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世界首个海水量子通信实验成功能否用到潜艇通信?潜艇方式有哪些

发布时间:2019-06-01 14:23 来源:未知 编辑:admin

  前几天,上海交通大学金贤敏课题组完成了世界首个海水量子通信实验,观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性,这是在国际上首次通过实验验证水下量子通信的可行性。海水量子通信实验成功后,立即被军事爱好者“应用”到了潜艇上,成为“热门话题”。那么,海水量子通信到底有什么军事意义呢?能不能应用于潜艇通信?目前潜艇通信方式主要有哪些?

  目前世界已运用的潜艇通信手段有甚低频、极低频、蓝绿激光、中微子通信、卫星中继、以及声波等。由于海水是导电媒质,对电磁波具有很大的衰减作用,因而解决与潜航潜艇通信一直成为困扰各国的技术难题,从近些年军事强国研究发展看,完全理想的潜艇通信方法还没出现,但相关领域核心项目已处于新技术革命的前夜,比如中微子和量子通信。

  由于海水相当于一个巨大的导体,有良好的电磁屏蔽效应,因此,在水下潜航的潜艇几乎收不到任何电视信号、手机信号、无线网络信号,或是大部分的军用电台通信。

  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。但波长更长的电磁波,就能够稍微穿透一点海水。波长越长,电磁波的穿透力越强。甚长波和超长波电台发送的信号,能够进入几十米至一百多米的水中。

  长波台是一个统称,实际上,波长在1000~10000米的电磁波叫做长波,10万米到100万米的电磁波叫做甚长波,100万米到1000万米(1万公里)的电磁波叫做超长波。

  甚长波电台能够穿透20多米的海水,二战末期德国海军已经在开始搞甚长波通信系统了。潜艇不需上浮在潜望镜深度就可以接受指挥部发来的甚长波电报。只是潜望镜深度对于潜艇来说仍然不够安全。

  超长波电台能够穿透100米深的海水,这个深度也是平常潜艇战备巡航的航行深度。

  长波台的天线是一个很巨大、很巨大的东西。大家手里的手机也是一个无线电接收和发送装置,手机天线大概是这么大,满打满算几厘米长吧:

  长波台的天线因为太长,所以不是竖直的,而是“横躺”着的。一百多米高的铁塔的作用,是把天线本体尽量和大地隔离开来,避免长波台发报的时候,信号质量受到地波干扰。

  “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【天线部,一半工作,一半备用,总功率5. 28兆瓦。”

  135公里,一部电台的总机房设在北京的话,天线会从北京延伸到天津还不止。

  天线的长度一般是波长的整数倍分之一,而天线的长度与信号的发送质量很有关系。

  1000公里波长的超长波电台,一般都用1/8波长天线波长的天线也不是不可以,但是信号质量就没那么高了。

  题外线G赫兹,频率换算成波长的话,手机使用的信号,波长在11~16厘米。

  世界海军史上,日本是最早使甚低频技术达到实用化的国家之一,早在1929年便建成了佐佐美通信站;第二次世界大战中,德国海军在马德堡建立了甚低频通信站;英国海军也相继在路格维建设起了发射频率为甚低频的通信站。上个世纪五十年代后期,弹道导弹核潜艇问世,为了尽可能提高自身隐蔽性,其通常在大深度游弋待令,甚低频电波的入水深度已无法满足通信要求。为解决这一难题,专家根据无线电波频率越低穿透海水深度越大的原理,提出了超低频通信方案。该方案用超低频波来激励大地与电离层间空腔产生谐振,使电波传播到全球并实现海水大深度 “龙宫飞鸿”,从此超低频系统为解决潜艇远洋隐蔽通信立下汗马功劳。

  甚长波、超长波无线电对潜通信手段自身存在一定的局限性,长波台在战时往往是敌方攻击的重点目标。甚长波一般穿透海水的能力在10~15米,数据率约为75bit/s,潜艇为保证有效收信,必须上浮到潜望镜深度以4节左右的固定航向航行,这对潜艇的隐蔽性带来不利。超长波穿透海水的能力虽然比甚长波要强的多,对潜艇收信时的隐蔽性几乎没有影响,但由于其数据率极低,不到lbit/s,故此只能发送简单的、约定的报文。而采用拖曳上浮天线的方式也有着固有的弊端,拖曳天线收放机构及天线线缆对水密要求高、收放耗时长,拖曳天线放出后潜艇无法机动,对潜艇的隐蔽性带来影响。故此,研制新型的对潜通信手段也就十分必要。

  水声声波通信是利用声波在水下传递信息而达成的通信,作为水下潜艇、水面舰艇间进行联络的近距离通信手段,通常有电话、电报和电传报等工作方式。通话时,话音质量较差;通报时,一般用人工手键以莫尔斯符号发出简短的约定信号,其通信距离远于通话距离。通信速度较慢,遁信质量易受海水温度、盐度和深度变化及海洋噪音等因素的影响;其通信距离,取决于发信者的发射功率、接收者的航速、接收机的灵敏度和通信海域的水文条件。在一般条件下,可以达数千米至数十千米,利用深海声道可以达上千千米。中国海军普遍装备的某型通信声呐,具有电传报、电话、电报和敌我识别测距等功能,功能较为先进。

  对潜蓝绿激光通信是以激光作为信息载体的对潜通信,波长为470-540毫微米的蓝绿激光穿透海水的能力远比甚长波和超长波强,其最大穿透海水进行通信的深度可达到600米,且数据传输速率远高于超长波,这对于潜艇至关重要的隐蔽性而言,毫无疑问是大有益处的。激光对潜通信有星载、陆基和机载三种工作方式,星载方式是激光发射机安装在卫星上,地面站通过射频信道将信息发送给卫星,由卫星通过激光信道转发给潜艇。陆基方式,设在地面的激光发射机,将激光束射向空载反射器,空载反射器再将激光束反射给水下潜艇。机载方式,激光发射机安装在飞机上,地面站通过射频信道将信息发送给飞机,再通过机载激光发射机将信息转发给潜艇。蓝绿激光对潜通信的通信容量大,数据传输率高,方向性和保密性好,抗干扰能力强,可进行全球通信。但激光对潜通信也有着设备复杂,技术难度较大的问题。对潜蓝绿激光通信随有着较多的长处,但目前基本上尚处于研制、试用阶段,前景难料。

  中微子通信是以中微子作信息载体的对潜通信,中微子是一种不带电的、质量比中子小得多的基本粒子,其运动速度接近光速,穿透力极强,中微子即使穿透地球,其能量也仅损失百亿分之一,中微子是直线传播,无反射、折射、散射现象,抗干扰性和保密性好。由中微子加速器和传感器构成的中微子束通信系统,是岸对深潜潜艇连续、可靠、保密的理想通信手段,中微子对潜通信也是世界各国研究的重点之一。

  前几天,上海交通大学金贤敏课题组日前完成世界首个海水量子通信实验,观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性,这是在国际上首次通过实验验证水下量子通信的可行性。之后科技日报记者采访国防科技大学国家安全与军事战略研究中心王群教授,在接受科技日报采访时表示,“可以肯定,一旦水下量子通信实现工程化,将会彻底颠覆潜艇通信指挥乃至作战方式。在军事上除了主要用于潜艇通信外,还可以用于海底光缆通信、联合作战的空海一体通信以及蛙人特战通信和水下救援、水下作业通信等方面。”

  记者了解到,当前潜艇通信保密采用的还主要是传统的数学加密方式,基本是以潜艇出海执行任务之前所设计好的编码或“密钥”来进行加密,每次通信使用的密钥均不同。但此种加密方式无疑比较麻烦、不便管控,存在被获取和破解的风险。而量子通信较经典通信来说,具有无法比拟的安全性和高效性。比如,量子加密的密钥是随机的,即使被窃取者截获,也无法得到正确的密钥,因此无法破解信息;同时,如果有人试图拦截通信信息,将立刻改变粒子的量子态,使收发方测得这种干扰,并停止通信,进而保证通信的安全性。

  因此,如果能在水下实现量子通信,通信距离和安全性都能获得质的提升,无疑将极大地强化对潜艇的指挥控制,并颠覆未来的海战模式。

  “现在中国研究人员初步试验和证实了这种水下量子通信的可行性,这是一个了不起的突破性成果。”王群指出,“当然,水下量子通信目前的研究和试验只是一个开始,量子通信本身还远未商业化,再加上水下量子通信所依赖的蓝绿激光通信技术也远未成熟,所以它还无法很快投入应用,未来需要做的工作很多。”

  “不过,近年来,美国、俄罗斯、澳大利亚和加拿大等国一直在研究的蓝绿激光通信,倒是有很多优势。海水对光波波段中0.45至0.55微米范围内的蓝绿光衰减较小,它可以作为水中的通信窗口,从而通过卫星和飞机构建蓝绿激光通信系统,可实现对深达700米左右的潜艇进行通信,基本能克服上述岸对潜通信方式存在的主要问题,是未来很有希望的水下通信手段。”王群指出,“特别是,蓝绿激光通信也是水下量子通信的重要基础。” (小编注:看来这里的说的量子通信还是要依托传统通信媒介,主要是起到了加密作用)

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