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莫斯科不相信眼泪

 
 
 

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蓝绿激光在潜艇通信技术上的应用  

2007-12-28 12:01:51|  分类: 装备科技G |  标签: |举报 |字号 订阅

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       核潜艇上的洲际弹道导弹, 是战略核武器系统中最具有威慑力量的一个支柱, 但也是从控制和指挥方面讲却是最脆弱的一环。这是因为: 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, 即使是超低频通信系统, 穿透海水的深度也极有限( 最深仅达80米),而且超低频系统耗资大, 数据率极低, 易遭受敌方直接攻击或核爆炸电磁脉冲的破坏; 利用声频信道, 也因声波的传播速度太慢, 传输距离和容量都很有限, 不能保证进行可靠的通信。蓝绿激光的工作波段是海洋中光传播的窗口, 采用蓝绿激光通信, 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。另外, 利用蓝绿激光通信还具有高数据传输率、优良的保密性、抗干扰性和双工通信的能力。

  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。

  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。

  美国在进行了10多年不间断的激光通信试验以来, 逐渐形成比较明朗的卫星―潜艇激光通信发展方向。由于体积小、重量轻、高功率、长寿命的二极管泵浦固体激光器和原子共振滤光片的先后研制成功, 使得将激光器装在卫星上成为可能。所以, 美国国防研究远景规划局计划采用装有该种固体激光器的离地面仅有几百千米的廉价、低轨道卫星, 以代替先前计划采用的运行在23000 千米上空的地球同步卫星, 开展双工卫星―潜艇激光通信系统的研究。美国有可能从1994财政年度拨款开展此项内容的研究
 
       展望21世纪的电子战,由于激光电子技术的发展,几乎所有的指挥控制以及警戒监视、通信、飞机和舰船的导航系统等,都需要依赖电子技术和无线电波才能进行工作。电子战战场也将在地面、海上、空中、水下和空间激烈展开,并极大地刺激电子技术和战术的发展,使电子战武器装备发展到更高的层次。

  中微子通信装备中微子就是原子核内的质子或中子发生衰变时的产物。它是一种体积极小而稳定的中性粒子,它比电子的质量还要小近10个数量级。中微子的最显著特性是能够沿直线传播,而且在传播过程中不发生反射、折射和散射等现象,几乎不产生传播衰减。于是科学家利用这一特性,以中微子束的通信来代替电磁波传递信息的无线电通信。中微子通信的突出特点:是可穿透地层,进入深海直线传输信息,不易被对方侦察、干扰、截获和摧毁;具有较高的保密性和较强的抗干扰能力,非但对方的电磁不能影响其效能,就是核爆炸时的巨大辐射也奈何不了它。由于中微子通信能够冲破电磁波通信不可逾越的地下和水下两大禁区,即使在发生核战争的恶劣环境下,也能借助于中微子束,向游弋于大洋深处的核动力潜艇发送信息。

  蓝绿光通信装备蓝绿光通信是激光通信的一种。它是采用光波波长为450-570毫微米的蓝绿的激光束,在深海内进行的通信。蓝绿光通信的主要特点:一是穿透能力强。能穿透海水直至海洋深处,如498毫微米的蓝绿光,在2000米深度的海水中,其透光程度平均可达90%-95%。这样,潜艇不用上浮到接近海面的位置,就能与地面通信,并具有良好的灵活性和隐蔽性;二是耗能极少。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,不仅可以提高潜艇的生存能力,而且能够及时地协调潜艇与地面、海面和空中的作战行动;三是不易被敌测向和侦察。采用蓝绿光通信方式,潜
艇在深海处就能够与地面进行通信,这样就避免了敌方的测向、侦察和监视,而更便于
隐蔽作战企图。

  流星余迹通信系统利用流星余迹通信,简单地说就是利用流星通过大气层时留下的“尾巴”进行通信。这种通信方式,能够缩短无线电波在空间的暴露时间,属于瞬间通信的一种新形式。流星余迹的宽度通常可达15-40公里,距离地面约为80-120公里,存留的时间大约为十分之几秒至几分钟。流星余迹通信的突出特点:一是保密性好,抗干扰能力强。这是由于流星余迹稍纵即逝,且对无线电电波反射具有明显的方向性,不易遭敌方侦察、截获和干扰的特性决定的。二是传输距离远,通信稳定好。试验表明,利用普通的天线,当发射机输出功率为千把瓦时,通信距离可达2000余公里,且不会因时空、气候等变化或受到高空电离层的骚扰而影响通信质量。目前,许多国家的军队已经建立了用于军事目的的流星余迹通信系统。随着军事高技术的发展,流星余迹通信也将成为电子对抗的一种有效的手段。

  定向能武器指利用能产生高热、电离、辐射等综合效应的激光束、微波束和粒子束的能量,沿着一定的方向传播,摧毁一定距离内敌方电子设备的武器。定向能武器具有极快的射速。它利用大功率加速器,将电子、质子或离子等微观粒子,加速到接近光波的速度,射击3公里处的目标,仅需要十万分之一秒。特别是其利用电磁能代替爆炸能的特性,几乎是在射击的同时,对方的电子设备等目标就会在无声无息中被摧毁。

  反隐身技术装备为有效地对付隐身技术,未来电子战中的反隐身技术装备的发展趋势:一是扩展雷达工作频率,发展长波和毫米波雷达。如采用30千兆赫或94兆赫的毫米波雷达,就可跳出目前隐身技术所能对抗的波段,使现有隐身技术的效能大大降低或失效。二是采用先进的信号处理技术,充分利用目标的相位信息和极化信息,提高雷达探测性能。采用功率合成技术和大压缩比脉冲压缩技术,增大雷达发射功率,提高雷达的作用距离。三是研制和使用双基地和多基地雷达,通过利用隐身飞机散射雷达波信号的空间特征,接收其侧向或前向散射的雷达波信号,达到探测的目的。四是发展可接收金
属目标散射的谐波能量信号的新体制谐波雷达。

  21世纪电子战装备将进一步向系统化、系列化、侦察、干扰一体化及标准化、模块化方向发展,四维战场空间制电磁频谱权的争夺,将会空前激烈。正如军事专家所断言的那样:未来战争的获胜者将永远属于“最善于控制和运用电磁频谱和拥有最新式电子战兵器的一方”。

    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它光波段的衰减要小很多, 衰减系统约等于10(U-2)/米, 证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。依据上述物理现象, 利用工作在蓝绿光波段的激光器, 可研制出基于新的物理机理的水下目标探测、控制、通信等新型装备, 为解决长期以来困扰各国海军的对水下目标探测、通信等难题带来了新的希望。因此, 许多国家非常重视蓝绿激光在海军装备中的应用,美国、前苏联、澳大利亚等国投入了大批人力、物力, 在蓝绿激光对潜通信、探测/ 探雷、测深、水下传感装置、海基光控武器系统等方面进行了试验研究与概念研制, 并在一些重点应用方向上, 取得了突破。本文介绍蓝绿激光在海军装备中的应用需求和技术现状。

  1.蓝绿激光对潜通信

  潜艇上的远程弹道核武器, 是战略核武器系统中最具有威慑力量的一个支柱, 但也是从控制和指挥方面讲最脆弱的一环。这是因为: 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, 即使是超低频通信系统, 穿透海水的深度也极有限( 最深仅达80米),而且超低频系统耗资大, 数据率极低, 易遭受敌方直接攻击或核爆炸电磁脉冲的破坏; 利用声频信道, 也因声波的传播速度太慢, 传输距离和容量都很有限, 不能保证进行可*的通信。蓝绿激光的工作波段是海洋中光传播的窗口, 采用蓝绿激光通信, 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。另外, 利用蓝绿激光通信还具有高数据传输率、优良的保密性、抗干扰性和双工通信的能力。

  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。

  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。

  美国在进行了10多年不间断的激光通信试验以来, 逐渐形成比较明朗的卫星—潜艇激光通信发展方向。由于体积小、重量轻、高功率、长寿命的二极管泵浦固体激光器和原子共振滤光片的先后研制成功, 使得将激光器装在卫星上成为可能。所以, 美国国防研究远景规划局计划采用装有该种固体激光器的离地面仅有几百千米的廉价、低轨道卫星, 以代替先前计划采用的运行在23000 千米上空的地球同步卫星, 开展双工卫星—潜艇激光通信系统的研究。美国有可能从1994财政年度拨款开展此项内容的研究。

  2.蓝绿激光探潜/ 探水雷

  随着潜艇的航速增加、“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, 使行潜艇的隐蔽性与机动能力进一步增强。另外, 冷战结束后, 随着海军的战略任务从深海对抗转变为在有潜在敌意的沿海水域保持军事部署, 水雷战和反水雷战就愈发重要起来。为对付潜艇的日益严重的威胁以及解决水雷探测难题,各国海军更加重视研究新的水下目标探测手段, 如利用蓝绿激光进行水下目标探测。

  早在60年代初, 国外就开始探索激光探潜的可行性。在1963~1967年, 美国俄亥俄州大学科学实验室为空军航空电子实验室进行了一系列实验和理论研究, 目的是确定机载光雷达探测水下目标( 如潜艇) 的可行性和优化设计需要的参数。在1987年, 美国国际研究远景规划局将蓝绿激光探潜列为正在进行的几项非声波探潜技术计划之一。在1990~1991年海湾战争期间, 美国海军将命名为“魔灯”的ML—30型蓝绿激光探测系统装在“弗里兰”号护卫舰上的SH—2F“海妖”直升机上, 在海湾进行探水雷试验。

  之后, 美国海军将“魔灯”蓝绿激光系统更为发展探测水雷设备“辛勤吃鱼狗”计划中的首项发展设备。在1991年年末, 美国海军投资1060万美元研制比ML—30更先进的ML—90型“魔灯”蓝绿激光系统, 并计划在1993年夏季进行试验。与此同时, 美国海军陆战队为实现对海滩和两栖登陆区域的雷场警戒, 投资1260万美元研制可装在战斗机、直升机以及无人驾驶飞机上的“魔灯”改进型, 亦即ML(A) 型的蓝绿激光探测系统, 可望在1994年中进行测试。

  前苏联也是较早研究蓝绿激光探潜技术的国家之一。早在80年代就有报道称前苏联已能从时速为每小时160 千米的低空飞行的飞机上利用激光扫描技术探测水下目标。在1993年, 美国《世界武器评论》报道: 俄罗斯已在图95“熊Ⅳ”型轰炸机的头部安装了蓝绿激光潜艇探测系统, 以搜索沿海潜艇、小型潜艇和水雷。

综上所述, 可见美、俄两国已逐渐完成了蓝绿激光探潜/ 探雷系统的原理研究, 有小批量该类设备形成装备, 投入部队使用。

    3.蓝绿激光测深

   尽管本世纪以来, 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, 直接推动了蓝绿激光测深技术的发展。实际上, 以飞机为平台的机载蓝绿激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。

  早在1967年, 美国人就完成了世界第一个蓝绿激光测深装置——UDACS —1 水下探测装置, 该装置可用于探测和搜索海底沈船、测绘海图等。此后, 又推出了机载脉冲激光测深仪(PLADS),并进行了机载试验。在80年代初期, 又报道了具有扫描能力和高速数据记录率的机载海洋水文雷达AOL 。

  在加拿大, 激光方法最初是作为机载立体摄影术的补充进行研究的。1980年左右,在圣·劳伦斯海湾和波罗的海对一种非扫描系统进行了试验评价。1984年, 加拿大推出LARSEN 500机载激光测深仪。

  澳大利亚根据其军方的要求, 从1972年就开始蓝绿激光测深技术的研究。在1976年建成了一个WRELADSI试验系统。随后, 又推出具有全面的扫描、数据存贮和水平位置定位能力的改进型——WRELADS Ⅱ。
  前苏联在1983年也进行了机载自动化测量仪器综合体试验。该仪器综合体是可用于海洋学研究的通用机载蓝绿激光雷达系统。据报道, 该仪器综合体能够探测来自海水100 米深的信号, 并能够描述内波向表面输出等新的海洋学应用。 

   4.蓝绿激光水下传感装置

  传感器是水下目标, 如潜艇、水下机器人的耳目, 要及时发现、准确识别水下威胁目标就必须装备先进的传感装置。利用蓝绿激光水下传感装置, 可获得比其它水下传感器更高的识别精度和定位能力, 有人曾设想, 如果在潜艇上装备蓝绿激光水下传感装置, 可使潜艇象使用雷达一样, 利用高能蓝绿激光, 穿透深层幽暗的海水, 寻找和发现目标,并可对目标进行跟踪和制导鱼雷攻击。当然, 这种设想要实现, 尚存在许多技术问题。目前, 已有将此种设备装在水下平台上, 用于探测和识别水雷, 特别是利用其它手段很难探测的沈底雷的报道。如已在美海军“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。5.海基光控武器系统 水雷战是现代海战中的一种重要作战方式, 水雷武器性能影响着布雷作战的效果。因此, 随着科学技术的不断向前发展, 许多先进科学技术不断应用于新型水雷的研制开发上。将蓝绿激光技术应用于水雷, 则可能研制出渐新一代完全可控制的海基光控武器系统, 如光控水雷、光控鱼水雷。这种光控海基武器系统是在水中武器上装有一个光探测器, 该探测器能接收飞机或其它平台以一定编码形式向海中发出的蓝绿激光信号, 通过破译该信号, 武器自动决定引信系统是否打开、关闭或自爆。这样, 部署了这种武器的海域, 在平时和己方舰船通过时, 先由装有蓝绿激光系统的飞机关闭武器系统引信;而在战时, 只需用激光打开武器引信就可迅速封锁该海域; 战后, 也只需用激光就可引爆。因此, 光控海基武器系统将是现有各种海基武器中真正可控制的武器。 此外, 蓝绿激光系统还可用于固定基声纳列阵的控制和通信、测量树林密度、高度等等。随着高功率、小体积、长奉命的蓝绿激光器技术, 强光背景下的弱信号探测技术, 大容量、高速计算器技术的迅猛发展, 已在部分国家形成了可真正应用于实战的蓝绿激光系统, 如文中提到的美、俄探雷/ 探测系统, 水文测量系统。对于蓝绿激光通信,现各国尚处于样机研制阶段。至于其它一些应用, 就从目前所能掌握的资料看, 尚处于概念研究阶段。但由于蓝绿激光技术所具有的独特性能, 无疑会在不久的将来, 以蓝绿激光为基础的各种应用系统, 在海军装备中占据重要的地位。

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