(jī)的初始對準(zhǔn)。采用頭盔瞄準(zhǔn)控制光端機(jī)的組成框圖如圖8-23所示。圖8-23頭盔瞄準(zhǔn)控制光端機(jī)的組成框圖

3)不確定區(qū)域的掃描方法

一般情況下依賴機(jī)載平臺的定位信息和姿態(tài)信息根據(jù)計(jì)算可以使收發(fā)雙方初步實(shí)現(xiàn)光束的指向?qū)?zhǔn),但由于測量誤差和機(jī)載平臺受到外界環(huán)境的影響使得收發(fā)雙方無法實(shí)現(xiàn)視線方向共線,因此需要信標(biāo)光對不確定區(qū)域進(jìn)行掃描,實(shí)現(xiàn)激光鏈路的建立和鏈路中斷后的恢復(fù)。對于機(jī)載平臺需要采用的掃描方案有單方掃描和雙方掃描兩種。

單方掃描方案中掃描方可以是發(fā)送方也可以是接收方,但無論是哪一種情況,總有一方能完全覆蓋對方的不確定區(qū)域,即

式中,θs為激光束束散角,θu為不確定區(qū)域,θo為視場角。圖8-24所示為接收方掃描的的情形。在光端機(jī)初始對準(zhǔn)后,接收方信標(biāo)光按照設(shè)定的掃描方式進(jìn)行掃描,接收方掃描時(shí)在每個(gè)掃描點(diǎn)設(shè)定一定的駐留時(shí)間,信標(biāo)光束只要完全覆蓋對方的不確定區(qū)域則一定可以在某掃描點(diǎn)捕捉到接收方。同樣當(dāng)發(fā)送方的視場角(FOV)不滿足條件時(shí),采用發(fā)送方掃描,接收方凝視的掃描過程與接收方掃描時(shí)類似。圖8-24單方掃描示意圖

雙方掃描方案是發(fā)送方和接收方均采用掃描實(shí)現(xiàn)捕獲,這種方式中θs<θu,θo<θu,捕獲示意圖如圖8-25所示。在光端機(jī)初始對準(zhǔn)后,收/發(fā)雙方的信標(biāo)光都需要進(jìn)行掃描,而在掃描過程中雙方無法確定對方目前掃描點(diǎn)出現(xiàn)的位置,因此雙方應(yīng)協(xié)調(diào)才能完成精確對準(zhǔn)。一種常見的協(xié)調(diào)方法是嵌套掃描方式,即在一方掃描到某一點(diǎn)時(shí),停留一段時(shí)間,而在這段時(shí)間內(nèi)另一方完成對整個(gè)不確定區(qū)域的掃描。需要注意的是,嵌套掃描中雙方需要統(tǒng)一的時(shí)基,以確保捕獲成功。當(dāng)發(fā)送方信標(biāo)光束出現(xiàn)在接收方的FOV中時(shí),采用與單方掃描方案相同的調(diào)整方法即可完成收/發(fā)雙方的確定對準(zhǔn)。圖8-25雙方掃描示意圖

3.信標(biāo)光的跟蹤與瞄準(zhǔn)

在接收方與發(fā)送方對信標(biāo)光進(jìn)行捕獲后,ATP系統(tǒng)進(jìn)入信標(biāo)光的跟蹤和瞄準(zhǔn)過程。由于信標(biāo)光在捕獲環(huán)節(jié)完成后,信標(biāo)光在接收平面上形成的光斑可能還處于接收天線的邊緣,很容易由于光束的擾動(dòng)而脫離捕獲狀態(tài),因此需要將光斑移動(dòng)到接收平面的中心位置。理想的跟蹤過程如圖8-26(a)、(b)所示,將處于探測器邊緣的坐標(biāo)為(x0,y0)的光斑F移動(dòng)到探測器的視場中心位置O,這個(gè)過程是由粗回路和精回路配合完成的。要使光斑坐標(biāo)完全處于探測器中心坐標(biāo)(0,0)非常困難,因此實(shí)際光斑進(jìn)入探測器中心的一個(gè)鄰域即跟蹤窗口,則認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了跟蹤功能。圖8-26跟蹤過程示意圖

當(dāng)載機(jī)A和載機(jī)B的機(jī)載光端機(jī)完成跟蹤功能后,兩機(jī)發(fā)射的信標(biāo)光都指向了對方探測器的視場中心,可以認(rèn)為兩機(jī)載光端機(jī)完成了瞄準(zhǔn),光鏈路就建立起來了。信標(biāo)光被切換為信號光,在接收平面上形成的信號光斑處于一個(gè)小窗口內(nèi),由于機(jī)載平臺的振動(dòng)和擾動(dòng),因此需要在信息收發(fā)過程中繼續(xù)不斷跟蹤信號光斑的位置變化。信息收發(fā)過程中要完成的主要工作如圖8-27所示,由于機(jī)載平臺的振動(dòng)或信號光斑閃爍等因素信號光斑脫離探測器視場中心處于跟蹤窗口的內(nèi)邊緣G點(diǎn),信息傳輸過程中信號光跟蹤的作用就是將光斑從G點(diǎn)移動(dòng)到探測器視場中心O,以確保信息交換過程不被打斷。

如果信息傳輸?shù)倪^程發(fā)生中斷,檢查信號光是否在粗跟蹤窗口,如果在則通過粗跟蹤控制將信號光移到精跟蹤窗口,如果不在則回到系統(tǒng)第一步從信標(biāo)光掃描這個(gè)步驟重新進(jìn)行光束的對準(zhǔn)。

圖8-27機(jī)載激光鏈路工作流程示意圖

4.動(dòng)態(tài)通信階段

在ATP分系統(tǒng)保證通信光軸精密對準(zhǔn)的前提下,啟動(dòng)通信激光發(fā)射單元和探測單元,實(shí)現(xiàn)信息傳輸。機(jī)載激光鏈路可持續(xù)時(shí)間較短(幾十秒),為了傳輸更多的數(shù)據(jù)信息,雙機(jī)之間采用猝發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果在一次收發(fā)中未能將有關(guān)信息傳送完畢,采用斷點(diǎn)續(xù)傳的方法在下次通信時(shí)根據(jù)接收機(jī)發(fā)送的響應(yīng)信號確定上次斷點(diǎn)位置,繼續(xù)發(fā)送斷點(diǎn)后的信息。

8.3機(jī)載激光鏈路快速高概率捕獲技術(shù)

8.3.1捕獲過程概述由于受到機(jī)載平臺測量誤差、位置誤差、等效角度誤差、視軸穩(wěn)定誤差、光端機(jī)視軸裝校誤差等因素的影響,兩機(jī)的激光通信光端機(jī)經(jīng)過初始視軸引導(dǎo)后,仍然存在較大的不確定區(qū)域,這時(shí)需要在確定區(qū)內(nèi)進(jìn)行捕獲。簡單地說就是讓接收機(jī)在其不確定區(qū)內(nèi)搜索發(fā)射光光場的過程。

在捕獲過程中,主動(dòng)方光端機(jī)操控單元根據(jù)主機(jī)的命令旋轉(zhuǎn)到指定方位,啟動(dòng)激光器發(fā)射信標(biāo)光,被動(dòng)方光端機(jī)的捕獲單元進(jìn)行探測,首先實(shí)現(xiàn)單端捕獲。當(dāng)信標(biāo)光進(jìn)入被動(dòng)方探測視場后,一旦檢測到信標(biāo)光光斑,被動(dòng)方立即啟動(dòng)粗跟蹤,調(diào)整CCD探測器視軸的角度,使光斑位于視場中心。同時(shí),被動(dòng)方開啟信標(biāo)光,該信標(biāo)光一定能覆蓋主動(dòng)光端機(jī),主動(dòng)光端機(jī)的捕獲視場也迅速調(diào)整視軸,修正視軸到視場的中心,進(jìn)而完成雙端捕獲,進(jìn)入ATP的下一階段。

捕獲過程的關(guān)鍵參數(shù)有:不確定區(qū)域的大小、探測器接收視場、信標(biāo)光束散角、捕獲模式、掃描方式、掃描速度。捕獲系統(tǒng)的性能指標(biāo)有捕獲概率、最大捕獲時(shí)間、平均捕獲時(shí)間等。為了實(shí)現(xiàn)快速、高概率捕獲,一方面要合理選擇開環(huán)捕獲不確定區(qū)域、減少掃描步數(shù)和掃描時(shí)間,另一方面要優(yōu)化捕獲模式和掃描方式,提高單場捕獲概率。

8.3.2選擇不確定區(qū)域

1.兩機(jī)相對運(yùn)動(dòng)

由于機(jī)載光端機(jī)受到飛機(jī)牽連運(yùn)動(dòng)的影響,有必要分析兩機(jī)的相對運(yùn)動(dòng)。圖8-28所示為機(jī)載激光鏈路示意圖,兩機(jī)的速度分別是vA、vB,鏈路距離為D,相對速度表示為圖8-28-機(jī)載激光鏈路示意圖

在機(jī)載激光鏈路建立過程中,要保證雙方光端始終對準(zhǔn)才能進(jìn)行動(dòng)態(tài)通信,因此,視軸偏差較小,近似認(rèn)為兩光端機(jī)視軸連線與目標(biāo)線重合,也就是目標(biāo)線與CCD探測平面是垂直的。如果設(shè)相對速度與目標(biāo)線的夾角為β,那么相對速度在探測平面上投影為vxd·sinβ。

2.不確定區(qū)域

為了提高捕獲概率,用不確定區(qū)域(FOU)來表示捕獲目標(biāo)可能出現(xiàn)的范圍,它的大小直接決定了捕獲系統(tǒng)的性能,一般不確定區(qū)域的選擇依據(jù)初始引導(dǎo)概率誤差橢圓的大小。如果引導(dǎo)誤差在二維空間內(nèi)的方差為σx=σy=σ,則不確定區(qū)域應(yīng)當(dāng)滿足:

式中,θu是不確定區(qū)域的角度表示。上式描述了概率誤差橢圓的長、短軸半徑取初始引導(dǎo)方差的3倍以上,根據(jù)下式:

計(jì)算得到目標(biāo)在不確定區(qū)域內(nèi)的覆蓋概率達(dá)到98.9%。

如果飛機(jī)A主動(dòng)發(fā)射信標(biāo)光,考慮到目標(biāo)飛機(jī)B出現(xiàn)的FOU與速度有很大關(guān)系,假設(shè)用概率誤差橢圓長半軸b的方向表示速度方向,長半軸的大小與速度大小有關(guān),那么長半軸修正為

式中,ξ是相關(guān)系數(shù),D為兩機(jī)距離,β為俯仰角,vxd為光軸中心距接收機(jī)的距離?？紤]到鏈路建立次數(shù)多,建立和保持時(shí)間較短,以及不同距離、捕獲模式、掃描方法等條件因素,系統(tǒng)設(shè)計(jì)要預(yù)留一定的突發(fā)錯(cuò)誤概率和安全裕量。

概率誤差橢圓的短半軸取初始引導(dǎo)方差σ的3倍。為了便于實(shí)際信標(biāo)光掃描方法的實(shí)現(xiàn),預(yù)設(shè)掃描范圍是以概率誤差橢圓為依據(jù)的矩形區(qū)域。如圖8-29所示,對目標(biāo)出現(xiàn)的概率進(jìn)行仿真,小圓為每次目標(biāo)出現(xiàn)的位置。通過2000次的仿真結(jié)果可知,目標(biāo)在此矩形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的概率在98%以上。圖8-29不確定區(qū)域示意圖

8.3.3捕獲模式與掃描方式

優(yōu)化捕獲模式和掃描方式是實(shí)現(xiàn)快速捕獲的重要方法,掃描應(yīng)從高概率區(qū)向低概率區(qū)進(jìn)行。捕獲模式取決于信標(biāo)光束散角θs、不確定區(qū)域θu和探測視場角θo三者的關(guān)系。如果θs>θu,θo>θu,則信標(biāo)光不需要掃描,只要雙方處于凝視狀態(tài),開機(jī)即能