激光如何抢占通信领域的先机？

出 品：科普中国

作 者：兰顺正

策 划：宋雅娟 涂子怡

监 制：光明网科普事业部

近日，在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，通用原子电磁系统公司与美国国防部太空发展局利用SpaceX公司“猎鹰9号”商业火箭将激光互联网络通信系统（LINCS）卫星发射到指定轨道。

独树一帜的激光通信

激光作为一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征，激光通信则是利用激光来作为信息的载体。与传统的无线电通信相比，卫星激光通信具有许多独到之处：

首先激光载波频率具有数百 THz量级，比载波频率在几 GHz 到几十 GHz 范围内的传统无线电通信高 3~5 个数量级，可携带更多信息，通信速率更高。其次激光发散角小，束宽极窄且指向性好，在空间中不易被捕获。在进行激光通信时，设备必须位于狭窄的光束之内，才能接收到较为清晰的信号，因此可以利用激光进行两点之间的高度保密通信，也可以建立防拦截激光通信网络，进行多点保密通信，通信过程中不易受外界干扰，拥有更好的安全性和可靠性。同时激光波长比无线电波长小 3~5 个数量级，激光通信系统所需的收发光学天线、发射与接收部件等器件与无线电所需器件相比，尺寸小、重量轻，可满足小型化、轻量化、低功耗的要求。

激光通信是未来通信技术发展的重要方向之一

虽然激光通信也存在着一定的局限性。如与微波通信相比，激光通信的成本较高；激光在大气传输的过程中，会被雪雾和雨水大大衰减而影响通信的质量；且激光束极高的方向性也导致对设备的稳定性和精度提出很高的要求。但是总体来说，激光通信必将在军事领域以及未来空间高速数据传输方面得到广泛的应用，这已经成为国际上的共识及趋势。此前美国太空发展局局长德里克·图尔尼尔就曾说过，激光通信可以带来“高带宽、低延时、信号干扰概率低的通信网络，适用于任何平台，无论是在水面上，船上，还是在空中”。

“大国竞争”的助力

其实美国等国家在很早之前就已经率先开展卫星激光通信技术研究，如在 1968 年美国 NASA 戈达德太空飞行中心的科研人员就曾将一束激光从地面站发送至近地轨道卫星 GEOS⁃II，进行激光传输实验，分析了大气湍流对激光信号传输的影响；1985年美方又运用高精度跟瞄技术建立了稳定的激光通信链路。而在2013 年，美国月球激光通信演示验证项目成功实施，为其卫星激光通信发展奠定了深厚技术基础。

无线电通信易受到对方电子战部队的干扰

这些年美国重回“大国竞争”，因此为应对同级别的对手，美军对于通信安全的要求也骤然加强。美军认为，当前各类武器系统都依靠无线电信号通信，而这也是一些自动功能的基础，自动功能虽可以提升武器的防御力，但无线电信号很容易被“黑客入侵”。根据华盛顿的说法，俄罗斯在研制电子战系统方面取得了重大进展。五角大楼联合人工智能中心最近发布报告说：“俄罗斯军队的技术比美国更先进，而且正在迅速发展人工智能，以获得战场信息优势”。在这种情况下，激光通信就成为美军的关注重点之一。

据报道，此次是美国国防部太空发展局自2019年成立以来第一次发射卫星。激光互联网络通信系统由12颗微型 “立方卫星”（CubeSats）组成，每颗卫星载有一个C波段双波长全双工光通信终端(OCT)和一个红外（IR）有效载荷，所有部件均有原子电磁系统公司圣地亚哥生产厂设计和制造，目前已有两个卫星进入轨道开始调试运行。据分析，美国军方和通用原子公司将试图改变通信方式，欲抢在俄罗斯等国前面占得卫星激光通信的先机。通用原子电磁系统集团总裁斯科特·福尼表示，未来是光通信的天下，即将开展的实验标志着通信“进化”的开端。

军事小词典

激光通信原理：在利用激光进行通信时，技术人员需要首先将各种形式的信号转变为调制光束。在接收站，技术人员需要用激光接收装置接收调制光束，并进行解调，从而将所需信号与激光束（载波）分离，与信号强度相关的输出电流将被逐级放大，然后被输送到扬声器或其他装置。

来源： 科普中国-军事科技前沿

激光制导是怎么回事儿？它和雷达制导比有啥优缺点

激光制导，就是利用激光获得制导信息或传输制导指令，使导弹按照一定的导引规律飞向目标的制导方法。激光制导可分为激光指令制导、激光驾束制导、半主动激光制导和主动激光制导，前两种为遥控制导方式，后两种为寻的制导方式。这几种激光制导方式与相对应的雷达制导方式从制导原理上讲其实是大同小异的，比如半主动激光制导和半主动雷达制导就是一样的制导原理，都属于半主动寻的制导的一种，只不过寻的媒介从雷达微波换成了激光而已。从这一点上讲，只要理解了激光和雷达微波作为信息载体的不同物理特性，也就能基本明白激光制导与雷达制导的不同。激光是相对普通光源而言的，具有定向发光、颜色极纯、能量集中的特点，其频率范围覆盖了紫外光、可见光和红外光。由于激光的频率比微波要高得多，因此激光用于军事领域比雷达微波、无线电有很多独特的优势和特点。

美国GBU-12激光制导炸弹

激光指令制导和激光驾束制导属于遥控制导方式，激光相当于“指挥官”（后方控制系统）与“士兵”（导弹）之间的一种通信联络手段。半主动激光制导和主动激光制导则属于寻的制导方式，激光相当于为“士兵”照亮“僵尸”（目标）的那一束光。不管哪种激光制导方式，激光在其中所起的只是一个信息媒介的作用，“指挥官”仍然可以是雷达，而不是所谓的激光器，这也是为什么激光指令制导比较少见的原因。因为激光用作指令传输的媒介并不比传统的无线电有什么优势，反倒是缺点更明显一些。激光通信传输的数据量虽然大于无线电通信，但传输制导指令时并不需要太大的数据量，而激光通信作用距离近、全天候能力差的缺点却很明显。而且，激光指令制导与激光半主动制导、激光驾束制导相比，其系统复杂程度较高，失去了激光制导简单、有效的传统优势，因此一般只用于对有线制导的替代与升级，但难以用于远程攻击武器。

那么激光制导与雷达制导相比有什么优缺点呢？首先，激光的工作频率比雷达微波要高得多，频率高也就意味着能量密度高，并且激光定向发光的特点使能量非常集中，因此制导精度非常高，基本实现了“指哪打哪”，精度可以达到1米以内，甚至可以从建筑物的窗户中钻进去。其它制导方式难以达到这种精度，只能在采取复合制导方式后才能达到相似的精度。其次，激光制导具备了一定的抗干扰能力。传统的电磁干扰主要针对雷达制导武器，对激光制导武器一般是无效的，而且激光的发射波束窄，指向性强，对方难以施加有效的干扰。同时，激光制导也不受地物杂波的影响，比雷达制导更适合用于打击复杂背景环境下的目标。此外，激光制导还具备了一定的反隐身能力，传统的雷达隐身措施对激光制导武器是无效的。最后，激光制导武器与其它精确制导弹药相比还具有成本低优势。激光制导炸弹是一种价廉物美、使用最频繁的精确制导武器，最适合大规模装备。当然，激光制导的缺点也很明显。比如激光的作用距离偏近，在大气中的传输损耗大，容易受到气象条件的影响，云、雾、雨、烟、尘都能对激光产生强烈的散射和吸收，而且很容易被对方的激光告警器察觉攻击意图。这些缺点也使得对手可以采取相应的防护和对抗措施，比如施放烟雾、采取伪装措施，甚至实施主动的激光干扰或激光致盲，使激光制导武器失灵、光电瞄准设备失效。

传统的电磁干扰对激光制导武器一般无效。图为机载电子干扰吊舱

在几种激光制导方式中，技术最成熟、使用最多的就属半主动激光制导了。半主动激光制导的制导过程为：使用位于载机或地面上的激光器照射目标，导弹上的激光导引头接收从目标反射的激光，从而跟踪目标并把导弹导向目标。可见，半主动激光制导和半主动雷达制导一样都是靠外部设备来照射目标。用激光束照射目标还有一个较为独特的特点是，激光照射到目标上会出现漫反射的现象。漫反射就是指当一束平行的入射光线照射到粗糙的表面时，表面会把光线向着各个方向反射，我们日常生活中的自然光就具备这种漫反射现象。漫反射的一大好处就是照射目标的平台和发射武器的平台可以分开，可以相隔甚远。也就是说激光的漫反射现象可以很容易使半主动激光制导武器实现A照B射，比如地面上的一个士兵用激光照射器对敌方目标照射后，就可以呼叫其它作战单元（如战斗机或远程火炮）发射激光制导弹药对目标发动远程打击。而雷达波束在照射物体时则难以出现这种漫反射现象，只有比较规律的反射或散射。这是因为雷达波束的波长相对较长，多为厘米波或毫米波，一般物体的表面对于雷达波来说都是比较“光滑”的。而激光的波长可以达到纳米级的水平（1纳米=0.000001毫米），物体的表面对激光来说就是“粗糙”的，才会出现漫反射的现象。

漫反射原理示意图

士兵操作激光指示器

正是因为激光制导的这种特性使其可以广泛用于各种对地支援武器，如制导炸弹、制导炮弹、制导火箭弹等，战术适应性非常强。激光制导这种A照B射的间接瞄准模式可以使进攻平台在安全距离外发动攻击，可以“打了不管”，具备了更好的战场生存能力。此外，激光制导的这种特性还可以使发射一方采取一些独特的战术，比如发射后锁定——激光制导导弹可以先向目标的大概方向发射出去，在飞行途中再通过第三方的照射，导弹导引头捕捉到激光反射信号后锁定目标并完成攻击，如此一来可以增加导弹的打击灵活性；或者激光制导导弹可以从隐蔽地形后发射，先通过自动驾驶仪越过障碍物后，再由前方人员对目标实施照射，导弹导引头捕捉到激光反射信号后锁定目标，从而提高了发射平台的隐蔽性和生存性。当然，由于激光制导需要操作人员和激光指示器持续照射目标，操作人员就有暴露的可能，容易遭受攻击。为了解决这一问题，美国正在发展一种小型遥控飞机，在装载激光指示器后可以为激光制导武器提供第三方的目标指示。这里顺便提一下美国发明的“制导子弹”。该子弹可以“拐弯”，最远射程可达5 000米（目前世界最远狙杀纪录是2 375米），开枪后制导子弹会像制导炸弹一样，自动跟踪目标直至命中，十分适合攻击远距离的移动目标。这种子弹的制导原理也是半主动激光制导，需要狙击手持续照射被攻击的目标。很显然，这种制导子弹继承了半主动激光制导的一大缺点，容易暴露狙击手以及攻击意图，从而丧失了狙击作战的隐蔽性，这是狙击作战的大忌，其实战效果仍有待于观察。

激光制导子弹的飞行轨迹

▼欢迎购买《兵器知识》杂志▼

获取更多详细内容！

相关问答

光纤通信是利用什么光在光导纤维里传播的_作业帮

[最佳回答]由于激光是相干光,所以它能向无线电波那样被调制,用来传递信息,光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物.信息论的理论告诉我们,电磁波的频率越高,...

【激光通信的原理与______相似，即先将声音信号调制到______...

[最佳回答]激光通信与无线电通信类似,即先将声音和图象信号调制到激光束上,然后把载有声音和图象信号的激光发送出去,最后用接收装置把声音和图象信号检出来...

光纤通信实际上是激光信号在光纤里是什么方式传播?

激光是通过光的全反射原理在光纤中进行传播的。其中:1.在单模光纤内呈钝角反射传播,宏观的看起来,就像是一条直线。这种传送距离较远,适合长距离通信。2.在...

激光通信技术要点?

激光通信技术与无线电通讯原理相似,即先将声音信号调制到激光束上,然后把带有声音信号的激光发送出去。最后用接收装置把音像信号检出来。激光通信按其应用范...

激光通信与量子通信的区别?

一.定义的区别:量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。激光通信是一种方向性极好的单色相干光,利用激光来有效地传送信息。二.两...

激光通信通常分为哪四种形式?

答:激光通信通常分为大气通信、空间通信、水下通信和光导纤维通信四种形式。1.大气激光通信是让载有信息的激光光波通过大气传输至对方,其工作原理及通信过...

激光通信是什么?

激光通信是一种利用激光作为通信载体的通信技术,它利用激光发射器将信息转换为激光信号,并通过自由空间或光纤传输到接收端。由于激光具有方向性强、传输速度...

什么是光纤通信?_作业帮

[最佳回答]光纤通信技术(opticalfibercommunications)从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用.光纤通信作为一...

光通信的原理是什么?

1、光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化,并通过光...

光纤是激光还是红外线?

是激光光纤通信其实主要是光的全反射的原理,利用利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。在发送端把传送的信息变成电信号,再调制到激光器发出的激光束上,...