激光輻射及應用課件：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據鏈路8.3機載激光鏈路快速高概率捕獲技術習題

8.1光纖及光纖通信簡介

8.1.1光纖的結構和分類

1.光纖的結構光纖是傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱。其典型結構是多層同軸圓柱體,如圖8-1所示,自內向外為纖芯、包層和涂覆層。圖8-1典型光纖的結構

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、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,它保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷,同時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;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。

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。它們的結構、尺寸、折射率分布及光傳輸的示意圖如圖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,因此從射線光學理論的觀點出發(fā),研究光纖中的光射線,可以直觀認識光在光纖中的傳播機理和一些必要的概念。這里用射線光學理論對階躍型及漸變型多模光纖的傳輸特性進行分析。射線光學的基本關系式是有關其反射和折射的菲涅耳定律。

光在分層介質中的傳播折射與反射如圖8-3所示。圖中介質1的折射率為n1,介質2的折射率為n2,設n1>n2。當光線以較小的θ1角入射到介質界面時,部分光進入介質2并產生折射,部分光被反射。它們之間的相對強度取決于兩種介質的折射率。圖8-3光在分層介質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,隨著入射角的逐漸增大,進入介質2的折射光線進一步趨向界面,直到θ2趨于90°。此時,進入介質2的光強顯著減小并趨于零,而反射光強接近于入射光強。當θ2=90°極限值時,相應的θ1角定義為臨界角θc。由于sin90°=1,所以臨界角

此時,入射光線將產生全反射。應當注意,只有當光線從折射率大的介質進入折射率小的介質,即θ1≥θc時,在界面上才能產生全反射。

全反射現象是光纖傳輸的基礎。光纖的導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,而斜射光線是不經過光纖軸線傳輸的光線。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。在光纖內傳輸的子午光線簡稱內光線,遇到纖芯與包層的分界面的入射角大于θc時,才能保證光線在纖芯內產生多次全反射,使光線沿光纖傳輸。然而,內光線的入射角大小又取決于從空氣中入射的光線進入纖芯中所產生折射角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。與內光線入射角的臨界角θc相對應,光纖入射光的入射角θi有一個最大值θmax。如圖8-5所示。圖8-5光纖入射光的入射角θ

當光線以θi>θmax入射到纖芯端面上時,內光線將以小于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,當光線從空氣入射到纖芯端面上的入射角θi<θmax時,進入纖芯的光線將會在芯包界面間產生全反射而向前傳播,而入射角θi>θmax的光線將進入包層損失掉。因此,入射角最大值θmax確定了光纖的接收錐半角。θmax是個很重要的參數,它與光纖的折射率有關。

n0sinθmax定義為光纖的數值孔徑,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,其數值孔徑可以表示為

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

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,結果使不同的光線所攜帶的能量到達終端的時間不同,如圖8-8所示,從而產生了脈沖展寬,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傳輸時延

因此,最大時延差為

因為Δ≈(n1-n2)/n1,所以單位長度光纖的最大群速度時延差為

8.1.3光纖的波動理論

用射線光學理論分析法雖然可簡單直觀地得到光線在光纖中傳輸的物理圖像,但由于忽略了光的波動性質,不能了解光場在纖芯、包層中的結構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,射線光學理論就不能正確處理單模光纖的問題。因此,在光波導理論中,更普遍地采用波動光學的方法,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、場結構、傳輸常數及截止條件。本節(jié)先用波動光學的方法求解波動方程,而后引入模式理論得到光纖的一系列重要特性。

1.圓柱坐標系中的波導方程式

對于圓柱形光纖,采用圓柱坐標系更合適。如圖8-10所示。

1)圓柱坐標系中的橫向場方程式

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

2)圓柱坐標系中的波動方程

2.階躍折射率光纖中波動方程的解

1)解的形式

求解方程(8-18)的過程,實際上就是根據邊界條件選擇適當的貝塞爾函數的過程。

(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

也應連續(xù),可得到特征方程為

對于通信中所用的弱導波光纖(弱導光纖),n1≈n2,式(8-30)可簡化為

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

3)光纖中的各種導模

首先分析階躍折射率光纖中存在哪些模式。對應特征方程式(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,n表示徑向的模數,n=1,2,3,…。由波導方程式可知,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m≠0時,Ez和Hz

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

下面通過弱導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

當模式截止時,w→0,u→uc,由第二類變形的貝塞爾函數的遞推關系及漸進公式,可以得到

所以截止狀態(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)模就不是導模。對其他模式可依此類推。應該注意,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:

所以截止狀態(tài)下EHmn的特征方程為

由式(8-37)解出uc=umn,umn是m階貝塞爾函數的第n個根,m≥1,對每一個m、n的組合,可得到一個相應的EHmn模。

例如,當m=1時,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:

由貝塞爾函數的遞推公式將式(8-38)化為

下面分m=1和m>1兩種情況進行討論。

③遠離截止時的EHmn和HEmn模。模式遠離截止頻率時,若W→∞,U→0,可得到遠離截止EHmn和HEmn模的特征方程為

④光纖中的模式傳輸。由光纖的參數及工作波長計算出歸一化頻率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,對于大多數的實際光纖都采用近似解,最常用的近似方法是標量近似法(用于階躍光纖)及WKM近似法(用于漸變光纖)。標量近似法是指在弱導波光纖中,將光纖的橫向電場和橫向磁場當作標量處理,所得到的導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上,可得到標量的亥姆霍茲方程,寫到圓柱坐標系中,可得到

求解式(8-47),通過變換得到直角坐標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

當模式截止,w→0時,利用第二類變型的貝塞爾函數漸進公式,由式(8-50)可得到

所以,截止狀態(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,當進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,該信號可在光纖中傳輸;反之,若V<Vc,則與Vc相應的模式將被截止,不能在光纖中傳輸。

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

在多模階躍光纖中,多個導模同時傳輸,光纖的歸一化頻率V愈大,導模數愈多,導模數M可按下式計算:

在多模漸變光纖中,當g=2(g是漸變折射率光纖的折射率變化參數)時,導?？倲禐?/p>

即可傳輸模式數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

導模在光纖中傳輸時,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。在弱導近似下,LP模的橫向場只有Ey和Hz分量,所以導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包為光纖傳輸的總功率,η稱為波導效率。

圖8-12給出了各LP模的P包/P總與ν的關系?？梢钥闯?在遠離截止時,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,功率向包層轉移,對于低階模(m=0或1),在截止時功率完全轉移到包層中;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,這個數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,其損耗機理復雜,計算也比較復雜(有些是不能計算的)。

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,還有光纖結構的不完善。0.85μm、1.31μm和1.55μm左右是光纖通信中常用的三個低損耗窗口。

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、脈沖展寬的物理現象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸的信號脈沖畸變,從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機理上說,光纖色散分為材料色散、波導色散和模式色散。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中信號傳輸的因素。

8.1.6光纖通信簡介

光纖的主要作用是引導光在光纖內沿直線或彎曲的途徑傳播。為了實現長距離的光纖通信,必須減小光纖的衰減。英籍華人高錕早在20世紀60年代后期就指出,降低玻璃內的過渡金屬雜質離子是降低光纖衰減的主要因素。另一方面,玻璃內的OH離子對衰減也有嚴重的影響。到了1976年,人們設法降低OH含量后發(fā)現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,進行長距離的光纖通信便成為可能。與此同時,為促進光纖通信系統(tǒng)的實用化,人們又及時地開發(fā)出適用于長波長的光源、激光器、發(fā)光管和光檢測器。應運而生的光纖成纜、光無源器件和性能測試及工程應用儀表等技術日臻成熟。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。

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:0.85μm、1.31μm和1.55μm。因為0.8~2.0μm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。正因為如此,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

與電纜或微波等電通信方式相比,光纖通信的優(yōu)點有:①傳輸頻帶極寬,通信容量很大;②由于光纖衰減小,無中繼設備,故傳輸距離遠;③串擾小,信號傳輸質量高;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;⑥耐化學腐蝕;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:①光纖彎曲半徑不宜過小;②光纖的切斷和連接操作技術復雜;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移或傳遞。通常的具體做法是首先將擬傳遞的信息設法加載(或調制)到某種載體上,然后將被調制的載體傳送到目的地,再將信息從載體上解調出來。光纖通信系統(tǒng)中電端機的作用是對來自信息源的信號進行處理,如模擬/數字轉換多路復用等;發(fā)送端光端機的作用則是將光源(如激光器或發(fā)光二極管)通過電信號調制成光信號,輸入光纖傳輸至遠方;接收端的光端機內有光檢測器(如光電二極管)將來自光纖的光信號還原成電信號,經放大、整形、再生恢復原形后,輸至電端機的接收端。

對于長距離的光纖通信系統(tǒng)還需中繼器,其作用是將經過長距離光纖衰減和畸變后的微弱光信號經放大、整形、再生成一定強度的光信號,繼續(xù)送向前方以保證良好的通信質量。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,經放大、整形、再生后再調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絡指日可待。

8.1.7光纖數據總線

數據總線作為航空電子系統(tǒng)的“骨架”和“神經”,對航空電子系統(tǒng)起著至關重要的作用,其發(fā)展是與航空電子技術的發(fā)展同步進行的。即使在20世紀初航空技術發(fā)展的萌芽階段,也要求相關信息及時到達預定地點(飛行員)。當時,飛機狀況信息(油量、高度、速度等)通過機械、氣動、液壓等方式傳送到座艙儀表上,信息的種類和數量都非常有限。50多年來,航空電子系統(tǒng)對數據總線的性能提出了越來越高的要求,數據總線的性能和系統(tǒng)結構都在發(fā)生著深刻的變化。

高速光纖數據總線技術是新一代航空電子系統(tǒng)實現綜合化、數字化和智能化的核心和支柱,對實現航空電子系統(tǒng)功能的綜合、提高飛機的作戰(zhàn)能力和生存能力起著決定性的作用。

光纖數據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,使用廉價的LED作為光源,導入波長有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,導入波長為1300nm,傳輸距離理論值可達100km。

(2)光纖連接器:規(guī)定了介質接口連接器(MIC)的物理特性。

(3)光信號旁路開關:規(guī)定了光信號旁路開關的損耗和物理特性。光旁路開關是為保證系統(tǒng)有效運行而定義的一種可靠性規(guī)范,當站點未加入系統(tǒng)或發(fā)生故障時,光信號自動繞過該站點,直接導入輸入光纖上,使網絡不受影響。

(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)送器負責將光源產生的光束導入光纖,而光接收器將檢測到的光信號進行還原處理,靈敏度是其最重要的指標。此外,還有協議、訪問、站點管理等層。

8.2自由空間光通信及激光數據鏈路

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的通信形式之一,如遠古時代用烽火臺點火報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、媒體轉換器(快速以太網接口模塊)、光發(fā)射模塊、光接收模塊、光學天線、對準系統(tǒng)和系統(tǒng)控制模塊組成,其系統(tǒng)功能模塊結構如圖8-14所示。圖8-14系統(tǒng)功能模塊

1.光發(fā)射模塊

光發(fā)射模塊主要實現光電轉換,由輸入緩沖級、驅動級和光發(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)可通率達到國際標準,設計光發(fā)射功率要足夠大,以保證系統(tǒng)具有足夠強的抗干擾能力和抵御大氣衰減的能力。驅動級應該將數據電信號轉換為光信號來驅動發(fā)射器發(fā)光。另外,由于發(fā)光元件的發(fā)光效率會隨時間和溫度變化,所以驅動級部分應該包括一個用于自動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換為電流信號后經過前置放大器、限幅放大器、緩沖輸出后形成標準電壓數字信號。光接收器件與前置放大器為光接收模塊的關鍵部分,光接收器件可選用PIN或APD,APD具有內增益和較高靈敏度的特點,而PIN則具有使用簡單的特點。在設計中要選擇量子效率高、靈敏度高、響應速度快、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)的信噪比等關鍵參數至關重要,所以必須精心設計前置放大器電路,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)將其他光接口設備輸出的光信號轉換為電信號,通過放大,緩沖后輸入系統(tǒng)。經過空間信道傳輸后,光發(fā)射模塊將光信號進行調制、編碼后輸入到光接口模塊中的發(fā)射部分,再驅動光發(fā)射器件(通常為LD)發(fā)送光信號。

4.快速以太網接口模塊

快速以太網接口的主要功能為對以太網端口輸入的加擾雙極性MLT－3標準信號進行時鐘恢復、碼型轉換、解擾后轉換為適宜進行光發(fā)射器件調制的電信號;對光接收器件解調后的電信號進行時鐘提取、數據判決、擾碼、碼型轉換后輸出加擾雙極性MLT－3信號,即快速以太網的標準信號。這使得系統(tǒng)無需其他轉接設備就能直接應用于以太網環(huán)境中。

5.光學天線

發(fā)射端光學天線主要將半導體激光器光束的發(fā)散角壓縮后再通過發(fā)射望遠鏡進一步準直成毫弧度級光束。接收端光學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。在強度調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進行接收,即用多個排成陣列的檢測管,就可以得到質量很好的電信號。這種技術可以在很寬的視線線路范圍內得到較高的光增益,接收時環(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。光接收端采用一個低損耗多合一光纖將多個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.對準系統(tǒng)設計

在通信過程中,由于端機位置變動,能否快速將收發(fā)天線對準,使其很快進入通信狀態(tài),這是衡量系統(tǒng)機動靈活性的主要指標,也是決定系統(tǒng)能否投入運行十分關鍵的指標。如果系統(tǒng)其他性能都很好,只是因為很難對準而不能進行正常通信,這就失去了使用價值。因此,為增加機動性,減少調校準時間,必須有一個對準系統(tǒng),收發(fā)光束對準是系統(tǒng)的一個關鍵技術。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問題。一個極為簡單、經濟可行的對準方法就是利用望遠鏡進行對準。

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

7.系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊實現整個系統(tǒng)工作狀態(tài)實時監(jiān)測和系統(tǒng)管理功能,包括接收光信號強度監(jiān)測、用戶端接口選擇等功能。

8.2.2機載激光數據鏈路系統(tǒng)的組成

機載激光數據鏈路是指在戰(zhàn)斗機與機載光端機之間建立光通路,利用激光束作為信息載體,實現兩機間的信息傳輸是自由空間激光通信的一種應用。激光傳輸信息的過程如下:首先,采用捕獲、跟蹤與瞄準(ATP)技術將兩光端機相互對準,然后,兩光端機相互向對方發(fā)射調制的激光信號(語音、文件、圖像信息等),接收并解調來自對方的激光信號,實現雙工通信,即通信雙方都可以發(fā)送和接收信息。雙機之間的激光數據傳輸演示如圖8-15所示。圖8-15雙機之間的激光數據傳輸示意圖

機載平臺的激光數據鏈路系統(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、數據、圖像等大信息量的雙向傳送。光發(fā)射機的作用是在發(fā)射端將電信號轉變成適合于大氣信道傳輸的光信號;光接收機的作用是在接收端對光信號進行接收、放大和處理。信源是信息的產生之地,它是任務計算機確定的需要共享的戰(zhàn)術信息。編碼器負責把信源發(fā)出的信息轉換成數字形式的信息序列,同時加入冗余信息進行糾錯編碼。

編碼后的信號加載到調制器上,調制器的激勵電流就隨信號的變化規(guī)律而變化;通過調制器調制、驅動電路對激光器進行直接光強度調制后,驅動半導體激光器發(fā)光;最后經過光學天線變換為發(fā)射角很小的已調光束向空間發(fā)射出去。接收機光學天線接收到已調光束之后,經過光探測器將傳來的微弱光脈沖信號轉換成電流脈沖信號。在解調之前,需要對光束進行預處理,主要包括信號的放大、濾波和脈沖處理。譯碼器根據編碼方法和接收數據所含的冗余信息重構原始序列、恢復原始信號。

圖8-16機載激光數據傳輸系統(tǒng)框圖

1.系統(tǒng)組成結構

機載平臺的鏈路系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成。

(1)顯示/輸入控制臺:由用戶使用,用來顯示和輸入信息。

(2)任務計算機:計算機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現實時傳輸的重要保障。它接收各種傳感器和操作員發(fā)出的各種數據,并將其編排為標準的數據格式。計算機內部的輸入和輸出緩存器用于數據的存儲和分發(fā),同時接收光鏈路中其他平臺發(fā)來的各種數據。

(3)數據終端設備:它是一個光、機、電等復合的系統(tǒng),是激光數據鏈路的核心部分,主要由發(fā)射與接收子系統(tǒng)、信號的調制與解調子系統(tǒng)、探測子系統(tǒng)和ATP子系統(tǒng)四部分組成。通信規(guī)程、激光傳輸協議的實現都在數據終端設備內,它控制著整個激光數據傳輸系統(tǒng)的工作。

(4)收/發(fā)光學天線系統(tǒng):發(fā)射光學天線系統(tǒng)主要的功能是壓縮光束的發(fā)散角,對光束進行準直;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)。

從上面的機載平臺結構組成可知,激光數據鏈路系統(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、斷點續(xù)傳控制以及光路的對準步驟等進行了具體規(guī)定。而硬件部分是計算機、機載光端機等。

2.系統(tǒng)主要設備

本節(jié)主要研究機載激光數據鏈路系統(tǒng),它類似于數據鏈系統(tǒng),因此下面重點介紹機載激光數據鏈路系統(tǒng)的主要設備,包括任務計算機、機載光端機和光學天線。其組成結構如圖8-17所示。圖8-17激光傳輸系統(tǒng)的組成結構

1)任務計算機

任務計算機的作用主要有:向接收平臺提供數字信息;接收并處理從其他平臺輸入的數字信息;維護戰(zhàn)術數據庫。它還支持武器選擇,控制數據顯示設備。

2)機載光端機

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

機載光端機的內部結構比較復雜,這里只從總體上進行分析,可以分為以下幾個部分,如圖8-19所示。圖8-18-機載光端機外形圖8-19機載光端機系統(tǒng)組成

(1)機載光端機主機部分。它完成對目標光捕獲、對準和跟蹤,其內部包括內萬向架、外萬向架、減震器、保護罩及光學窗口、角度傳感器及測量組件、陀螺、驅動電機等部件。

(2)穩(wěn)定跟蹤電子箱。電子箱箱體氣密、電磁屏蔽、采用風扇進行強制對流散熱。內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,又兼顧了結構緊固。穩(wěn)定跟蹤電子箱通過電纜與光電穩(wěn)定轉塔、操控單元、機上綜合顯示等終端設備相連,實現了系統(tǒng)功能。穩(wěn)定跟蹤電子箱主要包括管理計算機、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、電路板加固結構及散熱系統(tǒng)等電子單元和結構組件。

(3)操控單元。機載轉臺的操控單元由一組控制開關和拇指單桿組成。操控手通過操縱桿操控,完成對工作狀態(tài)的控制、系統(tǒng)工作模式的轉換以及對目標的搜索、瞄準、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,具有非常好的人機工效。操控單元包括拇指單桿、各種控制開關和指示燈、邏輯控制與通信計算機及導光板。

(4)顯示單元。它是機載光端機的視頻顯示裝置(與主機共用)。

(5)光學天線。它主要用于接收和發(fā)射光波信號,分為發(fā)射光學天線與接收光學天線。根據設計的不同采用不同的天線模式,有收發(fā)合一光學天線與發(fā)射/接收獨立天線。光學系統(tǒng)通常采用透射式望遠鏡和反射式望遠鏡兩種。

激光數據鏈的關鍵技術主要表現在:

(1)對準技術。除了上述的ATP對準技術之外,對于飛機之間的對準還可以采用一些更為簡單的對準技術,以便減輕設備重量,簡化機載設備。例如,可以應用飛機現役裝備中的紅外定向等火控瞄準裝置和頭盔瞄準定位等快捷的定位技術對準通信雙方或多方。由于目前先進戰(zhàn)機大多裝有光電設備,因此還可利用“貓眼效應”進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,可以適當擴束,采用“錐體對準”和“觸發(fā)循環(huán)通信”的方式,提高數據流量。

(2)光源及高碼率調制技術。在空間光數據鏈系統(tǒng)中大多可采用大功率半導體激光器或半導體泵浦的YAG固體激光器作為信號光和信標光源,其工作波長為0.8~1.5μm近紅外波段。信標光源(采用單管或多個管芯陣列組合,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,通常信標光的調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體激光器,但要求輸出光束質量好,工作頻率高(可達到幾十兆赫至幾十吉赫)具體選擇視需要而定。據報道,貝爾實驗室已研制出調制頻率高達10GHz的光源。

(3)高靈敏度抗干擾的光信號接收技術?？臻g光數據鏈系統(tǒng)中,光接收端機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,會導致接收端S/N<1。為了快速、精確地捕獲目標和接收信號,通常采取兩方面的措施:一是提高接收端機的靈敏度,達到nW至pW量級;二是對所接收信號進行處理,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。

(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,光數據鏈系統(tǒng)均采用收發(fā)合一天線,它是隔離度近100%的精密光機組件。由于半導體激光器光束質量一般較差,要求天線增益要高。另外,為適應空間系統(tǒng),天線(包括主副鏡,合束、分束濾光片等光學元件)總體結構要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。國際上現有系統(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的過程中,傳輸路徑的研究是關鍵所在。尤其在激光大氣中傳輸時,由于大氣介質的隨機性和非線性,會給數據鏈的傳輸帶來很大影響。

8.2.3發(fā)射與接收器件

在激光數據鏈路中,激光器的選擇和光電探測器的確定是保證收/發(fā)雙方實現信息交換的基礎,所以在系統(tǒng)設計中首先需要根據相關技術的發(fā)展對它們進行選擇。

1.激光器的選擇

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

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

(2)信號光激光器。信息傳輸用的激光器應該有較好的光束質量和較高的調制頻率響應,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、價格、使用壽命和負載信息的難易程度等四個方面后,可以選擇占主流地位的半導體激光器VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)

2.光接收器件的選擇

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

8.2.4發(fā)射與接收

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

1.激光猝發(fā)接收系統(tǒng)結構和原理

激光猝發(fā)接收系統(tǒng)需要在光路建立好后,瞬間快速地進行信息的傳輸,為了適應這種收發(fā)方式,我們將系統(tǒng)結構設計為圖8-20所示。圖8-20激光猝發(fā)接收系統(tǒng)結構示意圖

系統(tǒng)結構的各組成部件包括:

①機載傳感器,探測戰(zhàn)斗空域敵情信息并接收友機通信信息;

②任務計算機,將傳感器獲得的信息進行編碼、壓縮、存儲和發(fā)送,控制ATP組件搜索要進行信息交換的友機,對友機反饋回的信息進行譯碼和響應,控制信息按照協議傳輸;

③調制器,將編碼后的信號轉換成電流信號,它加載到激光驅動器上驅動激光器隨著電流信號的變化進行相應的發(fā)光;

④光學ATP組件,對友機發(fā)射的激光進行搜索與對準,控制光學天線旋轉;

⑤光學天線,對激光光束進行準直、發(fā)射與接收;

⑥探測器,接收從光學天線收到的信號;

⑦解調器,將探測器輸出的信號恢復出發(fā)射機發(fā)送的戰(zhàn)場信息。

激光猝發(fā)接收的原理(戰(zhàn)斗機A向戰(zhàn)斗機B發(fā)送信息)為:戰(zhàn)斗機A任務計算機對所需要發(fā)送的信息進行編碼并存儲,同時控制ATP組件對目標機進行搜索并建立光鏈路,當光路建立后,探測器接收到戰(zhàn)斗機B發(fā)來的光脈沖響應信號,信息被轉換成光脈沖通過光學天線進行快速發(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—發(fā)送”結構,這樣發(fā)送方可以對信息發(fā)送進行管理與控制,根據友機需要發(fā)送相應信息,這個過程是由任務計算機完成的。與此同時,為了在較短的時間內盡可能地發(fā)送更多的信息,應以“快速—瞬時”的方式發(fā)送。

2.斷點續(xù)傳原理

在機載激光猝發(fā)接收過程中,由于機載平臺受到多方面因素的影響,尤其是大氣擾動和飛機自身機動,使得激光數據鏈路終端的伺服系統(tǒng)無法實時快速跟蹤平臺變化,使得激光鏈路處于斷開狀態(tài),導致信息無法繼續(xù)傳輸。假設兩架戰(zhàn)斗機在一次良好的光鏈路下進行猝發(fā)接收,當光鏈路斷開時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行信息傳輸,必然會導致很多信息重新傳輸,浪費了時間,致使接收機無法實時有效地接收戰(zhàn)場信息,這對于接收機是非常不利的。

如果采用斷點續(xù)傳技術進行信息傳輸,那么發(fā)射機就能夠對傳輸的信息進行很好的管理,信息就不會因為鏈路的斷開而重新傳輸,它會在下次良好的光鏈路中從數據斷開的位置繼續(xù)進行信息傳輸,這樣就保證了信息傳輸的高效性和實時性。

8.2.5激光束的傳輸與對準

1.激光猝發(fā)接收的光束對準

由于機載平臺是個機動平臺,同時該平臺還受到自身振動和大氣擾動的影響,這就決定了在激光猝發(fā)接收中激光鏈路的建立是一個重點和難點問題。為了解決這個問題,機載激光數據鏈路終端ATP系統(tǒng)采用三步對準方法完成一次光鏈路的建立。在激光數據鏈路中,系統(tǒng)將束散角大的信標光用于對準,將束散角小的信號光用于傳輸信息,同時系統(tǒng)將信標光和信號光設計為合束共軸發(fā)射和接收,它們的關系如圖8-21所示。圖8-21信標光與信號光關系圖

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

2.信標光的捕獲

激光光束的捕獲需要經過兩個步驟:首先是激光數據鏈路系統(tǒng)的光學天線旋轉到一個特定的區(qū)域實現初始對準,這個特定的區(qū)域稱為捕獲不確定區(qū)域;其次是收發(fā)雙方發(fā)射信標光對這個特定的區(qū)域進行掃描完成信標光的捕獲。

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

1)機載光端機的初始對準

機載光端機的初始對準是將機載光端機的視軸按照一定的方法和原則指向對方。最簡單的方法就是操縱飛機運動,將光端機的發(fā)射方向對準對方。

飛機與地面激光通信ATP系統(tǒng)引導方法對于機載鏈路的初始指向有很強的借鑒意義。不同于星際激光通信可通過星歷表和軌道預測來判斷對方的位置,長機通信終端是通過射頻輔助傳輸將自身的位置、速度、時間參數發(fā)送給僚機終端,僚機終端通過射頻將自身的位置和時間參數發(fā)送給長機終端。通信雙方在嚴格時間統(tǒng)一條件下,經過各自的坐標轉換矩陣求解出指向對方的方位角和俯仰角值,通過控制各自的二維轉臺旋轉相應的角度將通信視軸旋轉到不確定區(qū)域,完成視軸初始對準。

設(x,y,z)為僚機在長機光端機視軸坐標系中的位置坐標值,利用式(8-58)、式(8-59)解算出視軸旋轉的方位角α和俯仰角β:

2)頭盔瞄準跟蹤定位

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

3)不確定區(qū)域的掃描方法

一般情況下依賴機載平臺的定位信息和姿態(tài)信息根據計算可以使收發(fā)雙方初步實現光束的指向對準,但由于測量誤差和機載平臺受到外界環(huán)境的影響使得收發(fā)雙方無法實現視線方向共線,因此需要信標光對不確定區(qū)域進行掃描,實現激光鏈路的建立和鏈路中斷后的恢復。對于機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。在光端機初始對準后,接收方信標光按照設定的掃描方式進行掃描,接收方掃描時在每個掃描點設定一定的駐留時間,信標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捕捉到接收方。同樣當發(fā)送方的視場角(FOV)不滿足條件時,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現捕獲,這種方式中θs<θu,θo<θu,捕獲示意圖如圖8-25所示。在光端機初始對準后,收/發(fā)雙方的信標光都需要進行掃描,而在掃描過程中雙方無法確定對方目前掃描點出現的位置,因此雙方應協調才能完成精確對準。一種常見的協調方法是嵌套掃描方式,即在一方掃描到某一點時,停留一段時間,而在這段時間內另一方完成對整個不確定區(qū)域的掃描。需要注意的是,嵌套掃描中雙方需要統(tǒng)一的時基,以確保捕獲成功。當發(fā)送方信標光束出現在接收方的FOV中時,采用與單方掃描方案相同的調整方法即可完成收/發(fā)雙方的確定對準。圖8-25雙方掃描示意圖

3.信標光的跟蹤與瞄準

在接收方與發(fā)送方對信標光進行捕獲后,ATP系統(tǒng)進入信標光的跟蹤和瞄準過程。由于信標光在捕獲環(huán)節(jié)完成后,信標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而脫離捕獲狀態(tài),因此需要將光斑移動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為(x0,y0)的光斑F移動到探測器的視場中心位置O,這個過程是由粗回路和精回路配合完成的。要使光斑坐標完全處于探測器中心坐標(0,0)非常困難,因此實際光斑進入探測器中心的一個鄰域即跟蹤窗口,則認為實現了跟蹤功能。圖8-26跟蹤過程示意圖

當載機A和載機B的機載光端機完成跟蹤功能后,兩機發(fā)射的信標光都指向了對方探測器的視場中心,可以認為兩機載光端機完成了瞄準,光鏈路就建立起來了。信標光被切換為信號光,在接收平面上形成的信號光斑處于一個小窗口內,由于機載平臺的振動和擾動,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,由于機載平臺的振動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邊緣G點,信息傳輸過程中信號光跟蹤的作用就是將光斑從G點移動到探測器視場中心O,以確保信息交換過程不被打斷。

如果信息傳輸的過程發(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)第一步從信標光掃描這個步驟重新進行光束的對準。

圖8-27機載激光鏈路工作流程示意圖

4.動態(tài)通信階段

在ATP分系統(tǒng)保證通信光軸精密對準的前提下,啟動通信激光發(fā)射單元和探測單元,實現信息傳輸。機載激光鏈路可持續(xù)時間較短(幾十秒),為了傳輸更多的數據信息,雙機之間采用猝發(fā)方式進行數據傳輸。如果在一次收發(fā)中未能將有關信息傳送完畢,采用斷點續(xù)傳的方法在下次通信時根據接收機發(fā)送的響應信號確定上次斷點位置,繼續(xù)發(fā)送斷點后的信息。

8.3機載激光鏈路快速高概率捕獲技術

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

在捕獲過程中,主動方光端機操控單元根據主機的命令旋轉到指定方位,啟動激光器發(fā)射信標光,被動方光端機的捕獲單元進行探測,首先實現單端捕獲。當信標光進入被動方探測視場后,一旦檢測到信標光光斑,被動方立即啟動粗跟蹤,調整CCD探測器視軸的角度,使光斑位于視場中心。同時,被動方開啟信標光,該信標光一定能覆蓋主動光端機,主動光端機的捕獲視場也迅速調整視軸,修正視軸到視場的中心,進而完成雙端捕獲,進入ATP的下一階段。

捕獲過程的關鍵參數有:不確定區(qū)域的大小、探測器接收視場、信標光束散角、捕獲模式、掃描方式、掃描速度。捕獲系統(tǒng)的性能指標有捕獲概率、最大捕獲時間、平均捕獲時間等。為了實現快速、高概率捕獲,一方面要合理選擇開環(huán)捕獲不確定區(qū)域、減少掃描步數和掃描時間,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

1.兩機相對運動

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

在機載激光鏈路建立過程中,要保證雙方光端始終對準才能進行動態(tài)通信,因此,視軸偏差較小,近似認為兩光端機視軸連線與目標線重合,也就是目標線與CCD探測平面是垂直的。如果設相對速度與目標線的夾角為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)來表示捕獲目標可能出現的范圍,它的大小直接決定了捕獲系統(tǒng)的性能,一般不確定區(qū)域的選擇依據初始引導概率誤差橢圓的大小。如果引導誤差在二維空間內的方差為σx=σy=σ,則不確定區(qū)域應當滿足:

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方差的3倍以上,根據下式:

計算得到目標在不確定區(qū)域內的覆蓋概率達到98.9%。

如果飛機A主動發(fā)射信標光,考慮到目標飛機B出現的FOU與速度有很大關系,假設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,那么長半軸修正為

式中,ξ是相關系數,D為兩機距離,β為俯仰角,vxd為光軸中心距接收機的距離?？紤]到鏈路建立次數多,建立和保持時間較短,以及不同距離、捕獲模式、掃描方法等條件因素,系統(tǒng)設計要預留一定的突發(fā)錯誤概率和安全裕量。

概率誤差橢圓的短半軸取初始引導方差σ的3倍。為了便于實際信標光掃描方法的實現,預設掃描范圍是以概率誤差橢圓為依據的矩形區(qū)域。如圖8-29所示,對目標出現的概率進行仿真,小圓為每次目標出現的位置。通過2000次的仿真結果可知,目標在此矩形區(qū)域內出現的概率在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現快速捕獲的重要方法,掃描應從高概率區(qū)向低概率區(qū)進行。捕獲模式取決于信標光束散角θs、不確定區(qū)域θu和探測視場角θo三者的關系。如果θs>θu,θo>θu,則信標光不需要掃描,只要雙方處于凝視狀態(tài),開機即能