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激光通信是未來通信技術(shù)發(fā)展的重要方向之一

2021-08-23 13:15:56 來源：科普中國(guó)

近日，在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心，通用原子電磁系統(tǒng)公司與美國(guó)國(guó)防部太空發(fā)展局利用SpaceX公司“獵鷹9號(hào)”商業(yè)火箭將激光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)（LINCS）衛(wèi)星發(fā)射到指定軌道。

獨(dú)樹一幟的激光通信

激光作為一種新型光源，具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性強(qiáng)等特征，激光通信則是利用激光來作為信息的載體。與傳統(tǒng)的無線電通信相比，衛(wèi)星激光通信具有許多獨(dú)到之處：

首先激光載波頻率具有數(shù)百 THz量級(jí)，比載波頻率在幾 GHz 到幾十 GHz 范圍內(nèi)的傳統(tǒng)無線電通信高 3~5 個(gè)數(shù)量級(jí)，可攜帶更多信息，通信速率更高。其次激光發(fā)散角小，束寬極窄且指向性好，在空間中不易被捕獲。在進(jìn)行激光通信時(shí)，設(shè)備必須位于狹窄的光束之內(nèi)，才能接收到較為清晰的信號(hào)，因此可以利用激光進(jìn)行兩點(diǎn)之間的高度保密通信，也可以建立防攔截激光通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行多點(diǎn)保密通信，通信過程中不易受外界干擾，擁有更好的安全性和可靠性。同時(shí)激光波長(zhǎng)比無線電波長(zhǎng)小 3~5 個(gè)數(shù)量級(jí)，激光通信系統(tǒng)所需的收發(fā)光學(xué)天線、發(fā)射與接收部件等器件與無線電所需器件相比，尺寸小、重量輕，可滿足小型化、輕量化、低功耗的要求。

激光通信是未來通信技術(shù)發(fā)展的重要方向之一

雖然激光通信也存在著一定的局限性。如與微波通信相比，激光通信的成本較高；激光在大氣傳輸?shù)倪^程中，會(huì)被雪霧和雨水大大衰減而影響通信的質(zhì)量；且激光束極高的方向性也導(dǎo)致對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和精度提出很高的要求。但是總體來說，激光通信必將在軍事領(lǐng)域以及未來空間高速數(shù)據(jù)傳輸方面得到廣泛的應(yīng)用，這已經(jīng)成為國(guó)際上的共識(shí)及趨勢(shì)。此前美國(guó)太空發(fā)展局局長(zhǎng)德里克·圖爾尼爾就曾說過，激光通信可以帶來“高帶寬、低延時(shí)、信號(hào)干擾概率低的通信網(wǎng)絡(luò)，適用于任何平臺(tái)，無論是在水面上，船上，還是在空中”。

“大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)”的助力

其實(shí)美國(guó)等國(guó)家在很早之前就已經(jīng)率先開展衛(wèi)星激光通信技術(shù)研究，如在 1968 年美國(guó) NASA 戈達(dá)德太空飛行中心的科研人員就曾將一束激光從地面站發(fā)送至近地軌道衛(wèi)星 GEOS?II，進(jìn)行激光傳輸實(shí)驗(yàn)，分析了大氣湍流對(duì)激光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?985年美方又運(yùn)用高精度跟瞄技術(shù)建立了穩(wěn)定的激光通信鏈路。而在2013 年，美國(guó)月球激光通信演示驗(yàn)證項(xiàng)目成功實(shí)施，為其衛(wèi)星激光通信發(fā)展奠定了深厚技術(shù)基礎(chǔ)。

這些年美國(guó)重回“大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)”，因此為應(yīng)對(duì)同級(jí)別的對(duì)手，美軍對(duì)于通信安全的要求也驟然加強(qiáng)。美軍認(rèn)為，當(dāng)前各類武器系統(tǒng)都依靠無線電信號(hào)通信，而這也是一些自動(dòng)功能的基礎(chǔ)，自動(dòng)功能雖可以提升武器的防御力，但無線電信號(hào)很容易被“黑客入侵”。根據(jù)華盛頓的說法，俄羅斯在研制電子戰(zhàn)系統(tǒng)方面取得了重大進(jìn)展。五角大樓聯(lián)合人工智能中心最近發(fā)布報(bào)告說：“俄羅斯軍隊(duì)的技術(shù)比美國(guó)更先進(jìn)，而且正在迅速發(fā)展人工智能，以獲得戰(zhàn)場(chǎng)信息優(yōu)勢(shì)”。在這種情況下，激光通信就成為美軍的關(guān)注重點(diǎn)之一。

據(jù)報(bào)道，此次是美國(guó)國(guó)防部太空發(fā)展局自2019年成立以來第一次發(fā)射衛(wèi)星。激光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由12顆微型 “立方衛(wèi)星”（CubeSats）組成，每顆衛(wèi)星載有一個(gè)C波段雙波長(zhǎng)全雙工光通信終端(OCT)和一個(gè)紅外（IR）有效載荷，所有部件均有原子電磁系統(tǒng)公司圣地亞哥生產(chǎn)廠設(shè)計(jì)和制造，目前已有兩個(gè)衛(wèi)星進(jìn)入軌道開始調(diào)試運(yùn)行。據(jù)分析，美國(guó)軍方和通用原子公司將試圖改變通信方式，欲搶在俄羅斯等國(guó)前面占得衛(wèi)星激光通信的先機(jī)。通用原子電磁系統(tǒng)集團(tuán)總裁斯科特·福尼表示，未來是光通信的天下，即將開展的實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著通信“進(jìn)化”的開端。

軍事小詞典

激光通信原理：在利用激光進(jìn)行通信時(shí)，技術(shù)人員需要首先將各種形式的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制光束。在接收站，技術(shù)人員需要用激光接收裝置接收調(diào)制光束，并進(jìn)行解調(diào)，從而將所需信號(hào)與激光束（載波）分離，與信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的輸出電流將被逐級(jí)放大，然后被輸送到揚(yáng)聲器或其他裝置。

標(biāo)簽：激光通信通信網(wǎng)絡(luò) 高速數(shù)據(jù) 大氣傳輸