穿海牽天 提升對潛通信保障能力
——跨介質通信技術現狀及展望

方爾正 李宗儒 桂晨陽 /文

聲波在水中的傳播具有傳播衰減小、傳播距離遠的特點，是在水中具有最佳傳輸性能的能量形式，已經作為水下目標間的主要通信手段，在科研、探測等領域得到了廣泛應用。我國自主研制的“奮斗者”號全海深載人潛水器于2020 年11 月10 日首次探底全球海洋最深處——馬里亞納海溝“挑戰者深淵”，使用的系統就是水聲通信系統。但是，受限于聲波在通過空氣-水界面時的反射損耗，聲波不能作為空氣中長距離通信的有效傳輸方式。因此水下目標和水上目標的跨介質直接通信尚不能兼顧有效性、可靠性、及時性、機動性、隱蔽性等要求，至今仍然是各國致力研究的重點國防技術。

現有技術及對比

目前，水上目標和水下目標進行通信，主要有以下幾種手段：

其一，是長波/超長波（VLF/SLF）通信系統。VLF/SLF 在海水中衰減較其他頻段電波小，能夠穿透海水進行傳播。入水深度可達到100m，傳輸距離可以達到4000 ～8000km，傳輸速率為50 ～200bps，基本達到了在深水中對潛通信的要求。但是，VLF/SLF 通信存在許多突出的問題：1）VLF/SLF 只能通過岸基向水下發送指令，不能進行雙向通信；2）岸基設備需要龐大的發射天線或超高的發射功率，極易被打擊和破壞；3）岸基設備發送信號時使用廣播方式，信號存在被截獲和破解的可能性；4）水下目標必須上浮到水下45 ～70m 處，展開天線接收通信，降低了水下目標的隱蔽性。美國和俄羅斯建成了用于潛艇通信的超低頻通信系統，能夠將潛艇的收信深度提高到100m 以下，但是其發信速度很慢，美國的超低頻信號發信臺每分鐘只能發射一個比特，需要約15 分鐘才能發射一個3 字符的指令。在實際作戰中，主要起到“振鈴”的作用，通知潛艇上浮以采用其他通信方式繼續接收詳細信息。

美國于1982 年建造的極低頻通信基站

水聲網絡通信結構

其二，是衛星通信。通信衛星作為一種在高空軌道上運行的中繼器，能接收、放大和處理來自地面某點的信號，然后將其轉發到地面的另一點。衛星通信能夠提供無傳播障礙的、全球接續的高質量寬帶遠距離線路。一顆衛星能夠覆蓋其視角內的區域；同時可通過采用多條地對地衛星線路延長其通信距離，或者在衛星之間進行中繼的方法實現全球衛星通信。衛星通信的頻段視信息重要程度、數據量大小的不同，可以采用高頻（HF）到極高頻(EHF)頻段，因此有比VLF/SLF 通信系統大得多的通信速率，能夠提供更詳細的信息。但由于這些通信頻段下的無線電信號難于穿透水體，水下目標使用衛星通信方式接收指令時，必須上浮到表面，展開天線完成通信過程，其移動過程中產生的水丘和開爾文尾跡能夠被探測到。

其三，為了解決衛星通信時必須使水下目標上浮進行通信的問題，人們提出了潛載浮標通信解決方案。該方法通過水下大型結構發射的帶有天線的浮標與水面艦艇、飛機和岸上基地等平臺進行雙向通信。根據已有的公開報道，目前只有美國和德國的潛艇具備浮標通信的能力，其中，美國浮標通信能力來自“巡航狀態下潛艇雙向通信”（CSD）項目，利用可回收系留光纖浮標進行通信。德國的浮標通信能力來自212A 級潛艇裝備的“木衛四”（Callisto）潛艇浮標通信系統。該系統利用可重復使用的拖曳通信浮標與外界通信，能夠發射和接收超高頻、甚高頻、高頻以及GPS等信號，但并未公布通信速率。浮標通信方式一定程度上解決了傳統水下大型結構需要伸出通信天線進行雙向通信的問題，但隨著合成孔徑雷達（SAR）技術的發展，衛星的分辨能力越來越強，浮標伸出水面的部分過多會暴露水下結構的位置，而應用不可回收的無線浮標成本高昂，目前不具備現實可行性。

其四，從概念轉向現實的通信手段是水聲網絡通信。目前，綜合性聲吶的發展使得聲吶同時具有探測、目標跟蹤、測距、識別、定位、通信、導航和探雷等多種功能，使得水聲通信成為可能。聲吶的通信速率與水聲通信技術發展息息相關，隨著各種水下水聲通信裝備及水面浮標等的研發成功，聲吶通信從水下大型結構之間的直接通信開始向水下網絡通信轉變。以美國為代表的多個國家已著手建立先進的水聲通信網絡，如“海網”(SEAWEB)、“持久瀕海水下監視網絡”(PLUSNet)等。在這種方式中，水下大型結構作為移動通信節點，利用聲吶向網絡節點收發通信。水下網絡既可由有線連接，也可由無線連接。這種通信方式將水下目標納入大型作戰單位的一員中來考慮，更加適合作為水下無人機等小型水下設備與陸地的通信方式。利用通信型聲吶進行通信同樣存在弊端：1）由于水下聲信道不是理想的波導，導致其傳輸距離受到限制，也容易為主動和被動聲吶所探測到。2）水下網絡需要提前進行部署。如果網絡使用無線連接方式，傳輸速度受水聲通信技術限制，為了提高通信質量需要提前在海底部署通信節點。而有線連接方式則受到線纜鋪設范圍和成本制約，導致整個系統的靈活性差。3）移動節點必須移動到一定區域內完成通信。4）由于海洋環境的現實因素，水聲通信網絡不能很好地去中心化，導致網絡中必然有幾個關鍵的中繼節點，如果這些節點遭到攻擊或破壞，整個水聲通信網絡將會受到極大的影響。

有學者對現行的幾種跨介質通信技術的效能進行了指標量化評估認為，現有的幾種跨介質通信手段都無法同時滿足通信系統中對有效性、覆蓋范圍、隱蔽性等多方面的要求，這主要是由水下目標多變的使用環境和方法決定的。因此，為保障現代信息化海戰場中潛艇的通信能力，除提高傳統通信手段的抗干擾、抗截獲、抗摧毀能力，發展更加穩定可靠的通信系統外，還應開發、采用先進技術，提高跨介質通信的對抗能力和發信的隱蔽性。

新技術、新方向

除了前文所介紹的一些解決方案之外，也有學者提出一些其他的通信原理、通信手段，但是目前尚未得到成熟的大規模應用。

空投潛標通信

目前，為了解決潛載浮標使潛艇位置易于暴露的問題，一共提出了兩種解決方案：其一是采用無須回收的潛艇浮標用于通信，通信結束后直接將浮標丟棄。這種方法占用大量潛艇空間，同時成本過高，在短期內難以大批量部署。相比而言，使用空投潛標的方式是更經濟、更有效的解決方案。空投潛標是指：令飛機或者無人飛行器運動到指定位置，然后將一個具有水聲通信和天線通信的潛標投放到預定位置，潛標在水面之下一定距離工作，用于與水面艦船和水下目標進行通信，工作一定時間之后自行銷毀。此外，潛標中還可以附加定位、導航等功能模塊，實現一體化系統設計。這種方案中，水下目標無須上浮，因而隱蔽性強、暴露風險小、使用成本相對較低、通信速率高、信息量大，是未來較有希望的實現方案。但這種方法也不是十全十美的：水下目標在航行時，受海底暗流、自身導航誤差等影響，其位置可能和預估的位置有差異，導致通信失敗的情況發生。

水下激光通信

藍綠激光通信

1963 年，美國學者在研究光波在海洋中的傳播特性時,發現海水對0.45 ～0.55 微米波段內的藍綠光的衰減比對其他光波段的衰減要小很多,證實了在海洋中亦存在一個類似于大氣的透光窗口。在整個可見光波段, 藍綠光波的衰減最小, 稱為“水下窗口”。1971年美國成功研制出名為PLADS 的機載系統,1977 年提出衛星-潛艇通信的可行性,1985 年利用星載激光器與“海豚號”潛艇進行了通信試驗,取得了良好的通信效果,1991 年又進行了自制數據光中繼實驗,成功實現了飛機對潛雙向通信,1993 年后系統試驗階段相繼轉入系統改進和完善階段。而在2000 年，噴氣推進實驗室PJL成功建立了一套高魯棒APT 子系統,2003 年前后PJL 開展了對脈位調制(PPM)接收技術的研究,提出了PPM 接收機模型,對水下激光通信的實用化有著巨大的推進作用。目前，已經提出了陸基、天基和空基等通信方案。國內的激光通信研究雖然較美國、蘇聯等國家晚，但發展較快，對于激光通信的信道、時延和入水的傳輸特性等也多有人討論。

跨水—氣介質通信

盡管水下激光通信發展前景比較樂觀，但距離大規模實際應用仍存在許多需要攻克的問題：1）大氣和海水的隨機信道對激光信號傳輸的影響尚不明確；2）開發大功率、低成本的藍綠激光光源降低成本；3）如何提高激光通信的保密性和隱蔽性，減少敵人干擾和破環這一關鍵問題尚需討論；4）對激光上行通信的機理和技術還需要進一步探究。

中微子通信

中微子是一種不帶電、穩定、靜止質量近似為零的粒子，由泡利在解釋β 衰變損失的動量和能量時提出，并在1956 年被觀測證實。研究發現，中微子以光速運動，穩定性相當高，只參與弱相互作用，擁有極強的穿透能力，甚至可以穿透地層而通行無阻，不發生反射、折射、散射和傳播衰減等現象。目前，對中微子的研究還處于初步階段。2012 年，美國費米國家加速試驗室的研究人員進行了一次中微子通信試驗。他們使用一臺粒子加速器，將信息編碼成中微子束而后發射并穿過240 米厚的巖石。盡管中微子通信存在理論可行性，但其實驗和工程化進展緩慢，根本原因在于中微子的發射和檢測依賴高功率的粒子加速器，單次通信的成本高昂，也難以進行小型化、移動化。只有在中微子的產生、傳輸和檢測等多個環節發生技術性革命，才能使中微子通信具有實際意義。

其他新型通信理論

有學者提出了激光聲的跨介質下行通信技術，認為用高能激光照射海水，利用光擊穿現象將海水在極短的時間內電離成等離子體，等離子體恢復的過程釋放能量將形成類似爆炸的劇烈膨脹，最終在液體中輻射聲波。這種方式結合了在兩種介質中分別最佳的信道物理場，光聲轉化效率可以達到20%～30%，但還需要進行進一步的外場實驗，對實際環境下的激光聲信號傳播情況進行研究。

還有學者設計了一套包括光-電系統和模擬信號處理的激光探測系統，將光學振動檢測的方法成功擴展到了水的表面，利用檢測激光反射光線的方法實現了水表面的微小振動探測，進而實現了對水下目標的探測。實驗結果表明，這種方法不僅可以在水面平靜的情況下使用，也可以在水面有比較劇烈的擾動的情況下使用。當信號頻率足夠高，能夠和水面的振動區分開時，可以檢測出水下目標的振動頻率。利用頻率信息編碼，可以實現隱蔽性極高、信息量極大的上行通信。

總結

研究跨介質通信系統，需要兼顧隱蔽性、可靠性、有效性、及時性和機動性等多個方面，這是由海洋復雜多變的環境決定的。擁有性能更強的通信系統，意味著水下目標能夠更安全、更隱蔽地執行任務。從整體角度講，高水下通信能力意味著“網絡中心戰”的作戰方式能夠向水下環境進發，保障水下結構獲得信息的能力，提高作戰指揮系統的效率。