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潛艇如何提升戰鬥力?

潛艇發展到現在依然無法成為海戰的主角,以潛制海理論一次次的破產根本原因並不在潛艇的作戰性能不強大,而是因為潛艇在水下無法對外通信。雖然這個結論並不絕對,例如也可以用長波進行通信,但長波電台天線太過巨大,水面艦艇和飛機都無法安裝,因此水面艦艇雷達和預警機都無法將感知到的戰場態勢實時傳輸給潛艇。此外長波的能量傳輸效率太低,只能進行簡單通信,完全達不到作戰協同要求。

潛艇如何提升戰鬥力?

潛艇通信一般使用長波電台,頻率低於300KHz,通信距離遠,但信號傳輸速率太慢,只適合簡單通信,不能滿足空海協同作戰要求。

就連美軍在遂行反潛作戰時,都要求潛艇和反潛機進行嚴格的責任區劃分,以免反潛機誤傷潛艇。而潛艇在現代海戰中遇到最多的情況則是根本不知道對手在哪,只能蹲守在海里撞運氣,一旦上浮就被對方的反潛力量抓住胖揍,因此潛艇更多承擔的任務是破壞交通線而非參加海戰。

如果能有一種有效的對潛通信,那就完全不一樣了。潛艇可以利用自身隱蔽性藏在深水裡穿插到航母下方,跟蹤攻擊航母,那麼以潛制海的時代也許真要來臨了,而這種技術目前已經出現,它叫做藍綠激光通信技術!

藍綠激光通信技術原理

光是一種電磁波,因此也就具備了所有電磁波都擁有的特性,雷達波在空氣中傳播時會擁有一個窗口,例如X波段的雷達傳播距離要小於L波段的雷達,這是因為空氣里因為空氣分子運動含有大量的雜波。越靠近雜波分布中心,則信號被干擾的越厲害,也就無法傳輸更遠,這種現象叫波在信道傳輸中的衰減。在水中也有同樣的問題,大多數的光線在水中傳輸的距離極為有限,水底幾十米就變暗了。

按照波長的不同,衰減的程度也不同,特別是對於0.48μm波段的藍綠光,水體衰減只有0.001db/m,這幾乎可以忽略。經測算,這一波段的光波在海底傳播距離甚至可以達到600米深,而目前大多數潛艇作戰一般都是在30-300米的深度區間,完全可以滿足通信傳輸需求因此藍綠激光可以作為水下通信的手段。而激光也像其他電磁波一樣可以對其進行調製、編碼,攜帶數字的和模擬的信號進行通信,且因為其波長短,頻率高,傳輸速度和容量都遠大於一般的電磁波。

潛艇如何提升戰鬥力?

藍綠激光通信的實現方法

藍綠激光通信具有這麼多優點,但在具體運用時卻沒有那麼簡單。激光傳輸路徑一般是直線,而潛艇作戰區域則距離陸地較遠。在近海時,激光可以由高空無人機或者大型飛機向預定水域發射,但當潛艇行駛的過遠時,則只能採取衛星。發射方式一般採取直接發射和反射兩種,前者是利用平台直接向特定水域發射通信激光,後者則是經過數次反射到達既定區域,例如地面站向衛星發送激光,激光再利用反射鏡面對該激光進行反射,使其傳輸到特定水域實現通信。

實現藍綠激光通信的關鍵

和一般通信一樣,藍綠激光通信也是由發射機、傳輸通道、接收機三部分組成的。藍綠激光通信發展早期,科學家們一般採取Nd t YAG固體,發射波長為1.064μm,經過轉換後成為0.532μm波段適應了水下傳輸通道。80年代,準分子XeCI激光器出現,其最終可以輸出0.459μm的藍光,最佳傳輸通道對準性更好,平均功率大於20W,但因為氯氣對電路板有腐蝕且設備較大,因此機載和星載途徑難以實現。後來體積小、重量輕、高功率、長壽命的二極體泵浦固體激光器和原子共振濾光片的先後研製成功, 使得將激光器裝在衛星和飛機上成為可能,美軍的E-6水星對潛通信飛機便是實現了機載藍綠激光通信。

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激光在水中衰減雖然小,但是其要達到接收機無論如何都要經過空氣,空氣中的二氧化碳、水蒸氣、懸浮微粒和臭氧分子都會吸收其能量,造成衰減,在雲層和大氣湍流里傳播更加複雜,激光會出現多徑效應和發散。即便是在水中,發散效應和散射也是不可避免的,這就需要建立不同的數學模型,以便實時調整激光發射的角度、強度,方向、頻率等特徵以減少衰減。

最後是激光接收機,要求其要具有很高的靈敏度,在深海散射的情況下,既要能感應到微弱的激光,又要能將藍綠激光與太陽光、海底、空氣雜訊里的雜波從真正的信號里過濾出來,使用銫原子共振濾光器很好的解決了這個問題。

各國發展趨勢

除了對潛通信以外,藍綠激光通信還在反水雷和水雷戰中具有神奇的作用。反水雷作戰對海底成像是最大的難題,但藍綠激光成像的質量要遠遠優於目前普遍使用的聲吶,海灣戰爭期間使用「海妖」直升機攜帶ML-60激光探測器尋找水雷,投入四天就找到了總數達之前7個月總和的12%。此外如果把這種裝置裝在水雷上,就可以有效的操控水雷何時爆炸,而戰後則可以讓引爆它們防止誤炸自己。

美軍和蘇軍上世紀就開始了該技術的研製,現代有取得了不小進展。美軍在波音飛機改造的E-6水星就是專門控制彈道導彈核潛艇,北約在上世紀90年代也已經驗證了對潛激光通信技術的可行性,目前美軍已經有專門對潛進行通信的衛星激光搭載設備。

潛艇如何提升戰鬥力?

激光對潛通信的技術瓶頸也是十分明顯的,激光波束窄。其從近地軌道射向海面後,即使發散角可以到2°,投影面積也才幾十公里,大海茫茫,這點面積下面可不一定有潛艇,因此採取的措施都是利用傳統的長波電台聯繫粗略定位以後再使用激光通信手段精確通信。但即使是這樣,在天氣不好時也無法確保通信質量和定位精度。

我國目前對潛激光通信屬於重點建設的國防科技領域,主要由哈工大、清華、北大、電子科技大學負責研發,目前已經製作出了性能優良的激光器通信終端,相信距離真正部署運行為時不遠。

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本作品為「科普中國-軍事科技前沿」原創 轉載時務請註明出處

作者寫於2016-04-22
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