专利名称：基于水下光缆的水下航行体通信方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感、保密通信技术领域，具体涉及一种基于水下布设的水下光 缆实现水下航行体主动与岸基基站进行单向通信的方法与系统。
背景技术：
水下航行体的通信，尤其是深潜状态下的通信，一直是公认的难题。由于短波在水 中衰减很快，水中与岸上的联络主要依靠长波和甚长波通信，以被动接收为主，即水下航行 体在规定的时间内按照规定的频率，浮出水面或将接收天线伸出水面，接收岸上发送的信 息。但是，有时水下航行体需要和陆上指挥部主动联络，这时，则需要在水中施放浮标天线 或浮力天线，即把天线施放到水面。这种方式给主动联络带来了很大的不便。因为水下航 行体浮出水面在远距离用短波通信，其信号本身就不保密，可能被敌方截获破译，并测出航 行体的位置，而且露出水面的浮标天线也有可能被敌方雷达探测到，这就大大增加了航行 体暴露的机率。同时，这种方式也不能很好的满足水下航行体在工作深度上进行不间断通 信的要求，且在航行体改变深度时很难保持持续通信。为了能够更好地满足水下通信要求，人们一直在寻找新的通信方式。1980年代以 来，陆续提出的一些新技术，如中微子通信技术，蓝绿激光技术，同样存在需要构建全新陆 基场站，需要天基飞行器、卫星支持，研发周期长，技术原理性难题多，难以以相对经济、便 捷的方式，在有限的时间内，填补航行体水下通信的技术和装备空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、便捷、快速实现水下航行体主动与岸基基站进 行单向通信的方法与系统。本发明提出的水下航行体主动与岸基基站进行单向通信的方法，利用布设通讯传 输两用光缆，或是利用既有的水下光缆，构建水下的被动声传感系统，实现水下，尤其是深 潜状态的水下航行体与岸基基站的主动(单向)通信。该技术是利用光纤传感技术，将布设 在水下的光缆作为声传感器，接收水下航行体对其发出的声信号，并将携带上述声信号的 光波传输到陆上基站，然后通过解调设备，还原信号，实现单向通信。水下航行体可以从一 定距离外向光缆发出声信号(例如通过主动声纳)，也可以是通过接近光缆后以机械接触方 式直接敲击光缆等产生信号。具体实现方法，如
图1所示。实现单向通信方法的声传感系统，是一种水下光缆6与光纤干涉组件2、反馈装置 5构成的干涉光路结构，还包括光电转换及放大装置3、数据处理分析终端4 ；其中，光纤干 涉组件2是由光纤器件构成的单元，光源1从光纤干涉组件2输入，光纤干涉组件2将光源 1注入的光进行处理后注入到水下光缆6中，从水下光缆6中返回重新进入光纤干涉组件2 中的光在其中发生干涉，干涉信号最终经光纤干涉组件2输出，并从水下光缆6出射进入反 馈装置5，经反馈装置5处理后，重新进入水下光缆6中；反馈装置5可以是光纤器件，也可 以是由多个光纤器件构成的组件。7为水下光缆上的任一干扰点，当点7处感应到的来自水下航行体发出的信号，由于光弹效应，光纤会产生微变，经7点传输的光的相位会发生改 变。干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，经光纤干涉组件2输出。光电转换及放大 装置3将光信号变成电信号，数据处理分析终端4对电信号进行处理、分析，从而获得水下 航行体传送的信息。水下航行体发出的信号，可以是以主动声纳等换能装置发出的声信号，通过水的 传播，以声压的形式作用到水下光缆上；也可以是驶近光缆后，以机械方式直接对水下光缆 进行的敲击。使用本发明可以将水下航行体发出的预先约定内容的编码声信号，或敲击信息， 通过水下光缆传输至远端岸上的基站，从而实现信息的单向发送。通过本发明获得的信号，还可提取出水下航行体的位置信息。用于构建本发明干涉光路的水下光缆可以是水下光缆中冗余的光纤，也可以通过 波分复用技术与通信信号复用光纤通道。图2是本发明的一种干涉结构实现方式。光纤干涉组件2由NXM (N、M为整数) 耦合器8、PXQ (P、Q为整数)耦合器9、光纤延迟器10 (延迟为τ)构成。8al、8a2、…、 8aN、8bl、8b2为耦合器8的端口，8al、8a2、…、8aN是同向端口，共N个，8bl、8l32是耦合器 8的另一组同向端口(共M个)中的两个端口。9al、9a2、9bl为耦合器9的端口，9al、9a2是 耦合器9的一组同向端口(共P个)中的两个端口，9bl是耦合器9的另一组同向端口(共Q 个)中的两个端口。作为感应光纤(拾取水下航行体发出的信息)的水下光缆6接在耦合器 9的端口 9al。在该结构中，存在两路光
两路I 端口 8bl —光纤延迟器10 —端口 9al —端口 9bl —水下光缆6 (点7)—反馈 装置5 —水下光缆6 (点7)—端口 9bl —端口 9a2 —端口油2 ；
两路II 端口油2 —端口 9a2 —端口 9bl —水下光缆6 (点7)—反馈装置5 —水下光 缆6 (点7)—端口 9b 1 —端口 9al —光纤延迟器10 —端口 8b 1。箭头所指方向表示光经过的路径。这两路光在耦合器8处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口 8al、8a2、…、8aN输
出ο这样，水下光缆6以相位调制的方式获得的信息，通过干涉结构，以光强变化的方 式被提取出来。对干涉信号采用相位还原等使用的算法，即可将水下光缆6拾取的信息解 调出来，从而获得水下航行体发送的信息。通过对信号频谱特征的分析，还可获得位置信息。设水 下航行器对发出的信号对水下光缆6上的点7产生的相位调制为
W)，则因反馈装置5的作用先后两次经过点7，相位受到的调制为
其中，Γ = IneffLic , L为点7距反馈装置5的距离，C为真空中的光速，Hsff为光 纤的等效折射率。 则两相互干涉的光之间的相位差为
权利要求
1.一种基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于利用光纤传感技术，将布设 在水下的光缆作为声传感器，构建声传感系统，用于接收水下航行体对其发出的声信号，并 将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，然后通过解调设备，还原信号，实现单向通信; 其中所述声传感系统，是一种水下光缆(6)与光纤干涉组件(2)、反馈装置(5)构成的干涉 光路结构，还包括光电转换及放大装置(3)和数据处理分析终端(4);光纤干涉组件(2)是 由光纤器件构成的单元，光源(1)从光纤干涉组件(2)输入，光纤干涉组件(2)将光源(1)注 入的光进行处理后注入到水下光缆(6)中，从水下光缆(6)中返回重新进入光纤干涉组件 (2)的光在光纤干涉组件(2)中发生干涉，干涉信号最终经光纤干涉组件(2)输出，并从水 下光缆(6)出射进入反馈装置(5)，经反馈装置(5)处理后，重新进入水下光缆(6)中；水 下光缆(6)上的任一干扰点(7)处感应到的来自水下航行体发出的信号，由于光弹效应，使 光纤产生微变，经干扰点(7)传输的光的相位会发生改变；干涉光路将相位的变化转换为 光强的变化，经光纤干涉组件(2)输出；光电转换及放大装置(3)将光信号变成电信号，数 据处理分析终端(4)对电信号进行处理、分析，从而获得水下航行体传送的信息。
2.根据权利要求1所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述水下 航行体发出信号，是以主动声纳换能装置发出的声信号，通过水的传播，以声压的形式作用 到水下光缆(6)上；或者是水下航行体驶近水下光缆(6)后，以机械方式直接对水下光缆 (6)进行敲击发出信号。
3.根据权利要求1所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述光纤 干涉组件(2)由NXM耦合器(8)、PXQ耦合器(9)、光纤延迟器(10)构成；光纤延迟器(10) 的延迟为τ，N、M为整数，？、0为整数；记8&1、8&2、...、8aN、8bl、8b2为NXM耦合器(8的 端口，8al、8a2、···、8aN是同向端口，共N个，8bl、8l32是NXM耦合器(8)的另一组同向M个 端口中的两个端口，9al、9a2、9b 1为P X Q耦合器(9)的端口，9al、9a2是P X Q耦合器(9)的 一组P个同向端口中的两个端口，9bl是耦合器(9)的另一组Q个同向端口中的一个端口 ； 作为感应光纤的水下光缆(6)接在PXQ耦合器(9)的端口 9al ；在该结构中，形成两路光光路I 端口 8b 1 —光纤延迟器(10)—端口 9al —端口 9b 1 —水下光缆(6)—反馈装 置(5)—水下光缆(6)—端口 9bl —端口 9a2 —端口油2 ；光路II 端口油2 —端口 9a2 —端口 9bl —水下光缆(6)—反馈装置(5)—水下光缆 (6)—端口 9bl —端口 9al —光纤延迟器(10)—端口 8bl ；箭头所指方向表示光经过的路径；这两路光在NXM耦合器(8)处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口 8al、8a2、…、8aN 输出。
4.根据权利要求3所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在 于所述水下航行体传送的信息包括下航行体的位置信息；该位置信息获得方法 如下设水下航行器发出的信号对水下光缆(6)上的点(7)产生的相位调制为 m ,由于反馈装置(5)的作用先后两次经过点(7)，相位受到的调制为其中，J1 = IneffL /C，L为点7距反馈装置(5)的距离，C为真空中的光速，Keff为光纤的等效折射率；两相互干涉的光之间的相位差为Αφ = Mt) + φ( -Τ)]-[φ( — r)十 φ( -τ-T)]在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即陷波点，陷波点与扰动位置的关系为(k= In-IneW￡λ JLA譽亀众赏！^其中，fnull W为k阶陷波点的频率；根据陷波点的位置即可确定点(7)的位置，也即确定水下航行器的位置。
5.根据权利要求3所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述声传 感系统中的水下光缆是水下光缆中冗余的光纤，或者通过波分复用技术与通信信号复用的 光纤通道。
6.根据权利要求3所述的基于水下光缆的水下航行体通信方法，其特征在于所述的光 纤干涉组件、光电转换及处理装置、数据分析终端皆位于陆上基站的接收中心。
7.一种基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于利用光纤传感技术，将布设 在水下的光缆作为声传感器，构建声传感系统，用于接收水下航行体对其发出的声信号，并 将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，然后通过解调设备，还原信号，实现单向通信； 其中所述声传感系统，是一种水下光缆(6)与光纤干涉组件(2)、反馈装置(5)构成的干涉 光路结构，还包括光电转换及放大装置(3)和数据处理分析终端(4)；光纤干涉组件(2)是 由光纤器件构成的单元，光源(1)从光纤干涉组件(2)输入，光纤干涉组件(2)将光源(1)注 入的光进行处理后注入到水下光缆(6)中，从水下光缆(6)中返回重新进入光纤干涉组件 (2)的光在光纤干涉组件(2)中发生干涉，干涉信号最终经光纤干涉组件(2)输出，并从水 下光缆(6 )出射进入反馈装置(5 )，经反馈装置(5 )处理后，重新进入水下光缆(6 )中；水 下光缆(6)上的任一干扰点(7)处感应到的来自水下航行体发出的信号，由于光弹效应，使 光纤产生微变，经干扰点(7)传输的光的相位会发生改变；干涉光路将相位的变化转换为 光强的变化，经光纤干涉组件(2)输出；光电转换及放大装置(3)将光信号变成电信号，数 据处理分析终端(4)对电信号进行处理、分析，从而获得水下航行体传送的信息。
8.根据权利要求7所述的基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于所述光纤 干涉组件(2)由NXM耦合器(8)、PXQ耦合器(9)、光纤延迟器(10)构成；光纤延迟器(10) 的延迟为τ，N、M为整数，？、0为整数；记8&1、8&2、...、8aN、8bl、8b2为NXM耦合器(8的 端口，8al、8a2、···、8aN是同向端口，共N个，8bl、8l32是NXM耦合器(8)的另一组同向M个 端口中的两个端口，9al、9a2、9b 1为P X Q耦合器(9 )的端口，9al、9a2是P X Q耦合器(9 )的 一组P个同向端口中的两个端口，9bl是耦合器(9)的另一组Q个同向端口中的一个端口 ； 作为感应光纤的水下光缆(6)接在PXQ耦合器(9)的端口 9al ；在该结构中，形成两路光光路I 端口 8b 1 —光纤延迟器(10)—端口 9al —端口 9b 1 —水下光缆(6)—反馈装置(5)—水下光缆(6)—端口 9bl —端口 9a2 —端口油2 ；光路II 端口油2 —端口 9a2 —端口 9bl —水下光缆(6)—反馈装置(5)—水下光缆 (6)—端口 9bl —端口 9al —光纤延迟器(10)—端口 8bl ； 箭头所指方向表示光经过的路径；这两路光在NXM耦合器(8)处会和，发生干涉，干涉信号分别经端口 8al、8a2、…、8aN 输出。
9.根据权利要求7所述的基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于所述声传 感系统中的水下光缆是水下光缆中冗余的光纤，或者通过波分复用技术与通信信号复用的 光纤通道。
10.根据权利要求8所述的基于水下光缆的水下航行体通信系统，其特征在于所述的 光纤干涉组件、光电转换及处理装置、数据分析终端皆位于陆上基站的接收中心。
全文摘要
本发明属于光纤传感、保密通信技术领域，具体为基于水下光缆的水下航行体通信方法与系统。本发明利用既有的水下光缆作为声传感器，构建水下被动声传感系统，用于接收水下航行体对其发出的声信号，并将携带上述声信号的光波传输到陆上基站，再通过解调设备，还原信号，达到单向通信的目的。该解调设备具有保密性和唯一性。该技术具有水下通信深度大，抗毁性好，隐蔽性强，通信抗干扰，保密性能强，实时、快速的特点。使用本发明的方法，可新布设光缆传感网络，也可利用既有的水下光缆网络体系，构建一个遍布海洋的被动声接受网，实现水下航行体与陆上基站单向通信。
文档编号H04B10/12GK102075252SQ20111000625
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者吴红艳, 唐璜, 肖倩, 赵栋 申请人:复旦大学