燒腦的“水下通信”

蘇杭

水下通信一直以來是困擾各國科學(xué)家的世界性難題，這種技術(shù)突破本身潛藏著劃時代的意義，一旦突破對于人類的水下救援、水下勘探、水下作業(yè)等具有革命性的意義。

水下通信遇難題

正如聲吶分析人員所熟知的那樣，向水下發(fā)送信號只能通過聲波，聲波信號不僅會在水中發(fā)生彎曲和擴散，而且在水底和水面發(fā)生折射（也會在不同的水層之間發(fā)生折射，既會在水平方向上發(fā)生折射，也會在垂直方向上發(fā)生折射），所以信號在傳播過程中也在不斷衰減，失真嚴(yán)重，吸收性也差。

20世紀(jì)80年代，隨著新型高速計算機的快速發(fā)展，人們開始有了一些新的想法：計算機不斷地測試傳輸過程，通過信息對比就可以確定哪些脈沖是在同一條路徑中傳輸?shù)模瑥亩谙鄬^高傳輸數(shù)據(jù)率的信號中提取出最有效的信息。美國雷神公司宣稱，通過在通信系統(tǒng)中嵌入高速計算機，可以解決水下通信問題。盡管最終證明這種系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有達(dá)到成熟的地步，但是利用高速計算機解決水下通信問題的理念卻得到了廣泛認(rèn)可。

20世紀(jì)90年代末，美軍潛艇艇員可以在水下傳輸潛艇潛望鏡捕獲的視頻影像。此后不久，其他國家也做到了這一點。很明顯，這需要實現(xiàn)兩個方面的平衡。首先，是距離和數(shù)據(jù)率的平衡，因為通信距離變長，就只能用頻率較低的信號。其次，就是隱蔽性與數(shù)據(jù)率的平衡。承載數(shù)據(jù)率低的聲音信號會被隨機噪聲掩蓋，而承載高數(shù)據(jù)率的聲音信號則不會。這一點很重要，因為水下作戰(zhàn)經(jīng)常是依靠隱蔽性才取得最終勝利的。

像光一樣傳輸

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個很重要的規(guī)律：在近乎垂直的“可靠聲波路徑”下，聲音信號在傳輸過程中不會丟失或失真。這就像光在具有不同折射率的一摞玻璃中的傳輸：如果以一定角度投射光束，就會在玻璃板之間產(chǎn)生各種折射和反射;如果光線垂直（或者不超過某個角度）投向這摞玻璃，就會產(chǎn)生一個清晰的影像。也就是說要超過一個臨界角度后，才會出現(xiàn)光的扭曲和失真，聲學(xué)也有類似的現(xiàn)象。

20世紀(jì)60年代，英軍熱衷于把他們的新型高速核動力攻擊潛艇當(dāng)作一部巨大的“可變深度聲吶”，與護航艦艇相互配合實施反潛。潛艇在水下時，總會有機會正好處于護航艦艇的正下方，這時它們就可以利用“可靠聲波路徑”進(jìn)行水下電傳或數(shù)據(jù)鏈傳輸工作。但只要潛艇一離開艦艇正下方，這種數(shù)據(jù)鏈的可靠性就大打折扣。

提升潛艇作戰(zhàn)能力

計算機剛剛應(yīng)用于水下通信時，各主要國家海軍的潛艇數(shù)目依然龐大。人們希望潛艇能像水面艦艇一樣協(xié)同作戰(zhàn)，成為推動水下通信發(fā)展的重要因素。然而，這需要解決兩個問題。

首先，需要一個可靠且隱蔽的水下敵我識別系統(tǒng)。冷戰(zhàn)期間，很多國家雖然都宣稱實現(xiàn)了水下敵我識別，但這一問題從未被真正解決過。當(dāng)時出于隱蔽的考慮，采用偽隨機碼進(jìn)行敵我識別，使得接收機不得不“磨磨蹭蹭”地綜合接收到的信息，這就帶來了時間延遲問題。反潛戰(zhàn)斗通常十分緊急，只要敵方潛艇暴露的程度滿足開火條件，就要立即發(fā)射魚雷，一個緩慢的敵我識別過程是無法解決這一戰(zhàn)術(shù)問題的。

其次，需要建立起可靠的通信系統(tǒng)。英美海軍都要求其攻擊型核潛艇能與水面艦艇相互配合，共同對付敵方潛艇，不過，這需要執(zhí)行支援任務(wù)的潛艇和受援的水面力量，如航母特混編隊般建立起可靠的通信系統(tǒng)。美軍洛杉磯級潛艇就被專門設(shè)計用來執(zhí)行直接支援任務(wù)。雷神公司為此做了大量工作，但都以失敗告終。它們?nèi)〉玫淖钪匾晒褪前阉曂ㄐ藕蜔o線電通信結(jié)合起來。比如，潛艇可以把它們發(fā)出的聲波信號，當(dāng)作移動無線電浮標(biāo)或其他形式天線進(jìn)入位置的信號。無線電浮標(biāo)系留在潛艇上，可直接傳輸信號;換能器則將收到的無線電信號轉(zhuǎn)變成在相對較近距離內(nèi)能識別的聲學(xué)信號。如此一來，潛艇就可以利用衛(wèi)星通信終端。

新型水下通信的出現(xiàn)，令上述作戰(zhàn)設(shè)想得以實現(xiàn)，特別是在通信系統(tǒng)包含可靠的水下敵我識別系統(tǒng)的情況下。例如德國的數(shù)字水下通信系統(tǒng)，通過按動幾個按鈕，就可以完成識別友軍潛艇的傳輸過程。2008年9月，一艘德國潛艇在波羅的海淺水區(qū)進(jìn)行了一次識別友軍潛艇的測試，在距離5.6千米、速度2.3節(jié)的條件下，潛艇實現(xiàn)了無差錯傳輸。

未來水下戰(zhàn)爭

想象一下這種戰(zhàn)斗場景：己方艦隊在淺水的濱海地區(qū)活動時，聲吶的工作環(huán)境非常差，無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測，敵方潛艇利用這一點，找機會滲透進(jìn)來。對此，己方執(zhí)行支援任務(wù)的潛艇派出多艘無人潛航器，無人潛航器將探測器分散部署在海床上，探測器依次通過水聲通信與無人潛航器相連接，組成一個無人潛航器網(wǎng)絡(luò)，并最終與潛艇相連。對無人潛航器的最基本要求，就是它能自主返回母艇，這就需要良好的水下導(dǎo)航能力。理想的導(dǎo)航方式應(yīng)該是隱蔽的。然而，如果沒有良好的水下通信，無人潛航器不得不間歇性地伸出天線，依賴全球定位等無線電系統(tǒng)。對于一些短時間的任務(wù)，這可能不是問題，但無人潛航器要執(zhí)行的諸多任務(wù)如水雷偵察，理論上要持續(xù)數(shù)個小時甚至好幾天，沒有良好的通信，即便無人潛航器知道自己在哪里，其返回母艇也只能按照預(yù)設(shè)程序行動。這就極大限制了母艇在無人潛航器活動期間的行動自由，母艇不得不在一個區(qū)域內(nèi)長時間待命。

美英兩國海軍在二戰(zhàn)前和二戰(zhàn)中就已開始遠(yuǎn)距離空中作戰(zhàn)，其中電子返航導(dǎo)航系統(tǒng)扮演了關(guān)鍵角色。飛行員原本需要知道5小時至10小時后航母的大概位置，而返航導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)后，一切就變得簡單了。但對于潛艇，如果沒有良好的水下通信，無人潛航器使用返航導(dǎo)航系統(tǒng)，也只能依賴無線電通信，從而間歇性地將天線伸出水面。同樣，母艇也不得不伸出天線暴露自己。可以說，未來水下戰(zhàn)爭潛艇更多的是充當(dāng)無人潛航器的母艇，而不是作為一個獨特的獵手。