[摘 要]紫外光通信具有辐射衰减剧烈、保密性强、系统易于开发等特性,在短距离通信领域日益受到重视。本文介绍了紫外光通信的原理、特点、研究进展及其在航空领域的应用,分析了紫外光通信系统的关键技术。
[关键词]紫外光通信 非视距 激光器 探测器
[中图分类号]U434.2[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0010-02
人们目前所掌握的通信手段在军事通信联络中起到了重要的作用,但同时也存在一些不足。例如,无线电和微波通信比较容易被窃听、干扰和破坏,不适合“电磁寂静”的场合;有线通信和光纤通信需要预先铺相应的线路,不能达到灵活、机动和快速反应。为了在未来战争中立于不败之地,各国都在寻求更新颖、更隐蔽、更安全和不易被干扰的通信手段,紫外光无线通信就在这种要求下出现了。
紫外光通信是利用紫外光在大气中的散射来进行信息传输的一种新型通信模式。它不易被探测和截收,适用于多种近距离抗干扰通信环境,可以跨越障碍物进行非视距通信,是满足战术通信要求的理想手段。
1 紫外光通信系统的特点
1.1 紫外光通信的原理
太阳光的紫外辐射在通过地球大气层时,大气平流层中的臭氧层对250nm的波长附近的紫外线有强烈的吸收作用,使得这一波段的紫外辐射在海平面附近几乎衰减为零,属于“日盲区”,该波段为中紫外光波段(UVC),波长范围为200～280nm。紫外光通信就是利用这一波段进行的,因此也常称紫外光通信为“日盲”紫外光通信。
简单的无线紫外光通信系统与无线电系统的结构大致相同,其原理如图1所示。待传送的信号经过编码器编码后,加载到调制器上,调制器的激励电流就随着信号的变化规律变化,激光器的输出信号经过调制器之后,相关的参数(强度、相位、振幅和偏振)就会按照相应的规律变化。最后经过光学天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去。接收端接收到已调光束之后,首先经过光检测器转换成射频电流,然后馈入射频检波器,最后由解码器解调出原来的信号。其中激光器相当于无线电通信中的射频发生器。发射机和接收机的光学天线相当于无线电天线。所不同的是紫外光通信采用光频电磁波作为通信的载波。光学天线其实就是望远镜,相当于无线电通信中的天线,但明显的是尺寸的缩小。
1.2 紫外光通信的特点
紫外光通信主要是以大气散射和吸收为基础,利用中紫外波段的紫外光进行的通信,是常规通信的一种重要补充。与常规通信方式相比,紫外光通信有其独有的优点:
(1)数据传输的保密性高。由于大气的强吸收作用,系统辐射的紫外光通信信号的强度按指数规律衰减,这种强度衰减是距离的函数。因此,可根据通信距离的要求来调整系统的辐射功率,使其在通信范围之外的辐射功率衰减至最小,提高传输保密性;
(2)系统抗干扰能力强。
(3)可用于非视距通信。由于大气中存在大量的粒子,紫外辐射在传输过程中存在较大的散射现象,这种散射特性使紫外光通行系统能以非视距方式(Non-Line of sight,NLOS)传输信号,从而能适应复杂的地形环境,克服了其他自由空间光通信系统必须工作在视距(Line of sight)方式的弱点;
(4)无需ATP(Acquisition Tracking and Pointing)跟踪。
(5)全天候工作。该系统工作在日盲区(200～300nm),而地表在这个波段辐射很少,可以全天候工作。
2 研究状况
2.1 国外研究现状
早在1939年[1],美国就开始探讨了海军通信用的紫外光源、探测器和滤光片的技术及性能,但是未开展实际的研究工作。
20世纪60年代的中后期,美国军方根据现代战争的实际要求,对近距离通信表现出极大的兴趣。到了20世纪70年代中后期,Waren S Ross等人开始对紫外辐射在大气中的传输特性以及散射大气通信的可行性及具体的技术细节进行了理论探讨和试验研究[1]。
1985年和1986年,美国Naval Ocean System Centre的M Geller等人研制了一套紫外日盲型短距离通信系统。这种通信系统可工作在视距型和非视距型两种方式下;通信速率在1985年为1200bits/s,在1986年提高到了2400bits/s;误码率小于10-5[1]。在平均臭氧浓度下,视距型的通信系统最大通信距离达到3km,非视距型通信距离可达1km。在正常条件下,通信距离为0.75km可正常工作一年的时间[2]。
2001年,美国GTE公司为美军研制了一种新型隐蔽式紫外光通信系统,传输速率能达到4800bit/s[3]。此通信系统的非视距传输距离为1～3km,如果采用聚光方式,定向视距通信距离可达5～10km[4]。
从上面可以看出,美国在短距离紫外通信方面进行了大量的研究,完成了从基本原理到实用系统的多方面研究。但是其研究工作的具体情况和技术细节都处于高度保密状态。
可以看出,国外对于紫外光通信的研究都是基于实践的系统级别的,通过仿真和实验的方式不断对系统进行改进。
2.2 国内研究现状
紫外光通信的研究工作在我国起步较晚,国内在该领域的研究还远远不够,对紫外光通信系统的研究已经迫在眉睫。
中科院空间科学与应用研究中心开展了紫外光通信的研究工作,目前已取得一定的进展,深入开展相关的研究工作势在必行,也必将大有可为[6]。
国防科技大学提出利用紫外光解决舰艇“视距”通信的观点,进行舰艇紫外光通信系统的顶层设计和关键研究,并进行舰艇紫外光通信系统的战术应用研究。同时,还做了一些信道方面的仿真分析,特别是最近提出了对于信道特性的蒙特卡洛算法仿真,对以后的分析奠定可基础。
重庆大学光电研究所对紫外光语音通信系统进行了研究和设计,取得可一定的进展,不过还处于实验阶段[5]。另外,北京理工大学也对紫外光通信的一些关键技术进行了研究,建立了紫外光学通信原理实验系统[1]。其它研究单位也对紫外光信道的各种特性进行了仿真分析,得到一些有意义的结论,但是总的来说,由于国外技术资料的保密,我国的紫外光通信系统还处在研究阶段,主要的研究手段是仿真,目前还没有成型的实验系统。
3 紫外光通信在军事航空领域的应用
紫外光通信可用于1～2km的非视距通信,如果采用聚光方式,定向视距通信距离可达5～10km。紫外光通信系统的话音通信频率通常为19.2kHz,在距离为2～10km,数据传送速率为4800bit/s时,系统的误码率可达1×10-6[1]。与其他传统的通信方式相比更加隐蔽,需要的发射功率大大降低,非常适用于短距离、窄带宽、能量受限的应用环境。
紫外光通信系统可用于超低空飞行的直升机小队进行不间断的内部安全通信。使用紫外光通信系统的每架飞机都装备有一套收发系统,发射机以水平方向辐射光信号,接收机则面朝天安装,以收集散射到其视野区内的紫外光信号,从而使全小队的飞机都可收到相同的通信信号。
紫外光技术可用于改进舰载飞机的起飞导引系统。航母飞行甲板通信系统同时沟通指挥塔台与所有飞机之间的通信。光发射机可安装在航母的舰桥上,以水平方式向甲板辐射紫外光信号,每架飞机上装有一台小型接收机,面朝天安装,以收集散射在大气层中的导航数据。光发射机发出的紫外光具有散射和同播特性,能照射整个飞行甲板,这样飞机可以自由移动,并能同时接收数据。
4 紫外光通信系统的关键技术
影响紫外光通信系统的发展的关键技术主要包括发射接受器件的研究、信道模型的的研究以及调制解调、编码解码、检测等方法的研究。
4.1 紫外光源
在紫外光通信系统中,由于大气中臭氧的强烈吸收作用,所以需要具有性能好、功率高、调制性能好的发射光源。光学通信系统一般可采用的紫外光源一般可分为紫外灯和紫外激光器两大类。
紫外灯常见的有:高、低压充气汞灯,紫外线卤化物灯和等。此类光源具有价格便宜、功率大(可以达到数十瓦和上万瓦)灯特点。
由于紫外气体灯存在易碎、寿命短的缺点,人们开始将目光转向固体发光光源。处于绝对日盲区的紫外激光器主要有准分子KrF(248nm)激光器和Nd:YAG四倍频激光器(266nm)。激光器相对气体光源而言,具有坚固耐用的显著优点。但它并不适用于低成本、低损耗、低功耗的应用场合。并且这种激光器还有转换效率低、价格昂贵、使用寿命短、脉冲重复周期对温度敏感以及不易低压高速驱动等缺点。此外,功率较大的紫外激光器不仅十分昂贵,体积较大,而且技术尚不成熟。如果希望进行非视距、非定向自由空间通信,尚不能满足要求[6]。
由于需要具有性能好、功率高、调制性能好的发射光源,半导体紫外光源计划应运而生。美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了研制可变波长(包括日盲光谱)的晶体管紫外光发射器的项目,其目标是研制用于隐秘非视距紫外光通信的紫外收发器。目前,SUVOS计划已经成功研制波长为340nm及以上波段的紫外发光二极管。
4.2 紫外探测器
紫外探测器是接收机最为重要的器件,其主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非视距的紫外光通信,理想的探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的透过率、极低的暗电流密度和“日盲”功能。
日盲型紫外光电倍增管由于具有大的探测面积、较高的增益、低的暗电流并且功率消耗约100mW,因此得到了广泛的应用。然而即使当前最高新技术的PMT体积也比半导体探测器大很多,而且价格也是它的上千倍。因此,基于尺寸、功耗、成本等因素的考虑,采用半导体探测器替代光电倍增管是一种比较理想的选择。
林肯实验室正在研制紫外光谱范围的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APDs),它的暗电流相对比较小,将来它很可能成为光子计数探测器。SUVOS项目在德州大学建立了研制SICAPDs探测器的项目。然而,目前利用GaN研制的APDs还无法满足紫外波段的需要。
4.3 紫外光通信的大气信道模型
目前,关于大气辐射传输模型Lowtran、Modtran、Fascode 可以在各种复杂天气情况下,对散射大气的传输特性进行视距的数值模拟和分析,而对于模拟紫外辐射的非视线传输却无能为力。
对于散射大气中光的非视线传输,可以采用如下模型:单次散射模型(Single-Scatter model)、蒙特卡罗法(Monte-Carlo method)、离散坐标法(Discrete Ordinates method)等,这些模型在原理、方法、模拟精度、适用范围上各有不同的特点。单散射信道模型是1990年由Leugtten等人提出的,现有的研究大都是基于该模型进行的。基于该模型已经对紫外光通信的性能有了大量的研究结论[7]。
4.4 紫外光通信的调制解调方式
紫外光通信主要通过基带调制来提高能量和带宽利用率。除了波长的不同,适用于无线光通信的调制技术同样使用于紫外光通信。目前的光通信系统大多设计为强度调制/直接检测(IM/DD)系统。应用与该系统的调制方式主要有:开关键控(On-off Key,OOK);脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM);差分脉冲位置调制(Differential Pulse Position Modulation,DPPM);多脉冲PPM调制等。另外,编译码方式、检测等环节对于紫外光通信系统的性能也很重要,有待进一步的研究。
5 结语
紫外光通信是一种新兴的通信系统,由于其可以实现非视距、短距离的抗干扰、抗截获能力强的特点,特别适合于军事应用中。但是对于紫外光通信系统的研究还处于初级阶段,特别是国内在这方面的研究不多,还没有形成成型的系统,因此迫切需要进一步的研究。
[参考文献]
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[5] 周志斌,肖沙里,汪科等.日盲紫外光通信系统关键器件[J].重庆大学学报,2006,29(12):30-40.
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