光通信技术在潜艇武器系统中的应用

2011-02-14 22:27:32来源: 信息与电子工程
光纤制导技术具有信息传输容量大、制导精度高及隐蔽性好等特点,光纤制导武器由于质量轻、体积小和费用低,成为延长并提高有线制导距离和武器命中概率的重要途径。

  随着潜艇武器系统的发展,以及系统中各设备间通信内容的增加,传统的通信形式和通信介质难以满足要求,所以光通信以其容量大、时延短、可靠性高等优点受到了广泛关注。潜艇武器通信系统包括系统中各设备间的通信以及潜艇武器系统与武器之间的通信。随着技术的发展,武器的速度和航程已经远远超出了原来的范围,随之而来的是高航速、大航程带来了更多的信息通信量,基于传统金属导线的通信形式难以满足大量的信息交换的要求,于是光纤通信技术以其自身的诸多优势,逐渐受到了人们的普遍关注。

  1.光纤通信技术在潜艇武器系统中应用是必然

  在讲述潜艇武器系统之前首先讲一下通信系统的分类:

  1)按消息的物理特性分类:根据消息的物理特征不同,通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等。

  2)按调制方式分类:根据是否采用调制,可将通信系统分为基带传输和频带(调制)传输。

  3)按信号特征分类:可以分为模拟通信系统和数字通信系统。

  4)按传输媒介分类:分为有线和无线两类。

  5)按信号复用方式分类:传送多路信号有3种复用方式,即频分复用、时分复用和码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围;时分复用是用抽样的或脉冲调制方法使不同信号占据不同的时间区间;码分复用是用一组包含相互正交的码组携带多路信号。

  按照上述的分类标准,潜艇武器系统属于时分复用、有线、数字、频带传输、数据通信系统。在潜艇武器系统中采用光纤通信技术有以下优点:

  1)通信容量大:采用光纤通信远远大于传统的采用金属导线的通信容量;

  2)通信可靠;

  3)光纤密度小,质量轻:光纤成分为二氧化硅,所以其密度小于铜导线,在海水中是零浮力或者正浮力,所以无论通信距离多长,都不需考虑自身重力对整个通信系统的影响;

  4)光纤物美价廉:光纤的物理成分为二氧化硅,在自然界中含量很高,而且民用光纤已发展得很成熟,所以成本较低;

  5)抗电磁干扰能力加强:众所周知,在潜艇武器系统通信中电磁干扰是一大难题,但光纤通信由于采用了光信号形式,也就自然摆脱了电磁干扰的困扰;

  6)民用技术成熟,便于移植:现在光纤通信技术已经得到了广泛而深入的研究,并且在电信等领域已得到了广泛应用,所以光纤通信在潜艇武器系统中的应用可以在民用技术的基础上进行移植,缩短了研制周期和成本。

  2.光纤通信系统的实现

  2.1 光纤通信系统的组成

  光通信系统一般由光发送部分、光接收部分、光源、光电检测器、光波分复用器、光连接器等部分组成。下面对其中的几部分进行简单介绍:

  1)光发送机和接收机

  要实现信息传输,必须实现光调制和解调。信息信号对光源发出的光信号的调制即光调制。调制后的光信号经过光纤传送到光检测器,经过处理再恢复出原有的信息,这个过程称为解调。光信号的调制是光发送机来完成的,解调是光接收机来完成的。光信号的幅度、频率、相位和光强都可以被调制。对数字调制而言,前3种的调制方式与电信号的ASK,FSK,PSK相对应,光强度调制(IM)是目前光纤通信中最主要的调制方式。光强调度制用电信号的“1”,“0”来控制光源的开和关,因而也被称为开关键控制OOK(On-Off-Key)方式,它既可以直接对光源进行调制,也可以采用外调制器。直接调制方便,价格低廉;外调制技术复杂,价格高,但性能优越。

  2)光电检测器

  光电检测器是光纤通信系统的一个核心器件,主要完成光信号到电信号的转换功能,要求具有灵敏度高、响应时间短、噪声小、消耗低、可靠性高等优点。目前能较好地满足这些要求的是由半导体材料做成的光电检测器。实际应用的光电检测器有两种类型。一种是PIN光电二极管(PIN-PD);另一种是雪崩光电二极管(APD)。PIN光电二极管主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统;APD主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统。

  3)光波分复用器

  光波分复用器的功能是把多个不同的光信号复合在一起,并注入到一根光纤传输。体特性的好坏很大程度上决定了整个系统的性能。根据其制造方法的不同,光波分复用器可以分为4种类型:角色散型,介质膜干涉型,光纤耦合型和集成光波导型。

  4)光纤连接器

  光纤连接方法:熔接法,V型槽机械连接和弹性管连接。

  连接损耗分为内部损耗和外部损耗,外部损耗又称为机械对准误差或连接错位损耗,它顾名思义是由于光纤之间的连接错位引起的损耗。内部损耗又称为与光纤相关的损耗,这主要是由于光纤的波导特性和几何特性的差异导致的损耗。连接错位一般有以下几种情况:轴向位移,连接间隔,倾斜位移,截面不平。

  2.2 光纤通信系统中的关键参数

  1)平均发送光功率

  光发送机的平均发送光功率,是在正常条件下光发送机发送光源尾纤输出的平均光功率。平均发送光功率指标应根据整个系统的经济性、稳定性、可维护性及光纤线路的长短等因素全面考虑,并不是越大越好。

  2)消光比

  消光比定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比,可用式(1)表示:

  (1) 式中:P11为全“1”码平均发送光功率;P00为全“0”码平均发送光功率。消光比直接影响光接收机的灵敏度,从提高接收机灵敏度的角度希望消光比尽可能大,有利于减少功率代价,但也不是越大越好。大的消光比会产生诸如啁啾声功率代价增加、激光器图案相关抖动增加等弊端。

  3)光谱特性

  对于高速光纤通信系统,光源的光谱特性成为制约系统性能的至关重要的参数指标,它影响了系统的色散性能,需要仔细考虑。

  4)接收机的灵敏度

  用满足给定的误码率(如10-9)指标条件下可靠工作所需要的最小平均光功率pmin(mw)来表示。工程上光接收机的灵敏度常用光功率相对值来表示,单位是分贝毫瓦(dBm)。二者的推算关系为:

  (2) 式中:Pmin单位为W,S的单位即为dBm。当入射光功率P大于Pmin时,系统的误码率BER<10-9,能可靠地工作。当入射光功率小于Pmin时,误码率较大,不能正常工作。可见某一光接收机能在最低的入射功率下,达到同样的指标,该接收机灵敏度就比较高。

  5)接收机的动态范围

  是在保证系统的误码率指标要求下,光接收机最低输入光功率Pmin和最大允许光功率Pmax的变化范围。这个范围用D表示,一般在工程上用二者(用dBm描述)之差来表示。其表示了光接收机对信号的适应能力,数值越大越好。

  (3) 之所以要求光接收机有一个动态范围,是因为光接收机的输入信号不是固定不变的,为了保证系统正常工作,光接收机必须具备适应输入信号在一定范围内变化的能力。低于这个动态范围的下限(即灵敏度),将产生过大的误码;高于这个动态范围的上限,在判决时亦将造成过大的误码。显然一部好的光接收机应有较宽的动态范围。

  2.3 光通信系统实现中需关注的几个方面

  1)工作波长的确定

  长距离大容量的系统,则选用长波长的传输窗口,即1 310 nm和1 550 nm,因为这两个波长区具有较低的损耗和色散。另外还要注意所选用的波长具有可供选择的相对器件。

  2)光纤的选择

  光纤有单模和多模光纤,每种都有阶跃的和渐变折射率的纤芯分布。对于短距离传输和短波长应用,可以用多模光纤。但长波长传输一般使用单模光纤。目前可以选用的单模光纤有G.652,G.653,G.654,G.655等。G.652对1 310 nm波段是最佳选择,G653只适用于1 550 nm波段,对于WDM系统,G.655和大有效面积光纤是最合适。另外,光纤的选择也与光源有关,LED与单模光纤的耦合率最低,所以LED一般适合于多模光纤,但近年来的1 310 nm的边发光二极管与单模光纤的耦合取得了进展。另外,对于传输距离为数百米的系统,可以用塑料光纤配以LED。

  3)光检测器的选择

  选择光检测器需要看系统在满足特定误码率的情况下所需的最小接收光功率,即接收机的灵敏度,此外还要考虑检测器的可靠性、成本和复杂程度。PIN比APD结构简单,温度特性更稳定,成本低廉。正常情况下,PIN的偏置电压低于5 V。但是若要检测极其微弱的信号,还需要灵敏度较高的APD或PIN-PET等。

  4)光源的选择

  选择LED还是LD,需要考虑一些系统参数,比如色散、误码率、传输距离和成本等。LED输出频谱的谱宽比LD宽得多,这样引起的色散较大,使得LED的传输容量(码速距离积)较低,限制在2 500 Mb·s-1·km以下(1 310 nm);而LD的谱线较窄,传输容量可达500 Gb·s-1·km以下(1 550 nm)。典型情况下,LD耦合进光纤中的光功率比LED高出10 dB~15 dB,因此会有更大的无中继传输距离。但是LD的价格比较昂贵,发送电路复杂,并需要自动功率和温度控制电路。而LED价格便宜,线性好,对温度不敏感,线路简单。

  3.潜艇武器系统中的光纤通信系统还需解决的关键技术

  1)低衰耗色散小的光纤的研制

  众所周知,光纤传输系统一般采用1 310 nm和1 550 nm窗口作为传输信号。对于一般光纤1 310 nm典型值为:窗口的衰减为0.3 dB/km~0.4 dB/km,色散系数为Ops/nm-km~3.5 ps/nm-km;1 550 nm窗口的衰减为0.19 dB/km~0.25 dB/km,色散系数为15 ps/nm-km~20 ps/nm-km。可以看出衰减小的窗口,色散系数大,衰减大的窗口,色散系数小,因此研制出一种低色散、衰减小的光纤是非常必要的。

  2)提高光纤的抗形变能力

  由于武器的高速运动而引起的光纤导线的较大形变,会对信号的可靠传输产生较大影响,故在工程应用中需要光纤有较强的抗形变能力。

  3)提高光连接器的使用寿命,减小插入损耗

  因为潜艇装备都具有较高的使用频率和较长的使用寿命,这就对关键设备的稳定性和可靠性提出了非常高的要求。对于光纤通信系统的关键部件——光纤连接器,要求其有较长的使用寿命和较小的插入损耗,这也是急需解决的一项关键技术。

  4)大动态范围的可靠通信技术

  由于武器在水中高速运动,随着运动速度和海洋环境的变化,有可能对信号的传输产生较大的影响,这就对在较大动态范围下的信号传输提出了非常高的要求。

  5)快速运动中的放线技术

  利用武器运动过程中的拉力来实现光纤放线,可能导致光纤形变,带来通信可靠性降低的问题。解决方法有:a)采用抗形变光纤,即对形变不敏感的光纤;b)在光纤外增加一层保护层,减少拉力对光纤形变的影响;c)改变放线方式,减小放线过程中的拉力。

  4. 结论

  随着关键技术的逐步解决,光纤通信技术在潜艇武器系统中应用将成为现实,且优越性将更加明显。可以预见在不久的将来,光纤通信技术在潜艇武器系统中将有更大的应用前景,同时由于潜艇武器系统采用光纤通信技术,其各方面的性能指标也将会有一个较大的提高。

关键字:光通信  潜艇武器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0214/article_3864.html
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