潜艇激光通信
水下通信简介
水下通信简介浩瀚的“龙宫”虽然神奇，但如何在水下保持与外界的“飞鸿传书”，依旧是一道尚未完全攻破的世界性难题。
除了把低频电磁波、声波和光波作为主要水下信息通信载体外，美国麻省理工学院的研究人员日前推出了一套“平移声学-射频通信”系统，通过综合运用声呐和雷达技术，试图实现潜艇等“深海巨兽”与水面舰艇乃至飞机、卫星之间的高速通信。
长期以来，制约水下作战的重要因素，就是无法建立起水下通信的“信息高速路”。
信息化战争战场态势瞬息万变，战机稍纵即逝，只有建立高效稳定的水下通信系统，才能充分挖掘出水下作战的巨大潜能。
尤其是伴随着军事物联网的快速发展，未来水下作战对潜艇、无人潜航器等战场节点的网络通信提出了新的更高要求，推动着人们对于水下通信技术不断进行研究探索。
探秘“龙宫”——电磁波通信成了“旱鸭子”水下通信一般是指水上实体与潜艇、无人潜航器等水下目标的通信或水下目标之间的通信。
由于海洋环境中各种复杂因素的存在，使得水下通信一直滞后于地面、空中和空间通信的发展，也成为制约信息化战场水下作战战力提升的瓶颈。
说起通信，人们广泛使用的电磁波在水下衰减很快，穿透海水传输数据的能力相对薄弱，是个不折不扣的“旱鸭子”。
譬如，我们把手机用防水袋包裹好放入水中，信号就会大幅度衰减，这就是电磁波在水中传输能力的简单验证。
给航行在大洋深处的潜艇发一封电报，要多久？现有的技术水平大概是30分钟。
目前，世界各国广泛使用的通信方式，主要是甚低频和超低频等长波通信手段。
日本是最早实现甚低频技术实用化的国家，早在1929年就建成了佐佐美通信站。
第二次世界大战期间，德国和英国海军也相继建成了甚低频通信站。
从20世纪50年代开始，伴随着弹道导弹潜艇的诞生，利用超低频率电磁波面向全球传播的超低频通信方案应运而生，为潜艇远洋隐蔽通信立下了汗马功劳。
从1985年起，美国先后多次完成超低频通信试验，各军事强国也加大了对超低频通信系统的研究。
即便是目前相对较为成熟的超低频通信系统，也只能穿透100米深的海水，且系统传输速率慢、造价昂贵，限制了长波通信的进一步发展。
水下光通信技术的研究与展望
水下光通信技术的研究与展望随着通信技术的快速发展，第五代移动通信(5G)的商业模式大规模普及的同时也使为数不多的频谱带宽几乎消耗殆尽，6G技术的发展势必要寻求新的频谱途径。
5G信号因其自身技术的限制和频谱的不足难以满足空天海地一体化的新型全场景覆盖通信网络的需要，6G技术为了弥补这些不足，实现一体化的新型通信网络需要寻找新的无线通信方式来补充传统单一的无线通信模式。
可见光通信相较于现有的通信技术，其最大的优点是频谱无需授权，有着极大的使用自由度。
可见光通信拥有高频段的频谱(400-800THz),适用于高速通信技术，且其安全性和保密性有着独特的优势。
可见光通信没有传统电磁通信所带来的电磁污染和射频辐射，也不会受到电磁干扰。
这些优势使得可见光通信技术成为了近年来各国争相研究的对象。
本文将首先介绍光通信技术的发展，着重介绍水下可见光通信技术的发展以及可见光通信的应用场景与所面对的挑战。
然后基于现阶段的研究提出一种成熟的水下可见光通信系统。
一、传统水下通信方式简析随着人类通信技术的发展，距离空天海地一体化的全方位通信目标的实现也越来越近，但水下通信依旧是现在难以解决的难题。
在现有的通信网络中，应用于海洋、水下场景的智能装备主要使用射频信号、声波等无线技术，或使用有线网络进行通信。
团水下有线通信水下有线通信多用于2个大规模水上平台与平台之间，通过铺设水下光缆的方式进行通信，如连接各国的大规模水下光缆网络。
有线通信可以保证高速的数据传输，每秒可以传IOOGbit以上，但水下光缆本身的安全性很难得到很好的保障且被损坏后很难修补。
水下有线通信笨重，成本高，无法满足未来6G时代水下通信的需求。
团水下射频信号通信海水对射频信号有非常强的屏蔽作用，射频信号穿透海水的能力与频率直接相关，只有低频率的射频信号如甚低频(3~30kHz)才能在海水中进行有限的传播。
潜艇等水下设备通常使用超低频和甚低频进行有限的通信，通信速率只有300b∕s左右。
激光通信及其在潜艇通信中的应用
显然， 在利用无线电通信时， 因海水是良导体， 趋 肤效应将严重影响电磁波在海水中的传输， 所以使用 超长波通信， 电波穿透海水的能力只有几十米， 又极 不安全。为了解决这一难题， 早在上世纪 ７０～８０ 年代， 美国等国家就把目光转向了激光通信方面。
４ 用蓝绿激光实现对潜通信
当光线透过海水时， 不同波长的光的衰减不同， 在 ０．４７～０．５４μｍ 波 长 上 存 在 着 一 个 衰 减 最 小 的 窗 口 （ 见图 １） ， 这个波长范围内的光即是蓝绿光。于是人们 "#$ 光通信技术 ２００６ 年第 ７ 期
（２）天基系统 与 陆基方案不 同的是， 把大 功率激 光器置于卫星上完成上述通信功能， 地面通过电通信 系统对星上设备实施控制和联络； 也可以借助两颗卫 星的星际通信， 让位置最佳的一颗卫星实现与指定海 域的潜艇通信。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体 制， 但是实现的难度也很大。
把光信号变成电信号， 经解调恢复原信息。
一般来讲， 蓝绿激光对潜通信系统可以分为陆
无线光通信
张 扬， 等： 激光通信及其在潜艇通信中的应用
通信一样灵便畅通。我国在蓝绿激光对潜通信方面也 已经取得了可喜的进展， 目前已能将大功率激光器置 于飞机上， 光束被调制后照射至海面， 向水下 １００ｍ 深 处的潜 艇传送 信 息 ， 信 道 分 析 与 测 量 、大 功 率 激 光 器 的使用、ＰＰＭ 调制方式与解调技术以及高灵敏度光阵 列接收前端等相关技术， 已达到空基与水下 １００ｍ 深 处的潜艇进行通信时的整体系统水平。但鉴于战略核 潜艇以及常规潜艇在现代以及未来战争中的重要作 用， 各国还迫切希望为其提供更多优良的通信手段。
水下激光通信系统中信道特性分析_水下通信技术
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水下激光通信系统中信道特性分析
1.2.3 光纤通信 现代光纤通信是指以激光作为信息载体，以光纤代替电缆来进行通信。而 光纤是目前最有能力支持高带宽远距离通信的传输媒介。与传统的通信方式相 比，光纤通信有如下几个方面的优势[10]： （1）通信容量大，传输带宽大。单根石英光纤在低损耗频段 0.8~1.65μm 的频带宽度可以达到 200THz， 这样巨大的传输宽带和容量是其他传输介质所不 能代替的。 （2）损耗小，中继距离长。目前工业制造的光纤在 1.3μ m 附近，其损耗在 0.3~0.4dB/km 范围以内，在 1.55μm 波段已降到 0.2dB/km 以下。 （3）光纤通信的抗干扰性和保密性极好。光纤是二氧化硅制成的，它不受 各种电磁波的干扰，甚至在核辐射环境下，仍能正常工作。光信号在传输过程 中被束缚在光纤芯内，向外辐射和泄漏的极小，在信息传送时很难被窃听，这 在军事国防和经济上都有重要意义。 （4）光纤中几乎没有背景噪声。光纤对恶劣环境有较强的适应能力。 （5）重量轻、成本低、资源丰富、寿命长。光纤的制造不需要大量的有色 金属，所需要的石英丰富而便宜。光纤是绝缘体，没有电流和电压的干扰，且 不易被海水腐蚀。 尽管光纤有以上众多优点， 但是光纤是有线传输， 依赖于相对昂贵的光缆， 还要考虑到薄的电缆护套易受海洋生物附着和其他机械的损坏。水下光缆应用 的另一个挑战是收发器之间插拔连接，譬如一个海面船只与一个水下传感器之 间，或者一个 AUV 和一个传感器之间。总体而言，使用光纤的费用比较高， 维护困难，所以水下高带宽无线通信比光纤通信有着更明显的优势。 1.2.4 水下激光通信 水下激光通信结合了频率高和无需有线连接直接传播光载波的灵活性的优 点。与水声通信相比，水下激光通信可以克服水声通信的带宽窄、载频低、延 迟大等缺点。而与光纤通信对比，它继承了光纤通信的众多优点，但是激光在 海水中严重地受到周围环境条件的影响，在海洋中我们面对的是比大雾天气甚 至更高的单位距离的信号损耗，水下环境对于激光的性能起到决定性的作用。
基于激光潜艇通信的光信道综述
１ １ 国内外研究现状 ． 大气 和海水 信 道 光学 特 性 的研 究 在 国外 始 于 ２ ０世纪 ６ ０年代 后 期 随着蓝绿光谱在大气和海水传 输 窗 口 被 发 现 而 逐 渐 展 开 Ｇ Ｎ Ｐａｓ 和 ． ．１ ｓ
应 下激 光 通 信技 术 特 别 是激 光 对 潜 通信 １国 外 究 及 究 法 詈 得水 用 茎 霪 。 内 几 现 研 缇 使 技 ，研 桃 状 几 方 。
，
术越来越受到人们 的关注。 １６ ９３年 Ｓ Ａ Ｓｌｖｎ和 Ｓ Ｑ Ｄ ｎ ｌ 等 人 发 ． ．ｕ ｉ ｌａ ． ． ｕｔｙ ｅ 现， 在海 水 中存 在 一个类 似 于大气 的透光 窗 口， 水 对 海 ４０～ ８ ｍ 之 间 波 长 范 围 内蓝 绿 光 的 衰 减 系 数 较 ７ ５０ａ
关键词 潜 艇 通 信 ；光２
文献标识码
Ａ
文章编号
１０ ７ ２ （０ ２ ０ 一１６—０ ０ ７— ８ ０ ２ １ ） ｌ １ ３
Ｏ ｖ ｒ ｉｗ ｆＬａ ｅ ． ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｏ ｓ ｒ Ｂａ ｅ Ｏｐｔｃ ｌＳ ｂｍ ａ ｉ ｍ ｍ ｕ ｃ ｔｏ ｉａ ｕ ｒｎｅ Ｃｏ ｎｉａ ｉ ｎ Ｃｈａ ｎｅ ｎ ｌ
激光对潜通信 系统能够以较 快的速率发送信 号到一定的深度 海水 ，该通信 系统在对潜通信 中有着重要作
用。通过对激光对潜通信的研究背景、国 内外研 究现状 以及研 究方法的分析 ，以及 海水信道光 学特 性的研 究，说 明 了
研究激光对潜通信上行信道的必要性 ，特别是 对海水 一空气界 面的模 拟仿 真。并认 为以蓝绿激光 通信 系统 为主，甚低 频（Ｌ ） Ｖ Ｆ 和极低频 （ Ｌ ） Ｅ ｆ 系统为辅的通信 系统是未来激光对潜通信的主要发展方向。
蓝绿激光对潜通信综述
光 载波 ， 使得激 光 器 发射 的激 光参 数 （ 如光 强、 频率等） 随信号的变化而变化。光发射
机将信号发向潜艇所在海域。安装在潜艇 上 的光 接收 机收 到达 一激 光 后 ， 透镜 系统 用 对 激光 进 行聚 焦 、滤 波 ， 后 送到 光 电检测 然
信系统。１８ 年 曾在塞瓦斯托波耳附近进 ９３ 行空 间转 发实验 ， 把蓝 绿激 光 束 发射 到空 即 间轨道 ＥＩ 反射镜 ， ｌ ＇ ， ｌ 然后再转 发给水下的导 弹潜艇 。
维普资讯
中国科技信息 ２ ０ 年第 ２ 期 ０７ ２
Ｃ Ｉ ＣＥ Ｃ Ｎ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ Ｉ Ｏ Ｍ ＴＯ ｏ ．０ ７ ＨＮ Ｓ Ｉ Ｅ Ａ Ｄ ＴＣ Ｎ Ｌ Ｇ Ｎ Ｒ Ａ ＩＮ Ｎｖ ２０ Ａ Ｎ Ｆ
蓝绿激光对潜通信综述
奚 小 明 国防科 学技 术 大 学光 电科 学与 工程 学院 ４ ０ ７ １０ ３
题上 ， 人们 遇 到 了 困难 。 因 海 水是 良导 体 ， 趋肤效应使得电磁波损耗极大， 这将严重影 响 电 磁波 在 海 水 中的 传输 。 所 以现 在 陆 地
３ 蓝绿激光对 潜通信 的优点
潜艇 的重要价值在于其隐蔽性和打 击 的高效性， Ｉ是潜艇的生存前提， 隐蔽 生 没有高
１ 引言
战略核潜艇是现代化强国军事 力量的 重要组成部分 ， 是现代战争的莺要杀手锏武
器 。 由于 具 有 极 高的 隐蔽 性 ， 住 ３ ０— 可 ０ ４０ 水 中活动数 月之 久 ， 它被认 为是 ０ｍ深 所以 战场 Ｌｔ一支奇兵 ， ｔ ９ 可起到出其不意的效 果 。 它 带有 的 核 弹头 足 以 摧 毁 敌方 的 主要 军事 Ｉ ， 标 是未来战争中重要的二次核反击 力量和核威慑力量。而潜艇与基地的通信
蓝绿激光简介[指南]
![蓝绿激光简介[指南]](https://img.taocdn.com/s3/m/370862c648649b6648d7c1c708a1284ac85005f5.png)
00蓝绿激光通信简介1 简介蓝绿光通信是激光通信的一种，采用光波波长为450－570毫微米的蓝绿光束，介于蓝光和绿光之间。
由于海水对蓝绿波段的可见光吸收损耗极小，因此蓝绿光通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好，是在深海中传输信息的通信重要方式之一，另外还应用于探雷、测深等领域。
2 工作原理通信时，发射端先将信息内容按一定规律进行编码，交换成一系列不连续的电脉冲信号，尔后用此电信号来调制光载波，使光器发射的光频强度随信息的变化而变化。
潜艇上的光接收机接收到这一光束后，随即使用透镜系统对它进行滤色、聚焦；然后送到光电检测器还原成电信号；再经过低噪音放大、脉冲整形等一系列手续，恢复成原来的编码脉冲信号；最后，送入专门的解码设备，便可得知所发信息内容。
3 特点一、穿透能力强。
二、耗能极少。
三、双工通信四、高数据传输率五、优良的保密性六、抗干扰性4 应用1.对潜通信蓝绿光的工作波段是海洋中光传播的窗口, 采用蓝绿光通信, 就可能与全球海洋中活动的潜艇建立起通信通道。
这样, 通信时, 潜艇完全可以不用浮出水面而在巡航深度或更深的海水中用自身壳体上的接收器抄收报文, 丝毫不影响潜艇的活动, 也不会暴露目标。
2.探潜/ 探水雷随着潜艇的发展、“寂静”潜艇的出现、消磁技术及无磁性艇壳材料的采用、各种声对抗武器的装备, 使潜艇的隐蔽性与机动能力进一步增强，另外水雷战和反水雷战也愈发重要起来。
新的水下目标探测手段是利用蓝绿光进行水下目标探测。
3.测深复杂的声波回声测深技术发展迅速, 但此测量方法不仅不能探测凸起于海床上的礁石或岩石, 而且测量精度、测量点密度难以达到目前国际水文测绘的精度要求标准, 满足不了进行符合水文测绘标准的大范围海床水文地理测绘的要求。
因此, 人们对测量速度更快、精度更高的水文测绘技术的需求, 直接推动了蓝绿光测深技术的发展。
实际上, 以飞机为平台的机载蓝绿光测深系统不仅单用于测深, 绘制海底地貌图, 还可应用于新的海洋学研究, 如: 内波探测、海洋生物变化、污染监视, 也可用于海军陆战队对作战岛礁周围海域地理环境态势测绘。
激光对潜通信原理及发展
柳树要 何焰蓝
带有核弹头的战略核潜艇是现代化军事强国军 事力量的重要组成部分。由于其具有极高的隐蔽性， 可以在 ３００～４００ 米深水中活动数月之久， 带有的核 弹头足以摧毁一个国家的主要军事目标， 是未来核 战争中遭受第一次核打击之后保存的重要反击力 量。发展核潜艇具有战略威慑意义， 是各国军方竞相 发展的重要装备。潜艇与基地的通信联系是关系到 潜艇能否正常发挥作用的重要问题。对潜通信问题 是各潜艇强国研究的热点和重点。
透射性望远镜既可以做发射望远镜， 又可做 接收望远镜。他的基础结构可分为开普勒型和伽 利略型。透射式望远镜的优点是制作简单， 缺点是 口径不能太大， 大口径物镜的制造工艺和玻璃熔 炼较困难； 由于自重的作用， 装配后面型的精度也 难以保证。
发射式望远镜一般用做激光接收系统， 它主要 有牛顿系统、格里高利系统和卡塞格伦系统三种形 式。反射式望远镜的优点是反射镜的材料比较容易 制造， 特别是对大口径零件更是如此， 而且望远镜的 重量较轻。他的主要缺点是反射镜对光程的影响加 倍， 因此反射面加工精度要求比折射面要高得多， 表 面变形对象质影响较大。
从理论上说， 激光器输出的脉冲能量越高越好， 脉冲宽度越窄越好， 即脉冲的峰值功率越大越有利 于提高探测系统的信噪比。但实际应用中， 必须考虑 激光器的研究现状和预期可达到的研究水平。
目前蓝绿激光器的种类如表 １ 所示。从目前国 内水平来看， 表 １ 中几类激光器用于蓝绿激光对潜 艇通信都具有相当好的基础， 这方面的工作已为光 通信打下了良好的基础。
国外利用这些激光器都完成了蓝绿光对潜艇通 信的原理及技术实验。如美国国防部远景规划局经
现代物理知识
过 ７ 年的努力耗资 １．２ 亿美元， 用 ＸｅＣｌ 准分子激光 泵浦 Ｐｂ 蒸气获得 ４５９０ 埃喇曼散射激光， 然后经过 Ｃｓ 蒸气共振滤光片， 完成了机载激光潜艇 通 信 实 验， 美国利用 ＨｇＢｒ 激光器完成了机载与海下 ２００ｍ 潜艇通信实验， 苏联利用了 Ｎｄ： ＹＡＧ 倍频激光经过 卫星反射器与海下潜艇通信实验， 早期还有用氩离 子激光及铜蒸气激光送行通信试验。因此就蓝绿光 通信而言， ＸｅＣｌ－ Ｐｂ－ Ｃｓ 路线仍是优先考虑的路线之 一。重复率目前可达 ２００Ｈｚ， 在八·五期间可达 ｋＨｚ。 美国利弗莫尔已有了 ４０００Ｈｚ 的准分子激光器。太 阳能微波激励的准分子激光器在美国正在大力研 制， 体积可以大大减少。这些都是蓝绿光（ＸｅＣｌ－ Ｐｂ－ Ｃｓ） 通信的乐观条件。Ｎｂ： ＹＡＧ 倍频激光器是一个 好的候选者， Ｐｂ 原子共振滤波器可以匹配、但是日 前尚未取得突破。在波长匹配、效率等方面， 仍未取 得大的进展， 停留在实验阶段， 若没有好的原子滤波 器相匹配， Ｎｄ： ＹＡＧ 激光系统在通信 上 无 法 与 Ｘｅ－ Ｃｌ－ Ｐｂ－ Ｃｓ 抗衡。ＨｇＢｒ， Ｃｕ 蒸气激光器， 它们的波长 也在大气海洋窗口之内功率也很高。由于没有找到 相匹配的原子共振滤波器， 故也不是很合适的光源。 探索与这些激光器相匹配的原子滤波器也是今后的 研究重点之一。
水下通信综述
水下通信一般是指水上实体与水下目标（潜艇、无人潜航器、水下观测系统等）的通信或水下目标之间的通信，通常指在海水或淡水中的通信，是相对于陆地或空间通信而言的。
水下通信分为水下有线通信和水下无线通信。
水下无线通信又可分为水下无线电磁波通信和水下非电磁波通信（水声通信、水下光通信、水下量子通信、水下中微子通信、引力波通信等）两种。
一、水下无线电磁波通信水下无线电磁波通信是指用水作为传输介质，把不同频率的电磁波作为载波传输数据、语言、文字、图像、指令等信息的通信技术。
电磁波是横波，在有电阻的导体中的穿透深度与其频率直接相关，频率越高，衰减越大，穿透深度越小；频率越低，衰减相对越小，穿透深度越大。
海水是良性的导体，趋肤效应较强，电磁波在海水中传输时会造成严重的影响，原本在陆地上传输良好的短波、中波、微波等无线电磁波在水下由于衰减得厉害，几乎无法传播。
目前，各国发展的水下无线电磁波通信主要使用甚低频、超低频和极低频三个低频波段以及无线射频通信。
低频波段的电磁波从发射端到接收的海区之间的传播路径处于大气层中，衰减较小，可靠性高，受昼夜、季节、气候条件影响也较小。
从大气层进入海面再到海面以下一定深度接收点的过程中，电磁波的场强将急剧下降，衰减较大，但受水文条件影响甚微，在水下进行通信相当稳定。
因此，水下无线电磁波通信主要用于远距离的小深度的水下通信场景。
1.甚低频通信甚低频通信频率范围为3〜30kHz,波长为10〜100km（甚长波），甚低频电磁波能穿透10〜20m深的海水。
但信号强度很弱，水下目标（潜艇等）难以持续接收。
用于潜艇与岸上通信时，潜艇必须减速航行并上浮到收信深度，容易被第三方发现。
甚低频通信的发射设备造价昂贵，需要超大功率的发射机和大尺寸的天线。
潜艇只能单方接收岸上的通信，如果要向岸上发报，必须上浮或释放通信浮标。
当浮标贴近水面时，也易被敌人从空中观测到。
尽管如此，甚低频仍是目前比较好的对潜通信手段。
潜艇是如何通讯的？
潜艇是如何通讯的？潜艇如何通信？潜艇要和指挥部联系用的是长波、甚长波、超长波，因为潜艇在深水中潜航时是不能用短波通信的，必须使用甚长波或超长波通信。
物理学告诉我们，电磁波在水中有着不同于空气中的传播特性。
海水对电磁波能量的吸收作用很强，但对于不同波长的电磁波又有所不同。
波长越短、频率越高，在海水中的衰减就越厉害。
因此短波在水中的衰减是很快的，几乎无法穿过海水传播，而波长更长的长波、甚长波、超长波在海水中的衰减程度就要小得多，能够进入几十米至几百米的水中。
甚长波通信是波长10万～1万米（频率为3～30千赫）的无线电通信，又称甚低频通信。
甚长波在海水中的传输衰减较小，入水深度可达20米，主要用于对潜艇单向发信。
第二次世界大战后，随着潜艇作用的不断增强，甚长波通信在海军中得到了很大发展。
世界上许多国家建有甚长波电台。
甚长波电台由发射机、天线系统、供电设备等组成，主要用于对潜艇和远洋水面舰艇发信，是指挥潜艇最重要的通信设备。
甚长波电台的规模都较庞大，其发射机输出功率小者十几千瓦，大者数兆瓦，天线高度多在200米以上，天线场地占地面积一般为数平方公里。
其天线系统抗毁能力较差，在战时是敌方打击的重要目标。
为此有的国家建造了车载或机载通信用甚长波电台，其天线分别用气球升举或飞机拖拽，以取得较好的通信效果。
甚长波通信传输衰减小，稳定可靠，但是通信的频带较窄，只能传输低速电报，不能通话。
此外，发信机及天线庞大，效率低，要实现全球通信，需建兆瓦级的大功率发信机和巨大的天线，投资大，运行费用高。
由于甚长波的入海深度不能满足潜艇作战行动的要求，人们又积极开发波长更长的超长波通信。
超长波通信是波长为100万～10万米（频率为30～300赫）的无线电通信，又称超低频通信。
超长波在海水中的传输衰减很小，入水深度超过100米。
超长波发信台可用于对深潜潜艇发信。
1958年，美国为解决“北极星”弹道导弹核潜艇的大深度通信问题，首先提出用超长波进行通信的设想，并进行了长期的研究试验。
对潜激光通信
蓝绿激光对潜通信系统正是在上述背景下诞 生的 ， 波长 为 ４ ０～５０ｎ ｌ ２ ４ ｌ 的蓝绿激光对海水有较 强的穿透 能力 ，０ ／ ２ 世纪 ８ ０年代 的多次试 验表明 ， 装载 蓝绿激光 发射器 的飞机
使其长期处于信息匮乏的作战状态之下 ， 出表现在 信息获 突 取和观通能力有限 。为 了获取相应的作 战信 息 ， 潜艇 随时有 可能暴露 自己、 导致作战任务 失败 ， 以潜 艇对外安全 、 所 高速 通信是亟待解决 的问题 。
发机载模型验证双 向通信 能力 ； 评 定潜 艇 上行链 路低 截 ② 获率 的可行性 ； 研究先进 的激 光发射 机 ， ③ 研制 氯化 氙和溴 化汞等蓝绿激光器件 ； 验证新 型窄带可调光学滤波技术 。 ④ 第 ３阶段 ， 随着 苏联解 体和东 西方冷 战 的结束 ， 国海 美
通信的成本迅速增加 。为 了在潜艇与卫 星之间进行 双 向、 双 工全光通信 ， 以系留光纤 浮标平 台为 中继实 现 自由空 间激光
当需要向潜艇发送 控制命令 时 ， 可启动 下行链路蓝绿 激 光通信 。对于 Ｇ Ｏ和 Ｌ Ｏ平台 ， 以通过控制 Ｇ Ｏ和 Ｌ Ｏ Ｅ Ｅ 可 Ｅ Ｅ 平台上通信光端机的功率 及光 束束散 角的大小 实现 下行 激
光通信。此时潜艇按 预案在水下 隐蔽 航行 ， 卫星平 台可预判
３ 影响对潜激光通信 的重要 因素
的指标要 求 ， 目前 可 能 用 的激 光 波 长 为 ４ ５ ｎ ４ ０ ａ ５ ｍ、 ９ ｍ、
５ ２ｎ 。 ３ ｍ
Ｔ＂ ｏ
（） １
其 中 ： 云层 的物 理厚度 ； 为 云层 的消光 系数 。光学 厚 Ｔ为
水下激光通信的主要工作波段
水下激光通信的主要工作波段水下激光通信是一种通过激光技术在水下进行信息传输的技术。
在水下通信领域，激光通信的主要工作波段有可见光波段和近红外波段。
可见光波段指的是人眼可见的光波段，其波长范围约为380纳米到780纳米。
在可见光波段进行激光通信具有很多优势。
首先，可见光的波长短，能够提供更高的带宽和数据传输速率，适用于高速数据传输。
其次，可见光的传播损耗较小，传输距离可达几十甚至上百米，适用于中长距离通信。
此外，可见光无电磁干扰，安全性较高，不会对海洋生态环境造成负面影响。
近红外波段是指波长范围在780纳米到2500纳米之间的光波段。
近红外激光通信在水下通信中也有其独特的应用优势。
首先，近红外光在水中传播损耗较小，能够实现较长距离的通信。
其次，近红外光的穿透能力强，能够穿透海水中的悬浮颗粒和有机物质，适用于复杂海洋环境下的通信需求。
此外，近红外波段的激光通信系统具有较高的抗噪性能和稳定性，能够提供可靠的通信链路。
水下激光通信的主要工作波段选择需要根据实际需求和应用场景来确定。
可见光波段适用于对数据传输速率要求较高、海洋环境较简单的情况，例如海底观测、海洋探索等。
近红外波段适用于对通信距离和穿透能力要求较高、海洋环境较复杂的情况，例如海洋资源勘探、水下遥控等。
未来发展中，水下激光通信的波段选择将继续基于技术的进步和需求的变化进行优化。
随着激光通信技术的不断发展和成熟，水下通信将能够提供更快、更稳定的数据传输，推动水下领域的科学研究、经济发展和环境保护。
水下激光通信技术的发展现状及趋势
水下激光通信技术的发展现状及趋势一、概述水下激光通信技术是一种利用激光光束进行水下通信的技术。
相较于传统的水声通信和电磁波通信，水下激光通信具有更高的传输速率和更低的延迟，因此在海洋勘探、海底管道布设、海底机器人等领域有着广泛的应用前景。
二、发展现状1. 技术成熟度不高由于水下环境复杂，如海水中存在浮游生物、沉积物等，这些都会对激光光束产生干扰。
因此，目前水下激光通信技术尚未达到成熟阶段，还需要进一步完善。
2. 传输距离受限由于水下环境的限制，目前实际应用中水下激光通信的传输距离较短。
但是随着技术的进步和改进，相信这个问题也会得到解决。
3. 应用范围逐渐扩大尽管目前水下激光通信技术尚未达到成熟阶段，但是在海洋勘探、海底管道布设、海底机器人等领域已经有了广泛的应用。
同时，随着技术的不断进步，相信其应用范围也会逐渐扩大。
三、技术原理水下激光通信技术是利用激光光束进行水下通信的一种技术。
其基本原理是利用激光器发射出的激光光束进行信息传输。
在传输过程中，需要将信息转换成数字信号，并通过调制方式将数字信号转换成模拟信号。
然后将模拟信号通过激光器发射出去，在接收端通过接收器将接收到的模拟信号转换成数字信号，再进行解调和解码等处理，最终得到原始信息。
四、关键技术1. 水下激光器水下激光通信技术的核心部件是水下激光器。
目前，市场上已经有了一些商业化的水下激光器产品，但是这些产品还存在着一些问题，如功率不足、稳定性差等问题。
因此，未来需要进一步研究和改进水下激光器的设计和制造工艺。
2. 全息成像技术全息成像技术是一种将三维物体信息记录在二维平面上的技术。
在水下激光通信中，可以利用全息成像技术进行信息传输，从而提高传输速率和传输距离。
3. 自适应光学系统自适应光学系统是一种能够自动调节光束形状和相位的系统。
在水下激光通信中，可以利用自适应光学系统来消除水下环境对激光光束的干扰，从而提高通信质量。
五、发展趋势1. 技术不断改进随着技术的不断改进和完善，相信水下激光通信技术将会越来越成熟，并且应用范围也会逐渐扩大。
激光对潜通信的发展及存在的问题
激光对潜通信的发展及存在的问题激光通信作为一种新兴的通信方式，已经开始逐渐取代传统无线通信技术，具有高速、高安全、高带宽等优势。
在潜通信领域，激光通信也展示了广阔的应用前景。
然而，这一技术还存在一些问题亟待解决。
自20世纪60年代以来，人们开始研究激光通信技术，在军事领域、卫星航天等领域都得到了广泛的应用。
与传统无线通信技术相比，激光通信已经实现了多Gbps的传输速度，提高了信号传输安全性和抗干扰能力，同时带宽也比传统通信方式更高。
在潜通信领域，激光通信的威力也被广泛地认可。
激光通信可以通过海水实现高速传输，而且潜艇可以隐秘地进行传输，提高了通信的安全性。
此外，激光通信还可以通过水下光通信设备进行故障自我诊断，降低了维护成本，这是传统无线通信技术所不能比拟的优势。
但是，激光通信在潜通信领域还存在一些问题。
首先，激光通信在水下传输中容易受到水质的影响，水质不良会导致激光的衰减，从而降低通信质量。
其次，激光通信技术还存在灰度问题，即激光通信的传输灰度受到传输距离等因素的影响，使得传输信号的灰度受到限制。
最后，激光通信技术的应用还需要考虑海洋环境的复杂性，如水压、水温、水流等问题，从而进一步提高激光通信技术的应用水平。
为了解决这些问题，需要在激光通信技术方面进行更深入的研究。
一方面，需要进一步完善激光通信技术的硬件设备，如改进激光发射机、检测系统等，提高信号传输的质量。
另一方面，需要进一步探讨激光通信技术与水下环境之间的关系，了解水下环境对激光的影响，制定合理的传输方案和技术规范。
总之，激光通信技术在潜通信领域的应用前景广阔，但在实际应用中还存在问题亟待解决。
只有不断地完善技术设备、加深技术研究并深入了解海洋环境，才能让激光通信在潜通信领域进一步发挥其优势，为海洋沉船探测、潜艇通信等领域的发展作出更大的贡献。
潜艇激光通信的数值模拟
潜艇激光通信的数值模拟作者：吴方平章曦杨军苗仁德马书云刘翠翠来源：《科技创新导报》 2014年第22期吴方平章曦杨军苗仁德马书云刘翠翠（解放军理工大学理学院物理教研中心江苏南京 211101）摘要：通过数值模拟，研究了潜艇海洋激光通信在风速一定和潜艇深度一定时的特点。
模拟结果显示，潜艇深度对激光通信影响较大，风速对激光通信影响不大。
关键词：潜艇通信激光通信数值模拟中图分类号：TN958.98文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)08(a)-0081-01激光声作为水下声源的一种新的激发模式,具有高声强、窄脉冲、宽频谱和可远距离激发等优点,激光声理论及应用研究对海洋开发及国防具有重要意义[1]。
激光脉冲受大气海洋信道中介质粒子的多重散射，导致信号波形产生多径时延扩展和幅度随机衰落，因此这种信道是非常复杂的随机参量信道[2]。
本文利用数值模拟方法，模拟光在浑浊介质中传播的整个物理过程。
1 潜艇激光通信的数值模拟潜艇激光通信的数值模拟包括光子束的发射，光子束与水体的相互作用（吸收与散射），光束出水共三个步骤。
在蒙特卡罗方法的源抽样处引入了高斯分布抽样模型，使发出光子的统计特性满足高斯光束的特性。
设水体的单次散射率为，取区间内均匀分布的随机数，如果，则认为光子被吸收，终止对该光子的跟踪，反之则认为光子被散射。
光子发生散射后，新的传播方向由散射相函数决定。
光束出水时经历海气界面的三维折射。
海面的法线方向具有随机性，但也具有一定的规律性,Charles Cox等给出了海浪在一定风速下俯仰角的经验归一化概率密度公式。
由此可以选用抽样法得到俯仰角的值，从而判定是否发生全反射及确定光束的出水方向。
2 模拟结果及分析模拟发出的光子总数为100万个，潜艇深度MD分别取5m,10m,15m,20m,海面风速分别为v=5m/s,10m/s,15m/s, 30m/s,采用抽样法进行数值模拟。
2.1 潜艇深度对激光通信的影响分析风速取v=15m/s，潜艇深度MD=5m,10m,15m,20m时，接收光子数目和接收光子总权值,吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表1所示。
激光水下通信
1.激光对潜通信的作用及前景一．潜艇通信概述潜艇主要工作于水下30~400m，带有核弹头的导弹核潜艇可在海水300~400m深度活动几个月因此，发展核潜艇具有极重要的战略意义。
而潜艇航行深度及航速的快速发展．给通信带来巨大困难。
随着通信技术的发展，干扰机在定位、识别等领域取得了重大突破。
对潜艇来说，隐蔽性就是生命。
如采用传统的超短波无线电对潜通信，潜艇应浮至近水面伸出天线对外收发电文、极易暴露目标。
图1示出了无线电渡、红外、可见光和紫外、x射线在海水中的衰减曲线。
从图看出，频率低于1×103Hz的无线电超长波在海水中的衰减值小于ldB／m；频率约6×1014Hz的0．48mμ蓝绿激光波长在海水中的衰减值小于1×10-2。
dB／m。
困此，岸对潜通信具有两个“窗口”，即超长波无线电通信窗El和0．48v．m的蓝绿激光波长窗口两者相比，0．48v．m的蓝绿激光波长为对潜通信的最佳窗El，即激光通信“窗口”。
激光对潜通信不仅具有超长波通信的全部优点，还具有传输速率高、信息容量大、：抗电磁和核辐射干扰，方向性强、体积小、隐蔽性好等超长波无法与之比拟的优点，能实现最复杂的通信系统。
如地面通过卫星对潜实施激光通信，仅发射三颗卫星，先从地面用微波向卫星发送信息，再经卫星上的激光束向潜艇所在海域进行扫描传输信息，而不影响潜艇的战术机动，能对400m 以下深度、航运3O节以上的战略核潜艇实施全球海域的通信联网。
二、激光对潜通信的作用及前景不同波长的光波穿透水的能力不同，经测量表明，无论在海水或纯水中，水下μ的蓝绿可见光，称光波穿透海水的蓝绿光“窗传输的有效光波长范围0．47～0.54mμ。
口”，最佳波长为0．48m经测量，蓝绿光在海水中的穿透深度可达600m，这一特性与极低频120～180m 比较，在海军对潜通信中具有极大的吸引力。
美国海军一开始的基本设想和方案是：(1)先从地面将报文用微波送至卫星，再由卫星上的蓝绿激光发到潜艇所在海域；(2)由地面激光发射机以小于2O。
水下激光通信
海水的散射特性
海水的散射比大气的散射要复杂得多，海水的散射包括 水本身的瑞利散射和海水中悬浮粒子引起的米氏散射 及透明物质折射所引起的散射。 纯水的散射被当做是一种分子的散射，水分子的直径 比可见光波长小几百倍。而分子半径远小于入射光波长 的分子散射，可以用瑞利散射定律来描述。
瑞利散射（Rayleigh scattering）是由比光波波长还要小 的气体分子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反 比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气 爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突 出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地 表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段； 使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动， 当电磁波波长大于1微米时，瑞利散射可以忽略不计。
信道的香农极限（或称香农容量）指的是在会随机发生误码的信道上进 行无差错传输的最大传输速率。它的存在是香农定理在带宽有限的信道 上的一个结论。
由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离 的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是 水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通 信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因 素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信 技术的发展方向。 水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信 受环境的影响较大。克服环境的影响是将来水下光通信技术 的发展方向。
与水下声学通信技术相比，光学通信技术可以克服水下声学通 信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时 延大等不足。 首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大 容量数据传输，目前可见光谱的水下通信实验可以达到传输千 兆(Gbps)量级的码率； 其次，光学通信具有抗干扰能力强，不易受海水温度和盐度变 化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性； 第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中 断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安 全保密性； 第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与 接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提 升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷 小型化、轻量化、低功耗的要求。
水下激光通信技术的发展现状及趋势
水下激光通信技术的发展现状及趋势引言水下激光通信技术是一项关键的技术，用于在水下环境中实现高速、稳定的通信传输。
随着人类对海洋资源的开发和利用越来越深入，对水下通信技术的需求也越来越迫切。
本文将全面、详细地探讨水下激光通信技术的发展现状及趋势。
现状分析1. 传统水下通信技术的局限性传统的水下通信技术，如声波通信和无线电通信，在水下环境中存在一些局限性。
声波通信的传输距离有限，而且受到海洋环境中的噪声干扰；无线电通信在水下的传输效果也受到海水的吸收和散射的限制。
2. 激光通信的优势水下激光通信技术以其高速、大带宽和抗干扰能力强的特点，成为了一种有前景的水下通信技术。
激光通信利用光的传输特性进行数据传输，在传输速率和稳定性上有着明显的优势。
3. 目前的水下激光通信技术应用案例目前，水下激光通信技术已经在一些特定场景下得到了应用。
例如，水下机器人的远程控制和海洋观测数据的传输等。
这些应用案例验证了水下激光通信技术的可行性和潜力。
4. 水下激光通信技术的挑战然而，水下激光通信技术在实际应用中仍然面临着一些挑战。
首先，水下环境对光的传输会造成衰减和散射，降低激光通信的传输距离和质量。
其次，水下环境中存在浑浊的水质、浮游生物和沉积物等，会对激光通信的信号传输造成干扰。
发展趋势分析1. 提高激光通信的传输距离为了克服水下激光通信技术的传输距离限制，研究人员正在寻找各种方法来提高光信号在水中的传输距离。
例如，利用波束成型技术控制光的传输方向，优化光的传输路径，以减少衰减和散射。
2. 解决水下环境干扰问题为了解决水下环境中的干扰问题，研究人员正在探索各种减少干扰的方法。
例如，利用自适应光学系统对激光通信信号进行优化，以适应不同水下环境的特点；开发高灵敏度的接收器来提取弱光信号。
3. 结合其他通信技术为了进一步提高水下通信的效率和可靠性，研究人员开始探索将水下激光通信技术与其他通信技术结合的方法。
例如，将水下激光通信与声波通信结合，利用声波通信的传输距离较远的特点与激光通信的高速传输特性相结合。
国内外对潜通信的发展现状
国内外对潜通信的发展及现状曲晓慧王红星1 引言目前已被发现并研究的能用于对潜通信的手段有甚低频、极低频、蓝绿激光、中微子通信、卫星中继及高频等。
由于海水是导电媒质，对电磁波具有很大的衰减作用，因而解决与潜航潜艇的通信问题成为非常困难的技术难题，各国都在积极探索对潜通信的手段，从国内外研究的情况来看，完全理想的对潜通信手段是不存在的，各种手段都既有利又有弊。
这些手段包括甚低频、极低频、蓝绿激光、中微子通信、卫星中继、高频以及声波等。
其中卫星中继和高频无法对潜航状态下的潜艇进行通信。
本文首先将国外的研究情况和各种通信系统的特点结合在一起介绍，然后介绍国内的研究情况2 国外对潜通信的研究和发展2．1 甚低频对潜通信甚低频对潜通信是指通过频率为3—30kHz的无线电波借助大气电离层和地球表面对潜艇进行通信。
该对潜通信系统为单向式，通常采用多次重播方法，确保潜艇在一定时间内接收到指挥所的指令。
根据发信台的机动性可分为固定式(岸台)对潜通信系统和移动式对潜通信系统两大类。
(1)固定式甚低频对潜通信系统。
固定式对潜通信系统是国外研究得最早、技术最成熟、最基本的对潜通信手段。
美国在第二次世界大战后为实现全球对潜通信，相继在本土和国外建立了11个500kW以上功率的甚低频固定发信台，其中6个设在国外，构成全球严密的对潜通信网，分别向活动在大西洋北部、北冰洋、地中海、印度洋和澳大利亚地区海域航行深度小于30米的潜艇发送信息。
继美国后，前苏联也加快了大功率甚低频对潜通信系统的建造。
从60年代起，在本土上相继建立 3个2000kW的大功率甚低频电台。
此外还在东南亚、中亚地区和非洲东海岸建立了专用对潜通信系统和中继通信台，共建立了30个固定发射台，其中11个输出功率为500千瓦，5个输出功率为400～500千瓦，确保了前苏联潜艇的有效指挥通信。
固定式对潜通信系统存在的主要缺点是：①发信台规模庞大。
这是由于海水对电磁波的衰减所致。
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优点
水中穿 透力较 强
缺点
带宽窄， 影响了通 信的速度
新领域
上世纪60 年代激光问世以来, 国内外几乎同时起 步研究用激光进行水下观察和潜艇通信。由于激 光的频率高、方向性好、传送信息量大, 且不受 干扰, 因此被人们称为“理想的通信方式”.
蓝绿激光特性
1963年, S.A.Sullian 及 S.Q.Dimtley 等人在研究 光波在海洋中的的传播特 性时,发现海水对0.45～ 0.55微米波段内的蓝绿光 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。
天基方式
第二种方式是天基方式, 把大功率激光器置于卫 星上完成上述通信功能, 地面通过电通信系统对 卫星上设备实施控制和 联络。还可以借助一颗 卫星与另一颗卫星的星 际之间的通信, 让位置最 佳的一颗卫星实现与指 定海域的潜艇通信。
空基方式
第三种方式是空基方式, 将大功率激光器置于飞机 上, 飞机飞越固定海域时, 即光束以一定形状的波 束( 15km 长.1km 宽的矩形) 扫过目标海域, 完成 对水下潜艇的广播式通信。
发展历程
已在美海军“海豚”级潜艇上试验多次的SM2000水下 同步蓝绿激光行扫描仪, 试验证实它比其它水下成像 系统性能要高很多。与SM2000性能相似的LS2048 蓝绿激光行扫描仪最大使用距离可达45米, 扫描角为 70° 每行像元素达到2048个,LS2048现已生产 , 2 台, 预计今后将被改进, 以适应装入自动水下机械 的要求。
潜艇激光通信
意义
带有核弹头的战略核潜艇是现代化军事强国军事 力量的重要组成部分。由于其具有极高的隐蔽性, 可以在深水中活动数月之久, 带有的核弹头足以 摧毁一个国家的主要军事目标, 是未来核战争中 遭受第一次核打击之后保存的重要反击力量。
传统通信方式
趋肤效应
电波衰 减小
发信台 站十分 庞大 极低频或甚低 频无线电通信 (ELF或VLF) 必须通过 拖曳天线 来收信
优势
潜艇的安全深度大大 如0．498m的蓝绿光．在 2km深度的海水中．其透 光程度平均可达90％-95 ％。因此可以与水深几百 米的潜艇进行通信。这样， 潜艇不用上浮到接近海面 的位置．就能与地面进行 通信．大大提高了潜艇的 安全深度．保证了潜艇具 有良好的灵活性和隐蔽性。
发展历程
美国海军从1977年提出卫星―潜艇通信的可行性 后, 就与美国国防研究远景规划局开始执行联合战 略激光通信计划。从1980年起, 以几乎每两年一次 的频率, 进行了迄今为止共6 次海上大型蓝绿激光 对潜通信试验, 这些试验包括成功进行的12千米高 空对水下300 米深海的潜艇的单工激光通信试验, 以及在更高的天空、长续航时间的模拟无人驾驶 飞机与以正常下潜深度和航速航行的潜艇间的双 工激光通信可行性试验, 证实了蓝绿激光通信能在 天气不正常、大暴雨、海水浑浊等恶劣条件下正 常进行。
频率高、耗能少
蓝绿激光通信时。工作频率在1012-1014Hz．通 信频带宽，信息传输能力很强，同时，海水和大 气层对蓝绿光波能量损耗极小．使通信的准确性 和可靠性增强．这样不仅提高了潜艇的生存能力， 而且能够及时地协调潜艇与地面、海面和空中的 作战行动。
安全性好
激光波束的宽度小，方 向性好。抗截获、抗干 扰、抗摧毁能力强，且 不受电磁波及核辐射的 影响，因此．潜艇在深 海处就能够与地面进行 通信，避免了敌方的测 向、侦察和监视，更便 于隐蔽作战企图。
发展历程
1983年底, 前苏联在黑海舰队的主要基地塞瓦斯托 波尔附近也进行了把蓝色激光束发送到空间轨道 反射镜后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。
未来改进
岸基方式
蓝绿激光 对潜通信 系统方式
天基方式
空基方式
岸基方式
一种方式是岸基方式, 由陆上基地台发射出强激光 束, 经低轨道"反射镜"中继卫星到深海潜艇的激光 传输, 实现与水下潜艇的通信。
未来改进
星载激 光器可 靠性
光接收 机的灵 敏度
激光对潜 通信的发 展重点方 向
激光水下通信原理
激光对潜通信就是利用激光光波作为载波, 并利用 脉冲数字编码的方法来调制这一载波的水下通信 方式。基本原理是将语音信号及图像信号调制到 激光光波上, 经介质( 水) 传输到潜艇, 再经潜艇接 收端解调, 还原成语音或图像信号, 来完成通信。
激光水下通信优势
频率高、 耗能少 潜艇的安 全深度大 大提高 安全性好