水下無線通信技術發展研究*

王毅凡，周 密，宋志慧

(1.解放軍61580部隊，北京100094;2.解放軍91746部隊，北京102206)

0 引言

海洋占地球表面積的71%以上，蘊藏著豐富的資源。隨著陸地資源的過度開采，海洋成為人類生存與發展的最后的地球空間，在國家安全、利益和發展中的地位作用日益明顯。水下無線通信是水下通信技術的重要組成，是進行水下監測、水下開發和開展水下軍事斗爭的關鍵支撐。為了爭奪水下資源和增強水下作戰能力，水下無線通信已成為世界大國競相發展的重要的通信技術之一。

1 水下無線通信技術發展現狀

水下通信一般是指水上實體與水下目標(潛艇、無人潛航器、水下觀測系統等)的通信或水下目標之間的通信，通常指在海水或淡水中的通信，是相對于陸地或空間通信而言的。水下通信分為水下有線通信和水下無線通信。水下無線通信又可分為水下無線電磁波通信和水下非電磁波通信兩種。

1.1 水下無線電磁波通信

水下無線電磁波通信是指用水作為傳輸介質，把不同頻率的電磁波作為載波傳輸數據、語言、文字、圖像、指令等信息的通信技術［1］。電磁波是橫波，在有電阻的導體中的穿透深度與其頻率直接相關，頻率越高，衰減越大，穿透深度越小，頻率越低，衰減相對越小，穿透深度越大。海水是良性的導體，趨膚效應較強，電磁波在海水中傳輸時會造成嚴重的影響，原本在陸地上傳輸良好的短波、中波、微波等無線電磁波在水下由于衰減的厲害，幾乎無法傳播。目前，各國發展的水下無線電磁波通信主要使用甚低頻(VLF，Very Low Frequency)、超低頻(SLF，Super Low Frequency)和極低頻(ELF，Extremely Low Frequency)三個低頻波段。低頻波段的電磁波從發射端到接收的海區之間的傳播路徑處于大氣層中，衰減較小，可靠性高，受晝夜、季節、氣候條件影響也較小。從大氣層進入海面再到海面以下一定深度接收點的過程中，電磁波的場強將急劇下降，衰減較大，但受水文條件影響甚微，在水下進行通信相當穩定。因此，水下無線電磁波通信主要用于遠距離的小深度的水下通信場景。

1.1.1 甚低頻(VLF)通信

甚低頻通信頻率范圍為3～30 kHz，波長為10～100 km，甚低頻電磁波能穿透10～20 m深的海水［2］。但信號強度很弱，水下目標(潛艇等)難以持續接收。用于潛艇與岸上通信時，潛艇必須減速航行并上浮到收信深度，容易被第三方發現。甚低頻通信的發射設備造價昂貴，需要超大功率的發射機和大尺寸的天線。潛艇只能單方接收岸上的通信，如果要向岸上發報，必須上浮或釋放通信浮標。當浮標貼近水面時，也易被敵人從空中觀測到。盡管如此，甚低頻仍是目前比較好的對潛通信手段。如:美國海軍就建成了全球性的陸基甚低頻對潛通信網，網臺分布在本土及日本、巴拿馬、澳大利亞和英國等國。此外，甚低頻的發射天線龐大，易遭受攻擊。目前，正在發展具有較高生存能力的機載甚低頻通信系統。如美國就以大型運輸機EC－130Q為載臺，研制了“塔卡木”甚低頻水下通信系統，當陸基固定發射臺被摧毀時，能用飛機向潛艇提供通信保障。

1.1.2 超低頻(SLF)通信

超低頻頻率范圍是30～300 Hz，波長為1 000～10 000 km。超低頻電磁波可穿透約100 m深的海水，信號在海水中傳播衰減比甚低頻小一個數量級。超低頻水下通信是一種低數據率、單向、高可靠性的通信系統。如果使用先進的接收天線和檢測設備，能讓水下目標(潛艇)在水下400 m深處收到岸上發出的信號，通信距離可達幾千海里，但潛艇接收用的拖曳天線也要比接收甚低頻信號長。1986年，美國建成超低頻電臺，系統總跨度達258 km，天線總長達135 km。超低頻通信的頻帶很窄，傳輸速率很低，并且只能由岸基向水下目標(潛艇)發送信號。超低頻通信一般只能用事先約定的幾個字母的組合進行簡單的通信，并且發送一封3個字母組合的電報需要十幾分鐘。但超低頻通信系統的抗干擾能力強，核爆炸產生的電磁脈沖對其影響比較小，適合于對核潛艇的通信。

1.1.3 極低頻(ELF)通信

極低頻(ELF)的頻率范圍為3～30 Hz，波長在10 000～100 000 km。極低頻信號在海水中的衰減遠比甚低頻或超低頻低得多，穿透海水的能力比超低頻深很多，能夠滿足潛艇潛航時的安全深度。此外，極低頻對傳播條件要求不敏感，受電離層的擾動干擾小，傳播穩定可靠，相較于甚低頻或超低頻，在水中更容易傳送。但是極低頻每分鐘可以傳送的數據相對較少，目前只用于向潛艇下達進入/離開海底的簡短命令。極低頻通信是目前技術上唯一可實現潛艇水下安全收信的通信手段，不受核爆炸和電磁脈沖的影響，信號傳播穩定，是對潛指揮通信的重要手段。

水下無線電磁波通信是當前和未來一個時期主要的水下通信技術，未來有三大發展趨勢:一是向極低頻通信發展，對超導天線和超導藕合裝置的研究將成為熱點。二是發展頑存機動發射平臺，比如:機載、車載及艦載甚低頻通信系統。三是提高發射天線輻射效率和等效帶寬，提高傳輸速率。

1.2 水聲通信

水聲通信是指利用聲波在水下的傳播進行信息的傳送，是目前實現水下目標之間進行水下無線中、遠距離通信的唯一手段。聲波在海面附近的傳播速度為1 520 m/s，比電磁波在真空中的傳播速率低5個數量級。與電磁波相比較，聲波是一種機械振動產生的波，是縱波，在海水中衰減較小，只是電磁波的千分之一，在海水中通信距離可達數十公里。研究表明，在非常低的頻率(200 Hz以下)下，聲波在水下能傳播數百公里，即使20 kHz的頻率，在海水中的衰減也只是2～3 db/km。另外，科學家還發現，在海平面下600～2 000 m之間存在一個聲道窗口，聲波可以傳輸數千公里之外，并且傳播方式和光波在光波導內的傳播方式相似，目前世界各國潛艇的下潛深度一般是250～400 m，未來潛深將會達到1 000 m，因此說，水聲通信是目前最成熟也是很有發展前景的水下無線通信手段［3］。

水聲通信的工作原理是將語音、文字或圖像等信息轉換成電信號，再由編碼器進行數字化處理，然后通過水聲換能器將數字化電信號轉換為聲信號［4］。聲信號通過海水介質傳輸，將攜帶的信息傳遞到接收端的水聲換能器，換能器再將聲信號轉換為電信號，解碼器再將數字信息解譯后，還原出聲音、文字及圖片信息。圖1給出了水聲通信系統的基本框架。水聲換能器是將電信號與聲信號進行互相轉換的儀器，是水聲通信的關鍵技術之一。

圖1 水聲通信系統基本框架Fig.1 Basic frame of underwater acoustic communication systems

自從水聲通信研發成功以來，世界上已發展出多種水聲通信技術［5］。一是單邊帶調制技術。1945年，美國研制成功世界上第一個水聲通信系統，采用了單邊帶調制技術，載波為8～11 kHz，工作距離僅有幾公里。二是移頻鍵控(FSK)技術。20世紀70年末，美國開始研發基于FSK調制技術的水聲通信系統，在技術上逐漸提高。三是移相鍵控(PSK)技術。20世紀80年代初，美國開始研發基于PSK調制技術的水聲通信系統，發展出非相干通信和相干通信兩種方式。相干通信是指接收機事先知道發射機的相位信息和載頻頻率，而非相干通信是指接收機事先不知道發射機載頻及相位信息。相干通信的算法和結構一般比非相干通信復雜，但通信距離較遠。目前，正在由非相干通信向相干通信發展。水聲通信技術發展的已經較為成熟，國外都已研制出水聲通信調制器，通信方式主要有:OFDM、擴頻以及其它的一些調制方式。此外，水聲通信技術已發展到網絡化的階段，將無線電中的網絡技術(Ad Hoc)應用到水聲通信網絡中，可以在海洋里實現全方位、立體化通信，但只有美國等少數國家試驗成功。

2 水下無線通信技術發展趨勢

水下無線電磁波通信對海水的穿透深度極其有限，數據傳輸速率非常低，耗資巨大，并且易遭受敵方攻擊或信息干擾。水聲通信是唯一實現水下目標之間通信的技術，但由于海水吸收、多徑效應、多普勒效應、隨機起伏等原因，使水聲通信的距離只能是中、近程的，傳輸速率也較低。雖然近年來水聲通信技術得到了較快的發展，但仍無法滿足遠距離、大容量、實時化的傳輸需要。隨著水下通信技術需求的不斷擴大，在繼續完善水下無線電磁波通信和水聲通信技術的同時，研究開發新的水下通信技術成為一種趨勢。

2.1 水下無線光通信

1963年，S·Q·Dimtley和 S·A·Sullian等學者在研究光波在海水中傳播的特性時，發現海水對0.45～0.55微米的藍綠光的衰減，相比對其他波段的光波要小的多，說明海水中存在一個對藍綠光的透光窗口［6］。后來又通過試驗證實，在垂直入射時，藍綠光能穿透2 000 m深的海水，而衰減只有5% ～10%，這個穿透深度已遠遠超過了世界各國潛艇的最大潛深。1979年，美國率先提出了利用0.498微米的藍綠激光對潛通信的設想。

水下無線光通信，是指利用藍綠波長的光進行的水下無線光通信，和水聲通信及水下無線電磁波通信相比，具有如下優勢:一是光波工作頻率高(1012～1014Hz)，信息承載能力強，可以組建大容量無線通信鏈路［7］。二是數據傳輸能力強，可提供超過1 Gb/s量級的數據速率，能傳輸語音、圖像和數據等信號。三是水下無線光通信不受海水的鹽度、溫度、電磁和核輻射等影響，抗干擾、抗截獲和抗毀能力強。四是光波的波束寬度窄，方向性好，能夠避免敵方的偵測，例如，如果敵方想攔截，就必須用另一部接收設備在視距內對準光發射源，必然會造成通信中斷，引起發射端警覺。五是光波的波長短，收發天線尺寸小，可以大幅度減少光通信的設備重量。六是對海水的穿透能力強，能實現與水下300 m以上深度的潛艇進行通信。潛艇可以在工作深度或更深的海水中接收岸上發的報文，提高了潛艇的機動性和隱蔽性，保障潛艇的實時、保密通信，增強了潛艇的頑存力。

20世紀70年代，水下光通信技術開始受到重視。美國在此領域起步較早，1977年，美國開始提出戰略激光通信計劃。從1980年起，美國開始以每兩年一次的頻率，共進行了6次藍綠激光對潛通信試驗，期間實現了在12 km高空對水下300 m潛艇的單工激光通信，并利用無人機在更高的高空，實現了與正常下潛深度和航速航行的潛艇的雙工激光通信試驗，證實藍綠激光能夠在各種海洋條件下和幾乎全天候氣象條件的進行高速通信。1983年年底，前蘇聯完成了把藍色激光束發送到空間軌道反射鏡后再轉發到水下彈道潛艇的激光通信試驗。2008年，美國F.Hanson等人在實驗室中首次實現了傳輸速率高達1 Gb/s的水下光通信［9］。2010年2月，美國伍茲霍爾海洋研究所實現100 m范圍內，水下光通信速率達到10～20 Mb/s的能力。然而，到目前為止，商用的水下光通信技術還不成熟。

2.2 水下中微子通信

中微子通信是指利用中微子基石粒子攜帶信息進行通信的傳輸技術。中微子是原子核內的質子或中子發生衰變時產生的，大量存在于光、宇宙射線、地球大氣層的撞擊以及巖石中。中微子的質量極小，幾乎為零，比電子的質量還要小近10個數量級。同時，中微子不帶電荷，是一種體積極小且穩定的中性基本粒子。中微子粒子束具有兩個特點［10］，一是只參與原子核衰變時的弱相互作用力，并不參與電磁力、重力以及中子和質子結合的強相互作用力，與其他粒子之間沒有什么牽制的作用力，在固體中運動不受阻擋，損耗非常小，具有極強的穿透力，能夠以近似光的速度直線傳播，在傳播過程中不會發生折射、反射和散射等現象，幾乎不產生衰減，極易穿透鋼鐵、海水，乃至整個地球，而不會停止、減速以及改變方向，方向性極強。二是中微子粒子束穿越海水中時，會產生光電效應，發出微弱的藍色光，并且衰減很小。

中微子具有極強的穿透能力，非常適合水下通信的需求，完成岸上與水下任意深處的通信聯絡。并且，不易被偵察、干擾、截獲和摧毀，不會污染環境，不受電磁干擾和核爆炸輻射的影響，具有通信容量大、保密性好、抗干擾能力強等優點。1933年，奧地利物理學家泡利提出了“中微子”假說。1956年，歐美科學家證明了中微子的存在。1968年，美國在地下金礦中建造了一個大型中微子探測器，探測到來自太陽的中微子。1984年美國一艘核潛艇做水下環球潛行時，正是采用中微子通信保證了聯系。1998年6月5日，日本科學家首次發現了中微子振蕩的確切證據。2012年3月，美國科學家首次利用中微子穿過大地成功傳送了信息。2013年11月21日，多國研究人員利用埋在南極冰下的粒子探測器，首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。據科學測定，高能中微子束在穿透地球后，衰減也不足千分之一，利用中微子進行水下通信，可滿足潛艇在深海任意深度進行實時不間斷的接收報文。近年來，人們對中微子探測器和中微子振蕩進行了大量的實驗研究，為水下中微子通信提供了理論基礎。

2.3 引力波通信

引力波是指時空曲率中以波的形式從輻射源向外傳播的擾動，會以引力輻射的形式傳遞能量。引力波的頻率大約在10～32 Hz左右，極其微弱。1916年，阿爾伯特·愛因斯坦就預言了引力波的存在，并推導出一般相對論引力場的方程式，表示引力場的波動是以光的速度來傳播的［11］。1993年，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒因發現赫爾斯－泰勒脈沖雙星由于引力輻射在互相公轉時逐漸靠近，證明了引力波的存在，而獲得諾貝爾物理學獎。1983年，日本科學家將兩根長152 cm、直徑29.1 cm的鋁棒分別放置相距1.72 m的位置，通過電磁振動方式使其中一根鋁棒振動產生引力波，另一根鋁棒作為引力波的接收天線，來接收引力波。實驗證明，接收的鋁棒發生了1 000億分之一的畸變，同時鋁棒上的壓電傳感器產生了1 μV的電壓，可以用現代信息技術檢測到。試驗中發射天線發出的是莫爾斯信號，接收天線也收到了同樣的信號，證明了引力波通信的可行性。2014年3月17日，哈佛－史密松天體物理中心的天文學家利用BICEP2探測器在宇宙微波背景中觀測到引力波的效應。

引力波通信是指利用引力波來傳播信號，完全不同于電磁波通信。電磁波是由于電荷的振動產生的，而引力波則是由物質的振動而產生的，是一種以光速傳播的橫波，具有很強的穿透力，沒有任何物質能阻擋住引力波的傳播。實驗證明，引力波在通過介質時，能量被介質損耗一半的距離很大，在水中是1 029 km，在鐵中是1 030 km，即使整個宇宙中充滿了鐵，利用引力波也可進行貫通宇宙通信，可見引力波將是一種極好的極遠距離通信載波。另外，引力波的能量與振動頻率的6次方成正比，加快物質的振動頻率可提高發射能量，進而擴大引力波的通信距離。引力波將是未來水下通信的最好選擇之一。

2.4 水下量子通信

量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信技術，具有時效性高、抗干擾性能強、保密性和隱蔽性能好等優點［12］。量子通信技術在實際應用中已經取得了一些成果，在陸地通信中已經可以實現144 km的傳輸。隨著量子中繼設備的不斷發展，量子通信的傳輸距離將有更大的突破。2014年4月，我國開始建設世界上最遠距離的光纖量子通信干線——連接北京和上海，光纖距離達到2 000 km。量子通信的天然安全性，滿足了水下軍事通信的基本要求，量子隱形傳態通信與傳輸介質無關是水下通信的安全保證。相比于傳統水下經典通信，量子通信具有抗毀性強、安全性好、傳輸效率高的優勢。2014年4月，中國海洋大學Peng Shi及其團隊在arXiv網站上發表報告，認為水下量子通信在短距離內是可能的，并計算了光子在保存其攜帶的量子信息的同時，進行水下量子通信能最遠傳輸125 m。因此，將量子通信技術用于水下目標的通信，對于提高信息傳輸的準確性，保證信息安全性具有很高的價值。

2.5 水下無線中長波通信

中長波通信是指利用中長波波段的電磁波為傳輸媒介，把信息從一個地方傳送到另一個地方的一種無線電通信［1］，中長波的頻率范圍是 30～3 000 kHz。水下無線中長波通信，是指利用中長波波段的電磁波作為載波進行的水下無線通信。相比其他水下無線通信技術，具有如下優點:一是通信頻率高。遠高于水聲通信(50 kHz以下)，也高于甚低頻通信(30 kHz以下)，能實現大約100 kb/s左右的數據傳輸速率。二是抗干擾能力強。應用擴頻技術可以將掩沒于噪聲中的信息解擴出來，完成通信過程。同時不受水質優劣和海浪等動態因素的影響，不被海水吸收衰減，優于水下光通信。三是傳輸速度快，傳輸時延小。發射機在水下可釆用密封方式，數據通過傳輸線傳到發射機上通過天線發射到水中。電磁波頻率越高，水下傳播速率越快。四是功耗低，供電方便。高數據傳輸率降低了單位數據量的傳輸時間，減小了功率的損耗，提高了工作效率。在通信所需的傳感器的耗電量方面，5～lO mW即可進行一次水中通信。五是安全系數高，對水中的環境無影響。六是中長波主要以表面波的形式沿地球表面傳播，波長很長，受地形地物影響小，衰減慢，傳輸距離遠，通信穩定，數據傳輸速率較高。近年來，隨著數字化通信技術的日趨成熟和中長波新功能器件的研發，將中長波通信技術用于水下無線通信將是一個新的研究熱點。

3 水下無線通信技術面臨的問題

無論正在應用的水下無線電磁波通信或是水聲通信，以及未來發展的水下無線通信都面臨著技術上的難題，從不同方面制約著水下通信技術的發展和應用。

3.1 水下無線電磁波通信面臨的問題

當前的甚低頻、超低頻、極低頻通信以及正在發展的中長波通信，都是利用無線電磁波進行水下通信，由于海水存在趨膚效應，嚴重影響了無線電磁波在海水中的傳輸距離。一是在水下的通信深度有限，即使極低頻通信也只能對水下幾百米深的目標進行通信。二是發射設備耗資巨大，占地面廣，發射功大，性價比差。三是數據傳輸速率極低，通信容量小，只能單向接收，不能雙向通信，難滿足對潛實時指揮的要求。四是通信系統的體積龐大，特別是天線系統，易受到敵人的火力打擊。

3.2 水聲通信面臨的問題

水聲通信是目前發展成熟的水下通信技術，但也面臨諸多的問題［8］。一是傳輸速率低、傳輸延時長。水下聲波的傳播速度約為1 500 m/s，比光波在空氣中傳輸低了5個數量級，同時，傳輸速率會隨著距離的增大而降低。二是可用帶寬有限。水聲通信的傳輸帶寬是時變的，通信容量比陸地上的無線通信低很多，加之水聲通信有多址接入、噪聲和干擾和信道衰落等不利因素的影響，實際中的通信容量更低。三是水聲通信系統的體積大，功耗多，成本高。四是水聲通信易受環境干擾。水聲信號質量與水溫、鹽度、壓力等環境密切相關，在惡劣海洋環境下極易通信中止。五是水聲通信信號容易被監聽，安全性差等。

3.3 水下光通信面臨的問題

水下光通信提供了一種高速率通信的可能，但要真正的實用化還面臨的一些問題。一是光損耗大。海水能吸收不同波長的光信號，水中的浮游動植物對光有遮擋，還會對光線產生折射和散射作用，造成很大的衰減。二是藍綠激光與大多數海洋生物發出的光的光譜相吻合，易對通信造成干擾。三是光通信仍然是一種單向的通信系統，在潛艇上目前仍然無法安裝激光發生器發出信息，實現雙向通信。四是光通信具有極強的方向性，通信時必須知道水下目標所處的大致位置，才能向其發送信息。五是光通信還需借助高空飛行器(飛機或衛星)發射激光，戰時易被摧毀，造成通信中斷。

3.4 引力波通信面臨的問題

引力波在理論上可以取任何頻率，但極低頻率幾乎無法探測，而極高頻率也沒有可觀測的已知波源。有學者預測，可以被探測到的引力波頻率在7～10 Hz和10～11 Hz之間。由于引力波比較微弱，因此，當利用引力波進行通信時，在檢測(接收)方面存在很大的困難。

3.5 水下中微子通信面臨的問題

目前，對中微子的研究尚處于初步階段，利用中微子進行水下通信存在的問題有:一是中微子檢測比較困難。中微子與其他物質的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數量的中微子。二是發射端的加速器體積龐大，體格高，實際通信中所需的中微子數目大，現有的質子同步加速器遠遠不能滿足要求，另外，控制中微子發射方向的偏轉器的體積也較大。

3.6 水下量子通信面臨的問題

水下量子通信的研究也處于剛起步階段，面臨的主要問題有:一是通信距離近。目前，量子通信在陸地上只達到了百里級，在水下的試驗距離也只有100多米，無法達到遠距離水下潛艇通信的需求。二是量子(光子)的制備、量子態控制及量子測量等技術還不成熟。三是減少光子損耗和量子退相干面臨技術難題等。

4 結語

隨著全球目光向海洋聚焦，水下無線通信的重要性日益突顯。當前，水下無線通信還面臨著水中通信距離短、通信容量小、傳輸速度低，無法完全實現雙方實時通信等問題。但隨著信息技術的發展和通信器件的研發，相信水下無線通信技術會逐步得到完善和改進，為水下資源開發和水下軍事斗爭提供強有力的通信保障。

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