长波的发展前景

贝学双　陈开选

【摘 要】随着导弹、核武器的发展，导致越来越多的军事设施转入地下，长波地下通信将是保障地下指挥所和坑道间应急通信的重要手段。本文阐述了长波通信技术发展现状及发展趋势。

【关键词】长波通信；分类特点；发展现状；未来趋势

长波通信（long-wave communication）是由沿地球表面的地波传播，也可在地面与高空电离层之间传播，通信距离可达数千里，波长越长，传输哀减越小，穿透海水和土壤的能力也越强，但相应的大气躁声也越大。多用于海上通信，水下通信、地下通信和导航等；由于传播稳定，受太阳耀斑或核爆炸引起的电离层骚扰的影响小，也可用作防电离层骚扰的备用通信手段。

一、长波通信的分类及特点

长波通信是利用波长长于1000米（频率低于300KHz）的电磁波进行的无线电通信，它可细分为：在长波（波长10——1000米、甚长波（100km一10km），超长波（10000km一1000km）和极长波（1一16万公里）波段的通信。甚长波通信。亦称甚低频通信。甚长波 （VLF）指波长范围为100～10公里（频率为3～30千赫）的电磁波，但通常使用的是10～30千赫频段。它主要靠大地与低电离层间形成的波导进行传播。波长越长则衰减越小，穿透海水或土壤的能力也越强，但同时大气噪声也越大。由于波长远大于天线几何尺寸，天线辐射电阻很小，容抗很大。为了匹配，天线一般都加很大的顶负载以减小容抗，致使天线庞大。为了调谐，回路中还要串联电感电容、电感和电阻形成高Q 值谐振回路。因此，甚长波通信的特点是系统庞大、Q 值高、回路电压很高、通带较窄（低端往往只有几十赫）、通信速率低，发射机功率一般从十几千瓦到数兆瓦。甚长波传播稳定，受太阳射电爆发或核爆炸等引起的电离层骚扰的影响较小，适用于远距离水下通信、防电离层骚扰的备用通信和地下通信等。

超长波通信。亦称超低频通信，超长波（SLF）指波长范围为10000～1000公里（频率为30～300赫）的电磁波，传播十分稳定，在海水中的传播衰减约为甚长波的十分之一（频率为75赫时，衰减约为0.3分贝/米），因而对海水穿透能力很强，可深达100米或更多，主要用于海岸对深潜潜艇（如战略导弹潜艇）的远距离指挥通信。超长波的波长为1万到10万米，它能从空中钻入水里，在水中的衰耗比较小，穿透海水的深度最大可达30米，使水下的潜艇接收到岸上发来的电波。极长波的波长大于10万米，几乎可以在全球范围内实现对潜通信，穿透水层的深度达200米以上，即使在最大距离上也可达到水下80米左右。由于超长波通信的工作频率极低，波长长达数兆米，天线主要采用长达数万米的两端接地的埋地导线，选用电导率极低的地区作为发射场地，其集肤深度很深，形成等效环形天线。尽管如此，天线效率仍然很低，发射机功率在数兆瓦情况下辐射功率也只有几瓦。采用最小移频键控（MSK）和卷积编码技术，用计算机进行信号处理，可以在低信噪比下接收。在一定范围内，长波通信以地波传播为主，当通信距离大于地波的最大传播距离时，则靠天波来传播信号。长波通信的优点是：通信距离远，能透入岩层、海水一定的深度，受太阳耀斑和核爆炸的影响小，通信比较稳定可靠。

电磁波的特性。就是波长越长，越容易绕开障碍物，传播距离越远，在传输过程中功率损耗越少，但是波还有一个特性，那就是波长越短频率越高，所能承载的信息量越大，反之则越小——就是信息传播的越远，那它传递得就越慢，所以，舰艇，飞机和地面与水下潜艇进行无线电通讯一般使用超长波，电磁波沿地球表面和高度为70～80公里的电离层所构成的两个同心反射层之间传播，然后垂直透入海水，潜艇可在水面以下30米深处收到这种电磁波。为了达到更大深度，潜航于120米深的核潜艇用300米长的拖曳接收天线，能顺利地收到4600公里远的极长波指令。潜艇之间，则只能通过以上方式间接通讯。由于超长波信道很窄，所以通信速率很低，发送一组3个字母的信号约需15分钟。只适用于岸台对潜艇的单向通信。但可靠性好，不受核爆炸影响，主要用于从本土与游弋在世界各大洋的战略核潜艇的通讯联络。长波通信主要用于对潜艇通信、远洋通信、地下通信及导航等。其通信方式主要是人工报和低速印字报，频段高端也可通单边带话。由于长波的波长很长，地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略。在通信距离小于300km时，到达接收点的电波，基本上是表面波。长波穿入电离层的深度很浅，受电离层变化的影响很小，电离层对长波的吸收也不大，因而长波的传播比较稳定。物理学告诉我们，电磁波在水中有着不同于空气中的传播特性。海水对电磁波能量的吸收作用很强，但对于不同波长的电磁波又有所不同。波长越短、频率越高，在海水中的衰减就越厉害。因此，短波在水中的衰减是很快的，几乎无法穿过海水传播，而波长更长的长波、甚长波、超长波在海水中的衰减程度就要小得多，能够进入几十米至几百米的水中。

二、长波通信技术发展现状

美国为解决“北极星”弹道导弹核潜艇的大深度通信问题，1958年首先提出用超长波进行通信的设想，并进行了长期的研究试验。美国的超长波电台于 1986 年建成并投入使用。该电台由两部分组成，一部分位于威斯康星州，另一部分位于密执安州，两地相距 258 公里，两部分可以联合工作亦可以分别单独工作。其天线总长 135 公里，发信机共 8 部，一半工作，一半备用，总功率 5. 28 兆瓦；通信速率极低，一般只能用预先约定意义的几个字母的组合进行信号通信，3个字组组合的信号约需 15 分钟；7000～8000 公里范围内发在能保证对水下 1 00 余米的潜艇进行通信。虽然超长波通信的速率较低，但科学技术正不断推进着通信技术的变革。

第一次世界大战显著地表明了军事电讯技术进行联络和指挥的优越性。军事电讯机动、快速、远距的特点有效地保障了指挥系统与作战部队及友邻部队之间的联系畅通，而且它还能收听本部和敌方大功率电台发出的各种信息，这在当时缺乏更多形式的通信手段的情况下，在战报、文书以及报纸传递不能及时到达的情况下，无疑具有重要意义；第二次世界大战中，因对潜艇通信的需要，而又重视发展长波通信。随着导弹、核武器的发展，导致越来越多的军事设施转入地下，长波地下通信将是保障地下指挥所和坑道间应急通信的重要手段。甚长波通信在海军中得到了很大发展。世界上许多国家建有甚长波电台。甚长波电台由发射机、天线系统、供电设备等组成，主要用于对潜艇和远洋水面舰艇发信，是指挥潜艇最重要的通信设备。甚长波电台的规模都较庞大，其发射机输出功率小者十几千瓦，大者数兆瓦，天线高度多在200米以上，天线场地占地面积一般为数平方公里。其天线系统抗毁能力较差，在战时是敌方打击的重要目标。为此，有的国家建造了车载或机载通信用甚长波电台，其天线分别用气球升举或飞机拖拽，以取得较好的通信效果。甚长波通信传输衰减小，稳定可靠，但是通信的频带较窄，只能传输低速电报不能通话。此外，发信机及天线庞大，效率低，要实现全球通信，需建兆瓦级的大功率发信机和巨大的天线，投资大，运行费用高。由于甚长波的入海深度不能满足潜艇作战行动的要求，人们又积极开发波长更长的超长波通信拓展。实践表明，电讯技术使军队的通信产生了一个“质”的飞跃，大大提高了军队的整体作战能力；

三、长波通信技术发展趋势

美国圣地亚哥Maxima Corporation的Andrew Pavelchek等人在2004年建立了初步的长波红外无线激光系统，采用功率为180mW、波长可调范围为8-12μm、可在室温下工作的量子级联激光器（QCL）作为光源，探测器采用室温HgCdZnTe，平均传输速率达155Mb/s（最大可达1Gb/s）。2008年，美国西北大学Andrew Hood等人通过分析比较当前的超晶格探测器和量子级联激光器，认为研制可供实际应用的新型长波红外无线激光通信系统的条件已基本满足，而且认为8-14μm长波红外系统将可取代当前的0.8-1.55μm波段近红外系统，新型8-14μm长波红外无线激光通信技术表现出了极大的技术优势，8-14μm长波红外无线激光通信技术已成为下一代无线激光通信技术发展的趋势。

近年来各国军方争相研发深海通信系统，为此，提供的新技术也大大提高了潜艇的信息传输能力。比如，英国奎奈蒂克（QinetiQ）公司的“深海”计划能使美国海军的潜艇利用空中的蓝绿激光实现双向通信；美国雷神公司的“深海女妖”（Deep Siren）项目制造了消耗型的寻呼浮标，它们能把卫星信号转化成声学信号传递给海底的潜艇，但这种传递只能是单向的。另外，美军的高频主动极光研究项目（High Frequency Active Auroral Research Program，简称HAARP）也是其中的佼佼者，它尝试利用大气层作为天线的替代品，从阿拉斯加发射出的大功率高频电磁波束能激活地球的电离层，使它产生极端低频的波束，这种波束能穿过盐水折射到海底深处为潜艇所接收。美国海军积极发展海底通信技术， “深海快速通信系统”（Communications at Speed and Depth，简称CSD）将把深藏海底的核潜艇与美国国防部的全球信息网络连结起来，首次实现潜艇与陆空的双向通信交流。

参考文献：

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[2] 郭蓉.现代通信技术分析及展望[J].科技信息（学术版），2008，（34）.

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