2.4 光通信的軍事應(yīng)用及發(fā)展趨勢

2.4.1 光通信的軍事應(yīng)用

光通信為現(xiàn)代軍事通信提供了保密性好、生存能力強(qiáng)的戰(zhàn)場通信鏈路，且其體積小、重量輕、寬帶大的特點也大大提高了軍事通信的機(jī)動性和靈活性。

1．光纖通信系統(tǒng)在軍事中的應(yīng)用

概括來講，光纖通信系統(tǒng)在軍事中的應(yīng)用可以包含3個方面，分別是光纖通信在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用、艦載光纖通信系統(tǒng)和機(jī)載光纖通信系統(tǒng)。

（1）光纖通信在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

美國陸軍戰(zhàn)術(shù)C3I系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)主要采用了有線通信和無線通信兩種方式，光纖通信系統(tǒng)由于其優(yōu)點突出，已在有線通信方式中起著重要作用，主要的應(yīng)用形式有局域網(wǎng)（LAN）系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)和短距離本地分配系統(tǒng)等。

表2-3給出了光纜系統(tǒng)與CX-11230同軸電纜系統(tǒng)性能的比較。從表中所列數(shù)據(jù)可以看出，在同等傳輸距離和傳輸速率的情況下，在中繼器數(shù)、系統(tǒng)造價和重量方面光纜系統(tǒng)都明顯優(yōu)于同軸電纜系統(tǒng)。

（2）艦載光纖通信系統(tǒng)

現(xiàn)代艦船（如航空母艦）裝備了大量的雷達(dá)、導(dǎo)航、傳感器系統(tǒng)及武器指揮系統(tǒng)等電子設(shè)備，雖然使艦船的現(xiàn)代化程度越來越高，但大量電子設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，限制了通信系統(tǒng)的布置空間，而且在運(yùn)行時帶來的電磁干擾、射頻干擾等問題，嚴(yán)重影響到艦船內(nèi)部各系統(tǒng)之間的通信質(zhì)量。

目前，艦載光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛而重要的應(yīng)用，其中以美國的水平最為先進(jìn)。圖2-26所示為安裝在尼米茲艦上的雷達(dá)光纖傳輸系統(tǒng)示意圖。

（3）機(jī)載光纖通信系統(tǒng)

光纖通信技術(shù)給飛機(jī)帶來的好處，最突出的是光纖系統(tǒng)的體積小、重量輕、寬帶大和抗電磁干擾能力。機(jī)載光纖通信系統(tǒng)在近10年來發(fā)展迅速，以不同的具體形式在飛機(jī)的通信系統(tǒng)中得到重要應(yīng)用。

機(jī)載航空電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-27所示。它能把火控系統(tǒng)、通信、導(dǎo)航和敵我識別系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)，以及飛行控制系統(tǒng)等綜合到一起進(jìn)行統(tǒng)一管理和綜合控制，并且承擔(dān)監(jiān)控飛機(jī)上電源系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、燃油系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的任務(wù)。

2．自由空間光通信在軍事中的應(yīng)用

空間光通信有著保密性能好、傳輸速率高、安裝架設(shè)快捷的優(yōu)點，但同時存在著通信距離近、受天氣影響大的缺點，這些特點決定了其應(yīng)用范圍有一定的限制。綜合考慮，空間光通信在軍事中的應(yīng)用主要有以下幾個方面。

（1）短距離無線光通信

近地大氣光通信系統(tǒng)可以架設(shè)在邊防哨樓或兩個高地之間，實現(xiàn)邊防觀察警戒通信；也可以架設(shè)在海岸、島嶼或艦船上實現(xiàn)跨江、跨海的短距離無線通信。根據(jù)采用波長的不同，短距離無線光通信一般可以分為紅外空間光通信和紫外空間光通信。

①紅外光通信一般采用紅外波長的激光器，是一種視距（Line Of Sight，LOS）光通信系統(tǒng)。通常應(yīng)用在相對固定且能通視的場合，如建筑物之間、海島與大陸之間、高地之間等。我國的邊防線很長且沿海島嶼眾多，駐島部隊與岸上部隊進(jìn)行通信是不可能架設(shè)有線線路的，這時在島嶼與海岸上分別架設(shè)固定式紅外光通信系統(tǒng)，就可進(jìn)行高速保密通信。

②紫外光通信是利用空氣粒子的強(qiáng)散射來實現(xiàn)收發(fā)信機(jī)之間信息傳輸?shù)囊环N非視距（Non-Line Of Sight，NLOS）通信系統(tǒng)。紫外光200～280nm波段在近地區(qū)域受太陽輻射影響小，被稱為“日盲區(qū)”；同時該波段由于波長較小，空氣中的懸浮粒子對其散射較強(qiáng)，可以在有障礙和不對準(zhǔn)情況下實現(xiàn)通信，近年來在國內(nèi)外受到了軍事通信研究的廣泛關(guān)注。

（2）衛(wèi)星光通信

衛(wèi)星光通信技術(shù)是一種新的衛(wèi)星大容量通信技術(shù)，近年來得到了快速發(fā)展。利用光波段來進(jìn)行空間衛(wèi)星通信，經(jīng)過多年探索已取得突破性進(jìn)展。衛(wèi)星光通信技術(shù)利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)激光信號，從而實現(xiàn)在多個衛(wèi)星之間及衛(wèi)星與地面設(shè)備之間的通信。圖2-28所示為衛(wèi)星光通信的常用分類。

與傳統(tǒng)的微波通信相比，星間激光通信具有以下明顯優(yōu)勢。

①光載波頻率高，因而其可用頻帶極寬、潛在的通信容量巨大。

②激光通信系統(tǒng)中所用的半導(dǎo)體光源功耗小、轉(zhuǎn)換效率高，因而對電源要求低。同時由于光波波長短，收發(fā)天線尺寸小、重量輕，可以大幅減輕衛(wèi)星重量、提高其有效載荷，降低其費(fèi)效比。

③用作信息載體的激光光束發(fā)散角極小，不易被截獲，因而用于軍事通信具有極好的保密性。

④激光束不受射頻電磁場的干擾，其抗干擾能力是毋庸置疑的，同時還可抗擊高能電磁脈沖武器的攻擊，提高了衛(wèi)星的生存能力。

正是因為衛(wèi)星激光通信具有上述優(yōu)勢，所以很多發(fā)達(dá)國家都在投入巨資競相進(jìn)行衛(wèi)星光通信技術(shù)的研究。

美國是最早開展衛(wèi)星光通信研究的國家。最主要的研究部門有美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和美國空軍（United States Air Force，USAF），NASA的JPL實驗室早在20世紀(jì)70年代就一直進(jìn)行衛(wèi)星激光通信的研究工作。歐洲是衛(wèi)星光通信研究領(lǐng)域的另外一支重要研究力量，他們以歐洲航天局（European Space Agency，ESA）為核心整合了大部分主要?dú)W洲國家的資源，先后研制了以不同星間鏈路為背景的一系列衛(wèi)星光通信終端。日本是從20世紀(jì)80年代中期，才開始衛(wèi)星光通信的研究工作，主要的研究單位是郵政省的通信研究室（CRL）、宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）和高級長途通信研究所（ATR）的光學(xué)及無線電通信研究室。

中國在20世紀(jì)90年代初才開始了衛(wèi)星光通信技術(shù)研究，起步較晚，但發(fā)展速度快。在國家的大力支持下，僅用十多年時間就取得了突出的成果。截至2017年，我國已完成高軌衛(wèi)星-地面間實驗和高軌衛(wèi)星-低軌衛(wèi)星間實驗，激光通信技術(shù)進(jìn)入了高速衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用階段。到2020年，我國的衛(wèi)星光通信技術(shù)將成為衛(wèi)星高速通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵手段之一，我國在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域也將達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

（3）藍(lán)綠激光對潛通信

藍(lán)綠激光對潛通信是指在海水低損耗窗口波長上的藍(lán)綠激光，通過衛(wèi)星或飛機(jī)與深水中潛行潛艇的通信，也包括水面艦只與潛艇之間的通信。一般來說，藍(lán)綠激光對潛通信系統(tǒng)可分為陸基、天基和空基3種方案。

①陸基系統(tǒng)。陸基系統(tǒng)由陸上基地臺發(fā)出強(qiáng)脈沖激光束，由空間軌道上的衛(wèi)星擔(dān)任反射任務(wù)，將激光束反射到所需照射的海域，實現(xiàn)與水下潛艇的通信，這種通信也稱為反射鏡衛(wèi)星通信方式。

陸基系統(tǒng)工作時，可通過星載反射鏡將激光束擴(kuò)束成寬光束，實現(xiàn)一個大范圍內(nèi)的通信，也可以壓縮成窄光束，以掃描方式通信。陸基系統(tǒng)工作靈活，通信距離遠(yuǎn)，可用于全球范圍內(nèi)光束所能照射到的海域，通信速率也高，不容易被敵方截獲，安全、隱蔽性好。此外，由于激光器置于地面，更換與修理也很方便，電源限制小，因此對激光器的壽命和效率要求較低。

②天基系統(tǒng)。天基系統(tǒng)將大功率激光器置于衛(wèi)星上完成上述通信功能，也稱為激光衛(wèi)星方式。地面通過電通信系統(tǒng)對衛(wèi)星上的設(shè)備實施控制和聯(lián)絡(luò)，還可以借助一顆衛(wèi)星與另一顆衛(wèi)星的星間通信，實現(xiàn)讓位置最佳的一顆衛(wèi)星與指定海域的潛艇通信。天基方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、隱蔽性好，跟蹤掃描較容易。由于大功率激光器需要放在衛(wèi)星上，其體積、重量、功耗、壽命都受到更嚴(yán)格的限制和要求，實現(xiàn)難度更大一些。

③空基系統(tǒng)。將大功率激光器置于飛機(jī)上，當(dāng)飛機(jī)飛越預(yù)定海域時，激光束以一定形狀的波束掃描目標(biāo)海域，完成對水下潛艇的廣播式通信。例如，飛機(jī)高度為10km，以300m/s速度飛過潛艇上空，激光束在海面上掃過一條15km寬的照射帶。在飛機(jī)一次飛過潛艇上空約3s的時間內(nèi)，可完成40～80個漢字符號信息量的通信。這種方法實現(xiàn)起來較為容易，在條件成熟時，這種方法很容易升級到天基系統(tǒng)之中，其缺點是飛機(jī)的飛行易受敵方監(jiān)視，因此潛艇隱蔽性低，有可能危及戰(zhàn)略核潛艇的生存。