長波的發(fā)展前景

貝學雙 陳開選

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

【關鍵詞】長波通信；分類特點；發(fā)展現(xiàn)狀；未來趨勢

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，但相應的大氣躁聲也越大。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

長波通信是利用波長長于1000米（頻率低于300KHz）的電磁波進行的無線電通信，它可細分為：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進行傳播。波長越長則衰減越小，穿透海水或土壤的能力也越強，但同時大氣噪聲也越大。由于波長遠大于天線幾何尺寸，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載以減小容抗，致使天線龐大。為了調諧，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，衰減約為0.3分貝/米），因而對海水穿透能力很強，可深達100米或更多，主要用于海岸對深潛潛艇（如戰(zhàn)略導彈潛艇）的遠距離指揮通信。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實現(xiàn)對潛通信，穿透水層的深度達200米以上，即使在最大距離上也可達到水下80米左右。由于超長波通信的工作頻率極低，波長長達數(shù)兆米，天線主要采用長達數(shù)萬米的兩端接地的埋地導線，選用電導率極低的地區(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，用計算機進行信號處理，可以在低信噪比下接收。在一定范圍內，長波通信以地波傳播為主，當通信距離大于地波的最大傳播距離時，則靠天波來傳播信號。長波通信的優(yōu)點是：通信距離遠，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，在傳輸過程中功率損耗越少，但是波還有一個特性，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，那它傳遞得就越慢，所以，艦艇，飛機和地面與水下潛艇進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公里的電離層所構成的兩個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個字母的信號約需15分鐘。只適用于岸臺對潛艇的單向通信。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。長波通信主要用于對潛艇通信、遠洋通信、地下通信及導航等。其通信方式主要是人工報和低速印字報，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)的變化對長波傳播的影響可以忽略。在通信距離小于300km時，到達接收點的電波，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，電離層對長波的吸收也不大，因而長波的傳播比較穩(wěn)定。物理學告訴我們，電磁波在水中有著不同于空氣中的傳播特性。海水對電磁波能量的吸收作用很強，但對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，能夠進入幾十米至幾百米的水中。

二、長波通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

美國為解決“北極星”彈道導彈核潛艇的大深度通信問題，1958年首先提出用超長波進行通信的設想，并進行了長期的研究試驗。美國的超長波電臺于 1986 年建成并投入使用。該電臺由兩部分組成，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工作。其天線總長 135 公里，發(fā)信機共 8 部，一半工作，一半備用，總功率 5. 28 兆瓦；通信速率極低，一般只能用預先約定意義的幾個字母的組合進行信號通信，3個字組組合的信號約需 15 分鐘；7000～8000 公里范圍內發(fā)在能保證對水下 1 00 余米的潛艇進行通信。雖然超長波通信的速率較低，但科學技術正不斷推進著通信技術的變革。

第一次世界大戰(zhàn)顯著地表明了軍事電訊技術進行聯(lián)絡和指揮的優(yōu)越性。軍事電訊機動、快速、遠距的特點有效地保障了指揮系統(tǒng)與作戰(zhàn)部隊及友鄰部隊之間的聯(lián)系暢通，而且它還能收聽本部和敵方大功率電臺發(fā)出的各種信息，這在當時缺乏更多形式的通信手段的情況下，在戰(zhàn)報、文書以及報紙傳遞不能及時到達的情況下，無疑具有重要意義；第二次世界大戰(zhàn)中，因對潛艇通信的需要，而又重視發(fā)展長波通信。隨著導彈、核武器的發(fā)展，導致越來越多的軍事設施轉入地下，長波地下通信將是保障地下指揮所和坑道間應急通信的重要手段。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。甚長波電臺由發(fā)射機、天線系統(tǒng)、供電設備等組成，主要用于對潛艇和遠洋水面艦艇發(fā)信，是指揮潛艇最重要的通信設備。甚長波電臺的規(guī)模都較龐大，其發(fā)射機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)時是敵方打擊的重要目標。為此，有的國家建造了車載或機載通信用甚長波電臺，其天線分別用氣球升舉或飛機拖拽，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)退匐妶蟛荒芡ㄔ?。此外，發(fā)信機及天線龐大，效率低，要實現(xiàn)全球通信，需建兆瓦級的大功率發(fā)信機和巨大的天線，投資大，運行費用高。由于甚長波的入海深度不能滿足潛艇作戰(zhàn)行動的要求，人們又積極開發(fā)波長更長的超長波通信拓展。實踐表明，電訊技術使軍隊的通信產生了一個“質”的飛躍，大大提高了軍隊的整體作戰(zhàn)能力；

三、長波通信技術發(fā)展趨勢

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、波長可調范圍為8-12μm、可在室溫下工作的量子級聯(lián)激光器（QCL）作為光源，探測器采用室溫HgCdZnTe，平均傳輸速率達155Mb/s（最大可達1Gb/s）。2008年，美國西北大學Andrew Hood等人通過分析比較當前的超晶格探測器和量子級聯(lián)激光器，認為研制可供實際應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，而且認為8-14μm長波紅外系統(tǒng)將可取代當前的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表現(xiàn)出了極大的技術優(yōu)勢，8-14μm長波紅外無線激光通信技術已成為下一代無線激光通信技術發(fā)展的趨勢。

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”計劃能使美國海軍的潛艇利用空中的藍綠激光實現(xiàn)雙向通信；美國雷神公司的“深海女妖”（Deep Siren）項目制造了消耗型的尋呼浮標，它們能把衛(wèi)星信號轉化成聲學信號傳遞給海底的潛艇，但這種傳遞只能是單向的。另外，美軍的高頻主動極光研究項目（High Frequency Active Auroral Research Program，簡稱HAARP）也是其中的佼佼者，它嘗試利用大氣層作為天線的替代品，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， “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)絡連結起來，首次實現(xiàn)潛艇與陸空的雙向通信交流。

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