長波的發(fā)展前景

貝學(xué)雙　陳開選

【摘 要】隨著導(dǎo)彈、核武器的發(fā)展，導(dǎo)致越來越多的軍事設(shè)施轉(zhuǎn)入地下，長波地下通信將是保障地下指揮所和坑道間應(yīng)急通信的重要手段。本文闡述了長波通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】長波通信；分類特點(diǎn)；發(fā)展現(xiàn)狀；未來趨勢(shì)

長波通信（long-wave communication）是由沿地球表面的地波傳播，也可在地面與高空電離層之間傳播，通信距離可達(dá)數(shù)千里，波長越長，傳輸哀減越小，穿透海水和土壤的能力也越強(qiáng)，但相應(yīng)的大氣躁聲也越大。多用于海上通信，水下通信、地下通信和導(dǎo)航等；由于傳播穩(wěn)定，受太陽耀斑或核爆炸引起的電離層騷擾的影響小，也可用作防電離層騷擾的備用通信手段。

一、長波通信的分類及特點(diǎn)

長波通信是利用波長長于1000米（頻率低于300KHz）的電磁波進(jìn)行的無線電通信，它可細(xì)分為：在長波（波長10——1000米、甚長波（100km一10km），超長波（10000km一1000km）和極長波（1一16萬公里）波段的通信。甚長波通信。亦稱甚低頻通信。甚長波 （VLF）指波長范圍為100～10公里（頻率為3～30千赫）的電磁波，但通常使用的是10～30千赫頻段。它主要靠大地與低電離層間形成的波導(dǎo)進(jìn)行傳播。波長越長則衰減越小，穿透海水或土壤的能力也越強(qiáng)，但同時(shí)大氣噪聲也越大。由于波長遠(yuǎn)大于天線幾何尺寸，天線輻射電阻很小，容抗很大。為了匹配，天線一般都加很大的頂負(fù)載以減小容抗，致使天線龐大。為了調(diào)諧，回路中還要串聯(lián)電感電容、電感和電阻形成高Q 值諧振回路。因此，甚長波通信的特點(diǎn)是系統(tǒng)龐大、Q 值高、回路電壓很高、通帶較窄（低端往往只有幾十赫）、通信速率低，發(fā)射機(jī)功率一般從十幾千瓦到數(shù)兆瓦。甚長波傳播穩(wěn)定，受太陽射電爆發(fā)或核爆炸等引起的電離層騷擾的影響較小，適用于遠(yuǎn)距離水下通信、防電離層騷擾的備用通信和地下通信等。

超長波通信。亦稱超低頻通信，超長波（SLF）指波長范圍為10000～1000公里（頻率為30～300赫）的電磁波，傳播十分穩(wěn)定，在海水中的傳播衰減約為甚長波的十分之一（頻率為75赫時(shí)，衰減約為0.3分貝/米），因而對(duì)海水穿透能力很強(qiáng)，可深達(dá)100米或更多，主要用于海岸對(duì)深潛潛艇（如戰(zhàn)略導(dǎo)彈潛艇）的遠(yuǎn)距離指揮通信。超長波的波長為1萬到10萬米，它能從空中鉆入水里，在水中的衰耗比較小，穿透海水的深度最大可達(dá)30米，使水下的潛艇接收到岸上發(fā)來的電波。極長波的波長大于10萬米，幾乎可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛通信，穿透水層的深度達(dá)200米以上，即使在最大距離上也可達(dá)到水下80米左右。由于超長波通信的工作頻率極低，波長長達(dá)數(shù)兆米，天線主要采用長達(dá)數(shù)萬米的兩端接地的埋地導(dǎo)線，選用電導(dǎo)率極低的地區(qū)作為發(fā)射場地，其集膚深度很深，形成等效環(huán)形天線。盡管如此，天線效率仍然很低，發(fā)射機(jī)功率在數(shù)兆瓦情況下輻射功率也只有幾瓦。采用最小移頻鍵控（MSK）和卷積編碼技術(shù)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，可以在低信噪比下接收。在一定范圍內(nèi)，長波通信以地波傳播為主，當(dāng)通信距離大于地波的最大傳播距離時(shí)，則靠天波來傳播信號(hào)。長波通信的優(yōu)點(diǎn)是：通信距離遠(yuǎn)，能透入巖層、海水一定的深度，受太陽耀斑和核爆炸的影響小，通信比較穩(wěn)定可靠。

電磁波的特性。就是波長越長，越容易繞開障礙物，傳播距離越遠(yuǎn)，在傳輸過程中功率損耗越少，但是波還有一個(gè)特性，那就是波長越短頻率越高，所能承載的信息量越大，反之則越小——就是信息傳播的越遠(yuǎn)，那它傳遞得就越慢，所以，艦艇，飛機(jī)和地面與水下潛艇進(jìn)行無線電通訊一般使用超長波，電磁波沿地球表面和高度為70～80公里的電離層所構(gòu)成的兩個(gè)同心反射層之間傳播，然后垂直透入海水，潛艇可在水面以下30米深處收到這種電磁波。為了達(dá)到更大深度，潛航于120米深的核潛艇用300米長的拖曳接收天線，能順利地收到4600公里遠(yuǎn)的極長波指令。潛艇之間，則只能通過以上方式間接通訊。由于超長波信道很窄，所以通信速率很低，發(fā)送一組3個(gè)字母的信號(hào)約需15分鐘。只適用于岸臺(tái)對(duì)潛艇的單向通信。但可靠性好，不受核爆炸影響，主要用于從本土與游弋在世界各大洋的戰(zhàn)略核潛艇的通訊聯(lián)絡(luò)。長波通信主要用于對(duì)潛艇通信、遠(yuǎn)洋通信、地下通信及導(dǎo)航等。其通信方式主要是人工報(bào)和低速印字報(bào)，頻段高端也可通單邊帶話。由于長波的波長很長，地面的凹凸與其他參數(shù)的變化對(duì)長波傳播的影響可以忽略。在通信距離小于300km時(shí)，到達(dá)接收點(diǎn)的電波，基本上是表面波。長波穿入電離層的深度很淺，受電離層變化的影響很小，電離層對(duì)長波的吸收也不大，因而長波的傳播比較穩(wěn)定。物理學(xué)告訴我們，電磁波在水中有著不同于空氣中的傳播特性。海水對(duì)電磁波能量的吸收作用很強(qiáng)，但對(duì)于不同波長的電磁波又有所不同。波長越短、頻率越高，在海水中的衰減就越厲害。因此，短波在水中的衰減是很快的，幾乎無法穿過海水傳播，而波長更長的長波、甚長波、超長波在海水中的衰減程度就要小得多，能夠進(jìn)入幾十米至幾百米的水中。

二、長波通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國為解決“北極星”彈道導(dǎo)彈核潛艇的大深度通信問題，1958年首先提出用超長波進(jìn)行通信的設(shè)想，并進(jìn)行了長期的研究試驗(yàn)。美國的超長波電臺(tái)于 1986 年建成并投入使用。該電臺(tái)由兩部分組成，一部分位于威斯康星州，另一部分位于密執(zhí)安州，兩地相距 258 公里，兩部分可以聯(lián)合工作亦可以分別單獨(dú)工作。其天線總長 135 公里，發(fā)信機(jī)共 8 部，一半工作，一半備用，總功率 5. 28 兆瓦；通信速率極低，一般只能用預(yù)先約定意義的幾個(gè)字母的組合進(jìn)行信號(hào)通信，3個(gè)字組組合的信號(hào)約需 15 分鐘；7000～8000 公里范圍內(nèi)發(fā)在能保證對(duì)水下 1 00 余米的潛艇進(jìn)行通信。雖然超長波通信的速率較低，但科學(xué)技術(shù)正不斷推進(jìn)著通信技術(shù)的變革。

第一次世界大戰(zhàn)顯著地表明了軍事電訊技術(shù)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)和指揮的優(yōu)越性。軍事電訊機(jī)動(dòng)、快速、遠(yuǎn)距的特點(diǎn)有效地保障了指揮系統(tǒng)與作戰(zhàn)部隊(duì)及友鄰部隊(duì)之間的聯(lián)系暢通，而且它還能收聽本部和敵方大功率電臺(tái)發(fā)出的各種信息，這在當(dāng)時(shí)缺乏更多形式的通信手段的情況下，在戰(zhàn)報(bào)、文書以及報(bào)紙傳遞不能及時(shí)到達(dá)的情況下，無疑具有重要意義；第二次世界大戰(zhàn)中，因?qū)撏ㄐ诺男枰?，而又重視發(fā)展長波通信。隨著導(dǎo)彈、核武器的發(fā)展，導(dǎo)致越來越多的軍事設(shè)施轉(zhuǎn)入地下，長波地下通信將是保障地下指揮所和坑道間應(yīng)急通信的重要手段。甚長波通信在海軍中得到了很大發(fā)展。世界上許多國家建有甚長波電臺(tái)。甚長波電臺(tái)由發(fā)射機(jī)、天線系統(tǒng)、供電設(shè)備等組成，主要用于對(duì)潛艇和遠(yuǎn)洋水面艦艇發(fā)信，是指揮潛艇最重要的通信設(shè)備。甚長波電臺(tái)的規(guī)模都較龐大，其發(fā)射機(jī)輸出功率小者十幾千瓦，大者數(shù)兆瓦，天線高度多在200米以上，天線場地占地面積一般為數(shù)平方公里。其天線系統(tǒng)抗毀能力較差，在戰(zhàn)時(shí)是敵方打擊的重要目標(biāo)。為此，有的國家建造了車載或機(jī)載通信用甚長波電臺(tái)，其天線分別用氣球升舉或飛機(jī)拖拽，以取得較好的通信效果。甚長波通信傳輸衰減小，穩(wěn)定可靠，但是通信的頻帶較窄，只能傳輸?shù)退匐妶?bào)不能通話。此外，發(fā)信機(jī)及天線龐大，效率低，要實(shí)現(xiàn)全球通信，需建兆瓦級(jí)的大功率發(fā)信機(jī)和巨大的天線，投資大，運(yùn)行費(fèi)用高。由于甚長波的入海深度不能滿足潛艇作戰(zhàn)行動(dòng)的要求，人們又積極開發(fā)波長更長的超長波通信拓展。實(shí)踐表明，電訊技術(shù)使軍隊(duì)的通信產(chǎn)生了一個(gè)“質(zhì)”的飛躍，大大提高了軍隊(duì)的整體作戰(zhàn)能力；

三、長波通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

美國圣地亞哥Maxima Corporation的Andrew Pavelchek等人在2004年建立了初步的長波紅外無線激光系統(tǒng)，采用功率為180mW、波長可調(diào)范圍為8-12μm、可在室溫下工作的量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）作為光源，探測器采用室溫HgCdZnTe，平均傳輸速率達(dá)155Mb/s（最大可達(dá)1Gb/s）。2008年，美國西北大學(xué)Andrew Hood等人通過分析比較當(dāng)前的超晶格探測器和量子級(jí)聯(lián)激光器，認(rèn)為研制可供實(shí)際應(yīng)用的新型長波紅外無線激光通信系統(tǒng)的條件已基本滿足，而且認(rèn)為8-14μm長波紅外系統(tǒng)將可取代當(dāng)前的0.8-1.55μm波段近紅外系統(tǒng)，新型8-14μm長波紅外無線激光通信技術(shù)表現(xiàn)出了極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，8-14μm長波紅外無線激光通信技術(shù)已成為下一代無線激光通信技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

近年來各國軍方爭相研發(fā)深海通信系統(tǒng)，為此，提供的新技術(shù)也大大提高了潛艇的信息傳輸能力。比如，英國奎奈蒂克（QinetiQ）公司的“深海”計(jì)劃能使美國海軍的潛艇利用空中的藍(lán)綠激光實(shí)現(xiàn)雙向通信；美國雷神公司的“深海女妖”（Deep Siren）項(xiàng)目制造了消耗型的尋呼浮標(biāo)，它們能把衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)化成聲學(xué)信號(hào)傳遞給海底的潛艇，但這種傳遞只能是單向的。另外，美軍的高頻主動(dòng)極光研究項(xiàng)目（High Frequency Active Auroral Research Program，簡稱HAARP）也是其中的佼佼者，它嘗試?yán)么髿鈱幼鳛樘炀€的替代品，從阿拉斯加發(fā)射出的大功率高頻電磁波束能激活地球的電離層，使它產(chǎn)生極端低頻的波束，這種波束能穿過鹽水折射到海底深處為潛艇所接收。美國海軍積極發(fā)展海底通信技術(shù)， “深?？焖偻ㄐ畔到y(tǒng)”（Communications at Speed and Depth，簡稱CSD）將把深藏海底的核潛艇與美國國防部的全球信息網(wǎng)絡(luò)連結(jié)起來，首次實(shí)現(xiàn)潛艇與陸空的雙向通信交流。

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