水平舰艇的激光通信技术
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发布时间：2022-08-16 09:29
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时间：2023-10-03 09:20
海战发展到今天，水面舰艇对通信的要求越来越高，特别是在高度对抗的电磁环境下，保持高数据率和抗干扰的不间断通信将是决定战争胜负的重要砝码，传统的短波、超短波通信由于频率较低，信号传输指向性差，在无法满足大数据传输速率的情况下又很容易被敌军所截获进行干扰甚至窃听，因此一种新的水平舰艇通信技术开始呼之欲出——这就是激光通信技术。
激光首先是一种人造光。对比普通光源，其主要特点是可以发射相干光束，也就说每条光线其可以保持一致的频率、传播方向和固定的相位差，这种特性使得其很容易被识别出来。而自然光往往是点光源的原子在时间和空间上的随机发射，因此在时间和空间上完全随机，也就无法携带特征信号。在实践中，一般使用Nd：YAG激光器作为光源。
激光通信技术将海军单位更紧密的连在一起，使作战效能大大增加
激光其次是一种电磁波。其波长一般在为微米到纳米级，在这样短的波长下，其震动频率非常高，因此在同样的时间内，就可以对更多的周期进行相位、频率和振幅进行编码，而这些编码正是代表着通信信息，因此其通信速率甚至可以比超短波快10万倍以上，而试验也证明，激光通信拥有Gbps的通信速率，即使一部高清电影，在几秒内都可以下载完毕，而超短波通信速率在Kbps数量级上。
拥有这样快的传输速度，无疑会让更大范围，更多平台的传感器和非传感器单元接入整个海军作战网络，在配合高性能计算机，完全可以实现空地天电四维态势共享，减少情报传输延迟和作战决策延迟，如果搭载在卫星上还可使千里之外的指挥部甚至通过高清视频来实时了解前方发生的动态，从而把整个作战体系更加高效的从上到下贯穿起来。那作战效能也会大大增加。
美军已经利用舰载激光发生器进行过多次通信技术试验
除了传输速率非常快之外，激光还拥有指向性高的特点，从而保证了其被截获的概率概率接近于0，如以人眼最灵敏的波长550nm的激光进行通信时，如果激光光源的孔径为0.3m，则其发散角只有0.003°，即使从1000km的激光通信卫星下射，在海面的投影也只有几米，敌人如果想截获该信号，就必须位于该通信发散角以内，这在几十万平方公里的现代海战战场中概率几乎为0。从而空间上确立了即使不进行复杂编码、调频等措施，激光通信依然非常保密。
虽然有这么多的好处，但水平舰艇运用激光通信仍然存在很大的难度。
从能量角度看。光波是一种能量，在于水平舰艇通信时其传输媒介主要是大气，但大气显然是一种不规则的物理介质，其内含有空气分子、悬浮颗粒、水蒸气等多种物质，这这些物质本身对激光有折射和反射影响，会损耗激光最终到达目的地的能量，此外这些物质针对某些特定波段的光波，吸收效率非常高。这个现象在物理上很好理解，光波传输过程中遇到与其波长在同一数量级上的物质时就会带动起进行震动，从而把一部分能量分给这些物质，因此激光通信的传输距离一直是为人所诟病的地方，特别是在云雪雾雨等复杂天气下，其通信距离甚至无法突破10km级别。因此接收机的高灵敏度是一个难点。
激光通信技术的优点很多，但要解决的难题也不少，除了能量损耗，从信号处理的角度看。接收机要接收到光波对其进行特性分析，需要与光波在频率上、角度上，极化上对准。激光通信的频率、极化方式存在水平舰艇的数据库里，一旦传感器感应到光波能量变化，就会调整接收机开始匹配，但在角度上和上正如其发散角很小的优点一样，在通信之前，发射机和接收机都不知道对方的位置，因此怎样将这个高指向性的激光信号准确传输到几米范围内的海面上是亟待解决的问题。此外接受到的信号被太阳光的随机背景噪声所干扰，也需要将其滤除，这就需要滤波器具有足够的频率挑选性能。
德国海军已经在试验舰上进行了激光通信试验
为了解决能量损耗问题，科学家们在对大气在各类天气情况下的反射、折射，吸收特性进行长期观察后进行了统计建模并输入激光发生器的数据库，从而使得激光发生器具有自适应作用，在不同的天气下使用不同的频率避开高吸收率的波段，实现了较远距离的通信。接收机则采取根据数据库模拟激光信号在各类天气下的畸变，从而实现接收、滤波及波形的重新整形。
为了解决信号处理方面的问题，最早使用的是大发散角激光，但很快发现这种办法将能量分散的极为严重，从而导致接收机根本无法接收足够的能量而失去通信功能。后来发现出了高精度的对准，捕获和跟踪技术，可以实现激光源和接收机的快速对准，具体方法则是先试用电磁波进行通信双方进行“握手”，包括身份确认，位置确认。而后激光根本这些信息迅速对准目标的精确位置进行通信传输，这种“握手”的电磁波信息通信时间极短且采取干扰干扰技术，能够保证对手无法在足够的时间内截获。
在解决了这两个问题后，激光通信重新焕发生机，美军在这方面走在了世界前列，美国海军在2006、2008年的“三叉戟勇士”和2007年圣地亚哥“海鹰”演习中，分别在驱逐舰上对该技术进行了验证，试验表明，通过以上技术，舰艇之间可以实现在20公里左右稳定激光通信，传输速率接近1Gbps。2014年美国航天局进行了一次名为“激光通信科学光学载荷”（OPALS）的技术验证，成功的将一段高清视频从国际空间站传回地面，一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少10分钟。
一款已经投入使用的激光数据链设备，激光通信在海陆空各军种均有非常广阔的应用前景
而德国的卡·尔蔡公司也不甘落后，特别是在蓝绿波段的对潜激光通信方面建树尤深，先后研发成功了固定式短程激光设备，中程激光通信设备，机动设备组网激光通信的典型系统，实现了20公里左右的1Gbps的通信传输。
而我国科学家在2011年10月25日，首次在海洋二号卫星上进行了星地激光链路试验，取得了*成功。负责这一技术研发的哈尔滨工业大学马晶、谭立英团队在2015年获得国家科技成果一等奖。
更多精彩！欢迎关注“科普中国-军事科技前沿”官方微信（jskjqy）。
本作品为“科普中国-军事科技前沿”原创 转载时务请注明出处
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海战发展到今天，水面舰艇对通信的要求越来越高，特别是在高度对抗的电磁环境下，保持高数据率和抗干扰的不间断通信将是决定战争胜负的重要砝码，传统的短波、超短波通信由于频率较低，信号传输指向性差，在无法满足大数据传输速率的情况下又很容易被敌军所截获进行干扰甚至窃听，因此一种新的水平舰艇通信技术开始呼之欲出——这就是激光通信技术。
激光首先是一种人造光。对比普通光源，其主要特点是可以发射相干光束，也就说每条光线其可以保持一致的频率、传播方向和固定的相位差，这种特性使得其很容易被识别出来。而自然光往往是点光源的原子在时间和空间上的随机发射，因此在时间和空间上完全随机，也就无法携带特征信号。在实践中，一般使用Nd：YAG激光器作为光源。
激光通信技术将海军单位更紧密的连在一起，使作战效能大大增加
激光其次是一种电磁波。其波长一般在为微米到纳米级，在这样短的波长下，其震动频率非常高，因此在同样的时间内，就可以对更多的周期进行相位、频率和振幅进行编码，而这些编码正是代表着通信信息，因此其通信速率甚至可以比超短波快10万倍以上，而试验也证明，激光通信拥有Gbps的通信速率，即使一部高清电影，在几秒内都可以下载完毕，而超短波通信速率在Kbps数量级上。
拥有这样快的传输速度，无疑会让更大范围，更多平台的传感器和非传感器单元接入整个海军作战网络，在配合高性能计算机，完全可以实现空地天电四维态势共享，减少情报传输延迟和作战决策延迟，如果搭载在卫星上还可使千里之外的指挥部甚至通过高清视频来实时了解前方发生的动态，从而把整个作战体系更加高效的从上到下贯穿起来。那作战效能也会大大增加。
美军已经利用舰载激光发生器进行过多次通信技术试验
除了传输速率非常快之外，激光还拥有指向性高的特点，从而保证了其被截获的概率概率接近于0，如以人眼最灵敏的波长550nm的激光进行通信时，如果激光光源的孔径为0.3m，则其发散角只有0.003°，即使从1000km的激光通信卫星下射，在海面的投影也只有几米，敌人如果想截获该信号，就必须位于该通信发散角以内，这在几十万平方公里的现代海战战场中概率几乎为0。从而空间上确立了即使不进行复杂编码、调频等措施，激光通信依然非常保密。
虽然有这么多的好处，但水平舰艇运用激光通信仍然存在很大的难度。
从能量角度看。光波是一种能量，在于水平舰艇通信时其传输媒介主要是大气，但大气显然是一种不规则的物理介质，其内含有空气分子、悬浮颗粒、水蒸气等多种物质，这这些物质本身对激光有折射和反射影响，会损耗激光最终到达目的地的能量，此外这些物质针对某些特定波段的光波，吸收效率非常高。这个现象在物理上很好理解，光波传输过程中遇到与其波长在同一数量级上的物质时就会带动起进行震动，从而把一部分能量分给这些物质，因此激光通信的传输距离一直是为人所诟病的地方，特别是在云雪雾雨等复杂天气下，其通信距离甚至无法突破10km级别。因此接收机的高灵敏度是一个难点。
激光通信技术的优点很多，但要解决的难题也不少，除了能量损耗，从信号处理的角度看。接收机要接收到光波对其进行特性分析，需要与光波在频率上、角度上，极化上对准。激光通信的频率、极化方式存在水平舰艇的数据库里，一旦传感器感应到光波能量变化，就会调整接收机开始匹配，但在角度上和上正如其发散角很小的优点一样，在通信之前，发射机和接收机都不知道对方的位置，因此怎样将这个高指向性的激光信号准确传输到几米范围内的海面上是亟待解决的问题。此外接受到的信号被太阳光的随机背景噪声所干扰，也需要将其滤除，这就需要滤波器具有足够的频率挑选性能。
德国海军已经在试验舰上进行了激光通信试验
为了解决能量损耗问题，科学家们在对大气在各类天气情况下的反射、折射，吸收特性进行长期观察后进行了统计建模并输入激光发生器的数据库，从而使得激光发生器具有自适应作用，在不同的天气下使用不同的频率避开高吸收率的波段，实现了较远距离的通信。接收机则采取根据数据库模拟激光信号在各类天气下的畸变，从而实现接收、滤波及波形的重新整形。
为了解决信号处理方面的问题，最早使用的是大发散角激光，但很快发现这种办法将能量分散的极为严重，从而导致接收机根本无法接收足够的能量而失去通信功能。后来发现出了高精度的对准，捕获和跟踪技术，可以实现激光源和接收机的快速对准，具体方法则是先试用电磁波进行通信双方进行“握手”，包括身份确认，位置确认。而后激光根本这些信息迅速对准目标的精确位置进行通信传输，这种“握手”的电磁波信息通信时间极短且采取干扰干扰技术，能够保证对手无法在足够的时间内截获。
在解决了这两个问题后，激光通信重新焕发生机，美军在这方面走在了世界前列，美国海军在2006、2008年的“三叉戟勇士”和2007年圣地亚哥“海鹰”演习中，分别在驱逐舰上对该技术进行了验证，试验表明，通过以上技术，舰艇之间可以实现在20公里左右稳定激光通信，传输速率接近1Gbps。2014年美国航天局进行了一次名为“激光通信科学光学载荷”（OPALS）的技术验证，成功的将一段高清视频从国际空间站传回地面，一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少10分钟。
一款已经投入使用的激光数据链设备，激光通信在海陆空各军种均有非常广阔的应用前景
而德国的卡·尔蔡公司也不甘落后，特别是在蓝绿波段的对潜激光通信方面建树尤深，先后研发成功了固定式短程激光设备，中程激光通信设备，机动设备组网激光通信的典型系统，实现了20公里左右的1Gbps的通信传输。
而我国科学家在2011年10月25日，首次在海洋二号卫星上进行了星地激光链路试验，取得了*成功。负责这一技术研发的哈尔滨工业大学马晶、谭立英团队在2015年获得国家科技成果一等奖。
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时间：2023-10-03 09:20
海战发展到今天，水面舰艇对通信的要求越来越高，特别是在高度对抗的电磁环境下，保持高数据率和抗干扰的不间断通信将是决定战争胜负的重要砝码，传统的短波、超短波通信由于频率较低，信号传输指向性差，在无法满足大数据传输速率的情况下又很容易被敌军所截获进行干扰甚至窃听，因此一种新的水平舰艇通信技术开始呼之欲出——这就是激光通信技术。
激光首先是一种人造光。对比普通光源，其主要特点是可以发射相干光束，也就说每条光线其可以保持一致的频率、传播方向和固定的相位差，这种特性使得其很容易被识别出来。而自然光往往是点光源的原子在时间和空间上的随机发射，因此在时间和空间上完全随机，也就无法携带特征信号。在实践中，一般使用Nd：YAG激光器作为光源。
激光通信技术将海军单位更紧密的连在一起，使作战效能大大增加
激光其次是一种电磁波。其波长一般在为微米到纳米级，在这样短的波长下，其震动频率非常高，因此在同样的时间内，就可以对更多的周期进行相位、频率和振幅进行编码，而这些编码正是代表着通信信息，因此其通信速率甚至可以比超短波快10万倍以上，而试验也证明，激光通信拥有Gbps的通信速率，即使一部高清电影，在几秒内都可以下载完毕，而超短波通信速率在Kbps数量级上。
拥有这样快的传输速度，无疑会让更大范围，更多平台的传感器和非传感器单元接入整个海军作战网络，在配合高性能计算机，完全可以实现空地天电四维态势共享，减少情报传输延迟和作战决策延迟，如果搭载在卫星上还可使千里之外的指挥部甚至通过高清视频来实时了解前方发生的动态，从而把整个作战体系更加高效的从上到下贯穿起来。那作战效能也会大大增加。
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除了传输速率非常快之外，激光还拥有指向性高的特点，从而保证了其被截获的概率概率接近于0，如以人眼最灵敏的波长550nm的激光进行通信时，如果激光光源的孔径为0.3m，则其发散角只有0.003°，即使从1000km的激光通信卫星下射，在海面的投影也只有几米，敌人如果想截获该信号，就必须位于该通信发散角以内，这在几十万平方公里的现代海战战场中概率几乎为0。从而空间上确立了即使不进行复杂编码、调频等措施，激光通信依然非常保密。
虽然有这么多的好处，但水平舰艇运用激光通信仍然存在很大的难度。
从能量角度看。光波是一种能量，在于水平舰艇通信时其传输媒介主要是大气，但大气显然是一种不规则的物理介质，其内含有空气分子、悬浮颗粒、水蒸气等多种物质，这这些物质本身对激光有折射和反射影响，会损耗激光最终到达目的地的能量，此外这些物质针对某些特定波段的光波，吸收效率非常高。这个现象在物理上很好理解，光波传输过程中遇到与其波长在同一数量级上的物质时就会带动起进行震动，从而把一部分能量分给这些物质，因此激光通信的传输距离一直是为人所诟病的地方，特别是在云雪雾雨等复杂天气下，其通信距离甚至无法突破10km级别。因此接收机的高灵敏度是一个难点。
激光通信技术的优点很多，但要解决的难题也不少，除了能量损耗，从信号处理的角度看。接收机要接收到光波对其进行特性分析，需要与光波在频率上、角度上，极化上对准。激光通信的频率、极化方式存在水平舰艇的数据库里，一旦传感器感应到光波能量变化，就会调整接收机开始匹配，但在角度上和上正如其发散角很小的优点一样，在通信之前，发射机和接收机都不知道对方的位置，因此怎样将这个高指向性的激光信号准确传输到几米范围内的海面上是亟待解决的问题。此外接受到的信号被太阳光的随机背景噪声所干扰，也需要将其滤除，这就需要滤波器具有足够的频率挑选性能。
德国海军已经在试验舰上进行了激光通信试验
为了解决能量损耗问题，科学家们在对大气在各类天气情况下的反射、折射，吸收特性进行长期观察后进行了统计建模并输入激光发生器的数据库，从而使得激光发生器具有自适应作用，在不同的天气下使用不同的频率避开高吸收率的波段，实现了较远距离的通信。接收机则采取根据数据库模拟激光信号在各类天气下的畸变，从而实现接收、滤波及波形的重新整形。
为了解决信号处理方面的问题，最早使用的是大发散角激光，但很快发现这种办法将能量分散的极为严重，从而导致接收机根本无法接收足够的能量而失去通信功能。后来发现出了高精度的对准，捕获和跟踪技术，可以实现激光源和接收机的快速对准，具体方法则是先试用电磁波进行通信双方进行“握手”，包括身份确认，位置确认。而后激光根本这些信息迅速对准目标的精确位置进行通信传输，这种“握手”的电磁波信息通信时间极短且采取干扰干扰技术，能够保证对手无法在足够的时间内截获。
在解决了这两个问题后，激光通信重新焕发生机，美军在这方面走在了世界前列，美国海军在2006、2008年的“三叉戟勇士”和2007年圣地亚哥“海鹰”演习中，分别在驱逐舰上对该技术进行了验证，试验表明，通过以上技术，舰艇之间可以实现在20公里左右稳定激光通信，传输速率接近1Gbps。2014年美国航天局进行了一次名为“激光通信科学光学载荷”（OPALS）的技术验证，成功的将一段高清视频从国际空间站传回地面，一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少10分钟。
一款已经投入使用的激光数据链设备，激光通信在海陆空各军种均有非常广阔的应用前景
而德国的卡·尔蔡公司也不甘落后，特别是在蓝绿波段的对潜激光通信方面建树尤深，先后研发成功了固定式短程激光设备，中程激光通信设备，机动设备组网激光通信的典型系统，实现了20公里左右的1Gbps的通信传输。
而我国科学家在2011年10月25日，首次在海洋二号卫星上进行了星地激光链路试验，取得了*成功。负责这一技术研发的哈尔滨工业大学马晶、谭立英团队在2015年获得国家科技成果一等奖。
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