蓝绿激光在对潜通信技术上的应用.doc

蓝绿激光在对潜通信技术上的应用蓝绿激光通信具有渗透海水较深,传输速率高、信息容量大、隐蔽性好、不影响潜艇的机动性、实时性强等特点,是未来对潜通信的发展方向。利用蓝绿激光进行对潜通信拥有比传统通信手段优越得多的潜在特性。激光对潜通信按激光器载体可分为星载激光通信系统和机载激光通信系统。星载系统可覆盖全球范围,比较适合对战略导弹核潜艇的通信,机载系统则对战术潜艇更为有效。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沉底雷的报道。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。1963年，SASullian及SQDimfley等人在研究光波在海洋中的传播特性时，发现海水对045055m波段内的蓝绿光的衰减比对其他光波段的衰减要小很多，衰减系数约等于10dBm，证实在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗VIJ。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、澳大利亚等国投人了大批人力、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概念验证与试验研制，并在一些重点应用方向上，取得了突破。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。蓝绿激光在海军装备中的应用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0.450.55微米波段内的蓝绿光的衰减比对其他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。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19631967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19901991年海湾战争期间, 美国海军将命名为“魔灯”的ML30型蓝绿激光探测系统装在“弗里兰”号护卫舰上的SH2F“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ML30更先进的ML90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”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沉船、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 。 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沉底雷的报道。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