基于单光子探测体制的星潜下行链路通信性能研究

HansJournalofWirelessCommunications无线通信,2016,6(6),133-141PublishedOnlineDecember2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2016.66017文章引用:李鑫,钱勇,朱维各,夏俊.基于单光子探测体制的星潜下行链路通信性能研究[J].无线通信,2016,6(6):133-141.*,YongQian,WeigeZhu,JunXiaShanghaiInstituteofSatelliteEngineering,ShanghaiReceived:Dec.8th,2016;accepted:Dec.21st,2016;published:Dec.28th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).“window”forunderwatercommunications.Inthispaper,thedownlinkcommunicationsperformanceofsatellite-submarineisbasedonsin-glephotondetection.Thedownlinkmodelisanalyzed,andthefactorsoftransmittedlaserpower,seawaterworkingdepth,pointingandtrackingerrorsarealldiscussed.TheresultsshowthatGMAPDbasedsingledetectioncommunicationsystemsareavailableforsubmarineworkingindepthof30-500m.However,therearestillmorekeytechnologiestoresearchbeforetherealizationofblue-greenlasercommunicationbetweensatelliteandsubmarine.KeywordsSinglePhotonDetection,GMAPD,Blue-GreenLaser,PointingandTrackingErrors,Satellite-SubmarineCommunicationsOpenAccess*通讯作者。李鑫等134基于单光子探测体制的星潜下行链路通信性能研究李鑫*，钱勇，朱维各，夏俊上海卫星工程研究所，上海收稿日期：2016年12月8日；录用日期：2016年12月21日；发布日期：2016年12月28日摘要随着当今军事科技的发展，潜艇成为掌握海底战场主动权的关键。研究具有数据率高、隐蔽性好的对潜通信系统，提高对潜通信能力在战略威慑和战术应用上都具有重要意义。目前常用的对潜通信方式有超长波、微波等，需要潜艇将天线浮出水面，或地基设备庞大等特点，不易于战时应用。蓝绿激光对潜通信是目前研究的热点，与微波通信相比可以大大提高潜艇的安全深度，且具有方向性好、抗截获抗干扰抗摧毁能力强的特点。然而将其应用到星潜链路时，受星载高功率激光器发射功率制约，以及海水的散射和吸收，潜艇的通信深度仍然受到约束。本论文对基于GMAPD单光子探测器的星潜光通信链路进行研究，对星潜下行链路进行了建模，讨论了发射功率、潜艇工作深度、跟瞄误差等因素对链路的通信性能的影响。研究表明，采用基于GMAPD单光子探测器的星潜光通信系统，潜艇在工作深度(30~500m)接收卫星信息是可行的。然而受硬件设备技术水平的限制，该技术的具体实施还有诸多关键技术需要攻关。关键词单光子探测，GMAPD，蓝绿激光，跟瞄误差，星潜通信1.引言战略核潜艇是一个国家战略核威慑力量的重要组成部分。由于陆地上核设施易受攻击，生存能力差，战略核潜艇的地位日益突出[1]。现代通信技术已经相当成熟，但是在水下实现远距离的通信如果仍然采用超短波、微波等手段，将面临如下问题。目前通常的潜艇通信方式是潜艇定期浮到天线漏出深度，将天线升出水面收报。这种方式极易被敌人发现，具有很大的危险性[2]。另一种潜艇通信是利用超低频通信，但基地设备非常庞大，无法进行实时指挥，且巨大的设备很容易受到敌人的攻击。对潜通信是各潜艇强国研究的热点和重点，自潜艇出现以后，各国都在努力探讨适合于潜艇通信的新方法。因此，迫切需要开发研制其它数据率更高、隐蔽性更好的对潜通信系统，蓝绿激光对潜通信系统正是在上述背景下诞生的。1963年，S.A.Sullivan及S.Q.Dimtley等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对450~580纳米波段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口[3]。用蓝绿激光实现对潜通信的主要特点有：①潜艇的安全深度大大提高；②频率高、耗能少；③方向性好，抗截获、抗干扰、抗摧毁能力强。在对潜通信中，卫星是对潜艇通信的主要手段[4][5]。将激光发射器放在同步卫星上，地面站把要传李鑫等135输的信息转换成微波信号后传送至卫星，卫星再将微波信号转换成电信号，并控制激光发射器，使其产生调制编码蓝绿激光输出。在扫描反射镜控制下，激光束可对预定的海区进行扫描，位于该海区的水下潜艇收到激光信号后将其解调，即可得到地面站传送的信息。这种方案不论是隐蔽性还是有效性都是不容置疑的，应该说它是激光对潜通信的最佳方式。然而受链路距离远、目前星载蓝绿激光器功率不高、蓝绿激光在海水中衰减极快等因素影响，导致蓝绿激光的海水穿透深度不高，大大制约了星潜通信应用。具有单光子探测灵敏度的盖革模式的雪崩光电二极管(Geigermodeavalanchephotodiodes,GMAPD)可以很好地解决这个问题[6][7][8]。GMAPD具有单光子级的探测灵敏度，并且输出信号为数字信息，利于大规模集成。以GMAPD为探测器的光通信系统的探测器，具有探测灵敏度高、时间响应快、探测器集成度高、对激光器能量要求低、系统体积小、功耗低等多方面的优势，具备在军事和民用领域大规模应用的条件[9][10][11]。作为新兴的探测器，GMAPD是提升星潜光通信系统穿水深度的关键。目前关于GMAPD的研究多应用在激光成像雷达上，而以GMAPD作为通信探测器的研究则未见报导。本文对基于GMAPD单光子探测器的星潜光通信链路的通信性能进行了研究。首先对星潜下行链路进行了建模，基于该模型对发射功率、潜艇工作深度、跟瞄误差等因素对链路的通信性能的影响关系进行了数值仿真和分析，讨论了星潜单光子通信的可行性。本论文的研究工作可以为实际星潜激光通信系统的设计提供理论依据。2.可见光通信链路设计星潜下行链路建模对于星潜激光通信来说，如图1所示，通信信道主要由三部分组成：太空信道、大气信道、海水信道。太空信道可以认为是真空信道，激光的传输以距离衰减和几何衰减为主，这两类衰减大气信道和海水信道同样具有。除此之外，对大气信道，特别是海面上空的大气多由雾、云和雨组成，它们会对激光信号产生散射和吸收。在海水信道部分，由于溶于海水中的有机物分子、为例和微生物的作用，会对光产生散和吸收。在这里特别要考虑的是大气/海水界面，界面处由于海水的镜面反射和白浪反射，会对信号产生衰减，并在一定程度上改变光线传播方向。由于每种信道都各有特点，因此有必要针对不同信道进行建模。2.1.大气对激光的影响大气由大气分子、气溶胶(悬浮微粒)和水气凝结物(云、霾、雾、雨、雪等)组成，与大气的吸收相比，大气对光造成的衰减主要是由大气散射造成的。大气中相对湿度小于80%时出现霾，而大于80%时则出现雾，雨的粒子尺度最大，但其粒子密度比雾小得多，所以它对可见光的衰减系数比雾要小。霾是大气中最普遍的物理成分，它存在于从地面到深空的范围内，并且呈梯度分布。霾具有较强的前向散射特性，但是霾的粒子密度和粒子半径都是大气各种成分中最小的，它对光的衰减较小。云的粒子半径分布比雾和霾大得多，对激光的传输影响很大，因此计算时一般按云来考虑。云的衰减系数如表1所示。2.2.气水界面对激光的影响海深不同，海底浪涌和海面的浪高也不一样，由于海水的镜面反射和白浪反射，会对信号产生衰减。光由空气进入海面时，能量的界面透射率为：12awawawτττ=(1)第一项是由折射率不连续性决定的界面透射率(由海面风速和光入射角所决定)，第二项是由海水泡沫及条纹决定的界面投射率(取决于海面风速)。李鑫等136Figure1.Satellite-submarinecommunicationlinkbasedonsinglephotondetection图1.星潜单光子通信链路Table1.Attenuationcoefficientofdifferentkindsofclouds表1.不同云型对激光的衰减系数云型晴天积云层积云积雨云层云I0.0210.0450.0440.067云型浓积云层云II高层云雨层云0.0690.1000.1080.1282.3.海水对激光的影响由于海水本身的散射和海水中悬浮粒子引起的散射，而悬浮粒子的尺寸分布随水质不同差异很大，海水中粒子的散射要比大气的散射强2到3个数量级，下面对光在海水中的散射情况进行分析。海水的衰减系数与水中的浮游生物浓度，水中的悬浮粒子、盐分及温度有关主要考虑有云天空的情况，这时入射到海水里的是云的漫射光。对于漫射光，海水的衰减遵从指数规律，其透射率为()()expWadRdMTkkkZ=−++(2)ak为总的吸收系数，dRk为瑞利散射系数，dMk为米氏散射系数，Z为海水深度。激光在水下传输光路为多重散射，水对光的衰减主要是水分子和浮游生物的散射，其次是水的吸收效应。海水通道最为复杂，除了考虑上面所提及的因素，在实际应用中，还应考虑海上风速，背景辐射等等情况。特别指出，衰减系数是系统的有效衰减系数，它由系统的接收视场角、卫星高度及海水的水质光学参数等共同决定。漫射衰减系数是海水的固有光学性质参数，不随人为的试验测量方法和测量参数的变化。当系统接收光斑直径足够大时，有效衰减系数近似等于海水的漫射衰减系数。表2为对潜通信系统中，漫射衰减系数和有效衰减系数在三类海区中的对应数值。基于GMAPD的水下光通信终端李鑫等137Table2.Attenuationcoefficientofseawater表2.不同水域海水衰减系