蛙人水下語音通信技術研究現狀和展望

劉 寧，梁奇兵，高曉蘭

(昆明五威科工貿有限公司，云南 昆明 650106)

0 引 言

隨著國家建設海洋強國戰略的深入推進和海洋資源的不斷開發，現代化海洋裝備迎來了空前的發展。為蛙人[1-2]水下作業和作戰提供主要信息保障，諸如水下通信、引導定位、導航和探測服務的蛙人水下信息系統在現今的軍事建設、海上資源勘探、近海打撈等方面發揮著不可替代的重要作用[3]。其中，蛙人水下語音通信系統因其具有良好的應變能力，成為水下蛙人單兵作戰和蛙人群水下作業的重要裝備，蛙人水下語音通信系統實現了水下蛙人與蛙人之間、蛙人與船體或岸基之間必要的信息交互[4]，通信方式示意圖如圖1所示。

圖1 蛙人水下語音通信機通信方式示意圖Fig.1 The communication mode of frogman underwater voice communicator

1 國內外技術現狀

國外對水下語音通信研究起步較早，主要以OTS公司的系列產品為代表[5]，OTS公司的系列水聲語音通信機采用模擬單邊帶調制方式(Signal Side Band，SSB)進行水聲通信，受水文環境影響較大，為此該通信機設置有遠程模式(不帶門限)和近程模式(帶門限)兩種通信模式。其中較早的軍用版70 W水下語音通信機Magnacom SW-1000-SC2-CH，具有兩個信道，信道A(28.500 kHz，下邊帶(Lower Side Band,LSB))在平靜海面通信距離達到6 000 m，6級海況下為1 000 m，信道B(32.768 kHz，上邊帶(Upper Side Band,USB))在平靜海面通信距離達到1 000 m，6級海況下為100 m。該型水聲語音通信系統得到了美國軍方的認可[6]。在諸如美國海軍海豹突擊隊等部隊，以及潛艇、水面艦艇和岸站等都安裝了該系統。民用版10 W水下語音通信機 Aquacom SSB-1001B8-CH支持1～8個通信信道，通信距離為200～3000 m[3]。圖2所示的OTS Aquacom SSB-2010為新一代商業化應用較廣泛的水下語音通信機[7]，傳輸頻帶為31～33 kHz，4個信道，通信距離為200～1 000 m。圖3所示的是Subsea Import Corporation公司的Diver Unit 1080VOX水下語音通信機[8]，采用上邊帶調制方式，可實現長達3 000 m的遠距離通信，配備鍵控(Push To Talk,PTT)和聲控(Voice Operated Exchange,VOX)兩種可選語音發送開關。圖4所示的是Diverlink Underwater Communications公司的水下語音通信機Model COM-UC-8-10/20-SE-VOX[9]，8個信道，10 W通信距離為3 000 m，20 W通信距離為5 000 m。

圖2 OTS Aquacom SSB-2010型水下語音通信機[7]Fig.2 Model OTS Aquacom SSB-2010 frogman underwater voice communicator[7]

圖3 Diver Unit 1080VOX型水下語音通信機[8]Fig.3 Model Diver Unit 1080VOX frogman underwater voice communicator[8]

圖4 Model COM-UC-8-10/20-SE-VOX型水下語音通信機[9]Fig.4 Model COM-UC-8-10/20-SE-VOX frogman underwater voice communicator[9]

另外，國外相關單位對數字水下語音通信系統也進行了深入的研究探索，早在1997年，國外學者就將數字技術引入到水聲語音通信系統中[10]，提出采用數字信號處理器(Digital Signal Processing,DSP)來實現數字水下語音信號處理和傳輸的方法，并成功地測試了通信系統。SARI H等[11]提出了一種新的數字水聲語音通信技術，利用線性預測編碼對語音信號進行壓縮，并通過數字脈沖位置調制，實現合適的語音參數的傳輸。?KTEM等[12]提出了一種采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)[13-14]作為擴頻技術的水下語音通信系統，主要研究了應用層、數據鏈路層和物理層，分析可實現的數據速率和性能。該系統采用的自適應通信參數將提供最多16個用戶間的語音在同一時間使用整個頻段的通信。REN H P等[15]提出了一種新的低信噪比混沌擴頻蛙人用水聲語音通信方法。由混合動力系統產生的混沌信號被用作發射機端的擴頻序列，在接收端，采用相應的混沌匹配濾波器來抵消多徑傳播和噪聲的影響。該方法不需要常規水聲通信所需的復雜均衡和調制解調技術。仿真結果表明，與傳統方法相比，該方法具有良好的抗干擾能力和較低的誤碼率。

近年來，國外對蛙人水下語音通信機結構也進行了進一步的研究，IMRAN M[16]提出了一種新的蛙人用水下語音通信的系統、裝置和方法。該系統具有包括用于檢測并發送蛙人語音的麥克風送話器和便于潛水員能夠聽到聲音的、通過蛙人的牙齒和頭骨傳導到耳蝸的聲音傳導器。麥克風送話器和聲音傳導器易于附著在水肺或其他水下呼吸器上。文獻[17-18]在結構設計上同樣有創新性探索。

國內對水聲語音通信的研究起步較晚，從事水聲語音通信研究的高校和科研單位主要有中國科學院聲學研究所、廈門大學、西北工業大學、哈爾濱工程大學、華南理工大學、昆明五威科工貿有限公司、中國船舶重工集團第709研究所和蘇州桑泰科技有限公司等，并取得了豐碩的科研成果。其中中國科學院聲學研究所率先采用單邊帶調制技術實現了水聲通信系統，該系統包括了4種通信體制(包括文字、圖像、語音和視頻)以適應載人潛水器在海上航行以及深海探索的需要，該水聲通信系統成功裝備到了我國自主研發的深海載人潛水器蛟龍號上[19]，在世界上首次實現了深度潛水器與母船之間多種通信體制的水聲通信傳輸[20]。哈爾濱工程大學針對水聲語音通信中的數字調制解調技術，提出了時延差編碼通信體制[21]，研究了正交頻分復用OFDM[22-23]、正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keyin,QPSK)[24]、多進制數字頻率調制(Multiple Frequency Shift Keying,MFSK)[25]、自適應均衡[26]等技術，還進行了矢量信號處理、矢量通信技術和信道仿真技術等研究，研制了基于以上這些數字調制方式的實時高質量數字化水聲語音通信的試驗系統，進行了多次湖上和海洋長距離水聲數字語音通信，誤碼率低，所需帶寬小，語音通話質量令人滿意[27-29]。西北工業大學王艷等[30]主要針對數字語音編碼技術進行了深入研究，提出了一種基于快速自適應碼書搜索方法的編解碼算法，理論和試驗結果都表明該算法在抗噪和抗誤碼方面具有良好的性能，可有效克服淺海水聲信道復雜、通信頻帶窄的水文環境問題；在誤碼率低于2.5%時，均可實現清晰的語音通信。廈門大學水聲實驗室提出了基于調頻制式[31]、語音識別與合成、數字檢測音節壓擴綜合自適應增量調制技術[32]，基于以上技術先后研制了第1代和第2代水聲語音通信樣機，其中第1代水下語音通信樣機進行了多次海上測試實驗，可達到7 500 m左右的穩定通信距離；第2代水下語音通信樣機對第1代做了優化改進，加入了信道糾錯編碼技術，在容錯能力、系統的魯棒性等方面都有明顯增強，多次海上測試都達到了10 000 m左右的穩定通信距離[20]。昆明五威科工貿有限公司采用文獻[33]中的數字單邊帶調制技術，研制了WRZ2水下語音通信機[34](如圖5所示)，已成功裝備某水下航行器，采用半雙工通信方式，最大通信距離約1 000 m，最大工作深度為30 m，待機時間達10 h。蘇州桑泰海洋儀器研發有限責任公司開發的水下語音通信機[35](如圖6所示)，采用PPT(鍵控)或VOX(聲控)兩種發射控制方式，2個信道，傳輸距離達1 500 m，最大工作深度為60 m。

圖5 WRZ2型水下語音通信機[34]Fig.5 Model WRZ2 frogman underwater[34]

圖6 蘇州桑泰型水下語音通信機[35]Fig.6 Model Suzhou Santai frogman underwater voice communicator[35]

2 關鍵問題

實現高質量水聲語音通信的關鍵是如何克服淺海復雜水文環境對語音信號的干擾。淺海水域一般是指海深在200 m以內的大陸架海區，淺海水聲信道極其復雜，其主要特征表現為有限的通信帶寬、復雜的海洋環境噪聲以及由于時空變化引起的多途效應[36]。多途效應是影響水聲語音通信質量的關鍵因素，這是由于水聲信號在淺海中傳輸受到海面、海底或障礙物以及溫躍層的反射、折射導致聲波傳輸路徑千差萬別，從而使接收機接收到的聲信號幅度衰弱、或產生碼間干擾和頻譜展寬，改變了發送碼元的波形，降低了通信的可靠性，限制了通信速率。針對以上多途效應對水聲語音信號的影響，可考慮通過數字調制解調技術增加碼元間的保護間隔，采用適當的分集技術和自適應技術來有效克服干擾。另外，可根據作用距離選擇合理的工作頻段以及改進水聲換能器的結構和指向性設計[37-38]，同時，蛙人在使用水下語音通信機的過程中要避開遮擋物等，這些方法都能有效改善多途效應的干擾。水聲信道帶寬受限的主要原因是海洋對信號的吸收損失以及水聲換能器帶寬的限制。由于聲波在水中傳播過程中會受到介質的反射、折射和熱吸收等，使得聲波能量會隨之衰減，衰減系數會隨著信號工作頻率的增加而上升，因此，要根據通信距離來選擇合適的水聲工作頻率[39]。由于海洋環境噪聲源較復雜，主要包括潮汐、洋流、海面波浪、風成噪聲、生物噪聲、工業噪聲等，并且淺海環境噪聲頻譜級變化范圍較大，隨著頻率的降低，環境噪聲增大，因而水聲工作頻率不能選得太低。要克服淺海復雜水文環境噪聲對聲傳輸信道的干擾，必須根據作用距離選擇合適的工作頻帶和采用高質量的水聲語音信號調制解調技術。

另外，在水下語音通信機配合水肺呼吸器使用過程中發現，蛙人在水下說話時，語音信號是在高壓空氣環境中產生的，呼吸閥向外部水中排除氣泡的過程伴隨著大量的噪聲，氣泡和呼吸噪聲直接影響發送和接收語音的清晰度。針對呼吸和氣泡噪聲的干擾，可考慮采用有效的濾波算法對發送的語音信號進行處理，也可考慮改進水肺呼吸器的結構，在呼吸閥出口處增加更細的篩網使排出的氣泡盡量小而緩慢；采用骨傳導耳蝸聲音接收器來接收對方的聲音信號也是一種選擇。

3 發展趨勢

通過以上分析可知，對淺海聲信道傳輸的語音信號進行高質量的調制解調成為克服水下語音通信受有限的帶寬、復雜的海洋環境噪聲和多途效應等影響的關鍵[40]。基于數字信號處理技術的調制解調技術已取代模擬技術，成為蛙人水下語音通信領域發展的共識與趨勢[41-42]，越來越多的諸如擴頻技術、信號編解碼技術、分集技術和自適應技術等，被運用到蛙人用水下語音通信系統中來改善聲能量的傳播損失、多途效應和聲信號的衰落對水下語音信號傳輸的影響。水下語音通信中數字調制解調技術被廣泛地運用和研究，主要基于以下幾方面的原因：一是數字調制技術的糾錯編碼技術以及加密技術可以增加傳輸的可靠性，可有效地提高水聲語音通信系統的抗噪和抗誤碼等抗干擾能力；二是采用數字處理技術能夠實現水聲信號傳輸的差錯可控，可對時域和頻域范圍內畸變的信號進行補償，抵消由于信道多途和頻率擴展對水聲信號產生的影響；三是越來越強大的數字微處理器信號處理能力，使得對水聲語音信號能進行各種復雜的快速調制解調，并且易與現代數字交換技術和數字存儲技術進行互聯互通、信號中繼復用等[43]。

在水下語音通信機結構組成方面，也由之前的分體式、大體積向模塊化、小型化、低功耗和一體式發展，如圖7和圖8所示。其中，圖7為OTS Buddy-Phone-2-on-mask型水下語音通信機[44]，通信機和全面罩一體化設計，通信機本體置于全面罩側面，采用干電池供電。圖8為DIVELINK Model COM-FFS SCUBAPRO型水下語音通信機[45]，通信機本體和全面罩合二為一，通信機本體置于頭盔后部，電池可拆卸充電，通信機整體結構緊湊，更利于潛水員水下作業。

圖7 OTS Buddy-Phone-2-on-mask型水下語音通信機[44]Fig.7 Model OTS Buddy-Phone-2-on-mask frogman underwater voice communicator[44]

圖8 DIVELINK Model COM-FFS SCUBAPRO型水下語音通信機[45]Fig.8 DIVELINK Model COM-FFS SCUBAPRO frogman underwater voice communicator[45]

水聲語音通信技術由于其在軍事戰略和民用領域的廣泛需求和重要地位，已經進入了高速發展的新時期。但是水下語音通信機所面對的淺海水聲信道由于其諸多的復雜特性，使得水聲信道也成為了比空天信道更復雜的通信信道，相較于空天通信技術的發展，水聲語音通信技術也遠遠落后[35]。隨著人類對海洋資源的深入探索，水聲語音通信技術必定會發揮越來越重要的作用[46]。因此，水聲語音通信技術在未來相當長的時間都具有較大的發展空間和重要的研究價值。

4 結 論

國內外對蛙人水下語音通信機進行了大量探索和研究，并形成了序列化的產品。隨著現代新技術的發展，在調制方式上，數字調制技術逐漸取代模擬調制技術成為研究熱點，并且越來越多的基于數字信號處理技術的諸如擴頻技術、信號編解碼技術、分集技術和自適應技術等調制解調技術被運用到蛙人水下語音通信領域中，已成為克服水下蛙人語音傳輸中多途效應和海洋環境噪聲等干擾因素對蛙人水下語音通話質量影響的有效措施；在結構設計方面，由之前的分體式、大體積向模塊化、小型化、低功耗和一體式發展，可更好適應水下行動和作業需求。可以預見，在未來的近淺海作戰或民用領域水下作業中，蛙人水下語音通信機將成為一種重要工具，發揮不可替代的作用。