方爾正 李宗儒 桂晨陽(yáng) /文

聲波在水中的傳播具有傳播衰減小、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，是在水中具有最佳傳輸性能的能量形式，已經(jīng)作為水下目標(biāo)間的主要通信手段，在科研、探測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)自主研制的“奮斗者”號(hào)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(zhàn)者深淵”，使用的系統(tǒng)就是水聲通信系統(tǒng)。但是，受限于聲波在通過(guò)空氣-水界面時(shí)的反射損耗，聲波不能作為空氣中長(zhǎng)距離通信的有效傳輸方式。因此水下目標(biāo)和水上目標(biāo)的跨介質(zhì)直接通信尚不能兼顧有效性、可靠性、及時(shí)性、機(jī)動(dòng)性、隱蔽性等要求，至今仍然是各國(guó)致力研究的重點(diǎn)國(guó)防技術(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)及對(duì)比

目前，水上目標(biāo)和水下目標(biāo)進(jìn)行通信，主要有以下幾種手段：

其一，是長(zhǎng)波/超長(zhǎng)波（VLF/SLF）通信系統(tǒng)。VLF/SLF 在海水中衰減較其他頻段電波小，能夠穿透海水進(jìn)行傳播。入水深度可達(dá)到100m，傳輸距離可以達(dá)到4000 ～8000km，傳輸速率為50 ～200bps，基本達(dá)到了在深水中對(duì)潛通信的要求。但是，VLF/SLF 通信存在許多突出的問(wèn)題：1）VLF/SLF 只能通過(guò)岸基向水下發(fā)送指令，不能進(jìn)行雙向通信；2）岸基設(shè)備需要龐大的發(fā)射天線或超高的發(fā)射功率，極易被打擊和破壞；3）岸基設(shè)備發(fā)送信號(hào)時(shí)使用廣播方式，信號(hào)存在被截獲和破解的可能性；4）水下目標(biāo)必須上浮到水下45 ～70m 處，展開(kāi)天線接收通信，降低了水下目標(biāo)的隱蔽性。美國(guó)和俄羅斯建成了用于潛艇通信的超低頻通信系統(tǒng)，能夠?qū)撏У氖招派疃忍岣叩?00m 以下，但是其發(fā)信速度很慢，美國(guó)的超低頻信號(hào)發(fā)信臺(tái)每分鐘只能發(fā)射一個(gè)比特，需要約15 分鐘才能發(fā)射一個(gè)3 字符的指令。在實(shí)際作戰(zhàn)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(xù)接收詳細(xì)信息。

美國(guó)于1982 年建造的極低頻通信基站

水聲網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)

其二，是衛(wèi)星通信。通信衛(wèi)星作為一種在高空軌道上運(yùn)行的中繼器，能接收、放大和處理來(lái)自地面某點(diǎn)的信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面的另一點(diǎn)。衛(wèi)星通信能夠提供無(wú)傳播障礙的、全球接續(xù)的高質(zhì)量寬帶遠(yuǎn)距離線路。一顆衛(wèi)星能夠覆蓋其視角內(nèi)的區(qū)域；同時(shí)可通過(guò)采用多條地對(duì)地衛(wèi)星線路延長(zhǎng)其通信距離，或者在衛(wèi)星之間進(jìn)行中繼的方法實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信的頻段視信息重要程度、數(shù)據(jù)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(tǒng)大得多的通信速率，能夠提供更詳細(xì)的信息。但由于這些通信頻段下的無(wú)線電信號(hào)難于穿透水體，水下目標(biāo)使用衛(wèi)星通信方式接收指令時(shí)，必須上浮到表面，展開(kāi)天線完成通信過(guò)程，其移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的水丘和開(kāi)爾文尾跡能夠被探測(cè)到。

其三，為了解決衛(wèi)星通信時(shí)必須使水下目標(biāo)上浮進(jìn)行通信的問(wèn)題，人們提出了潛載浮標(biāo)通信解決方案。該方法通過(guò)水下大型結(jié)構(gòu)發(fā)射的帶有天線的浮標(biāo)與水面艦艇、飛機(jī)和岸上基地等平臺(tái)進(jìn)行雙向通信。根據(jù)已有的公開(kāi)報(bào)道，目前只有美國(guó)和德國(guó)的潛艇具備浮標(biāo)通信的能力，其中，美國(guó)浮標(biāo)通信能力來(lái)自“巡航狀態(tài)下潛艇雙向通信”（CSD）項(xiàng)目，利用可回收系留光纖浮標(biāo)進(jìn)行通信。德國(guó)的浮標(biāo)通信能力來(lái)自212A 級(jí)潛艇裝備的“木衛(wèi)四”（Callisto）潛艇浮標(biāo)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用可重復(fù)使用的拖曳通信浮標(biāo)與外界通信，能夠發(fā)射和接收超高頻、甚高頻、高頻以及GPS等信號(hào)，但并未公布通信速率。浮標(biāo)通信方式一定程度上解決了傳統(tǒng)水下大型結(jié)構(gòu)需要伸出通信天線進(jìn)行雙向通信的問(wèn)題，但隨著合成孔徑雷達(dá)（SAR）技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星的分辨能力越來(lái)越強(qiáng)，浮標(biāo)伸出水面的部分過(guò)多會(huì)暴露水下結(jié)構(gòu)的位置，而應(yīng)用不可回收的無(wú)線浮標(biāo)成本高昂，目前不具備現(xiàn)實(shí)可行性。

其四，從概念轉(zhuǎn)向現(xiàn)實(shí)的通信手段是水聲網(wǎng)絡(luò)通信。目前，綜合性聲吶的發(fā)展使得聲吶同時(shí)具有探測(cè)、目標(biāo)跟蹤、測(cè)距、識(shí)別、定位、通信、導(dǎo)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(shù)發(fā)展息息相關(guān)，隨著各種水下水聲通信裝備及水面浮標(biāo)等的研發(fā)成功，聲吶通信從水下大型結(jié)構(gòu)之間的直接通信開(kāi)始向水下網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)變。以美國(guó)為代表的多個(gè)國(guó)家已著手建立先進(jìn)的水聲通信網(wǎng)絡(luò)，如“海網(wǎng)”(SEAWEB)、“持久瀕海水下監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)”(PLUSNet)等。在這種方式中，水下大型結(jié)構(gòu)作為移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)，利用聲吶向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收發(fā)通信。水下網(wǎng)絡(luò)既可由有線連接，也可由無(wú)線連接。這種通信方式將水下目標(biāo)納入大型作戰(zhàn)單位的一員中來(lái)考慮，更加適合作為水下無(wú)人機(jī)等小型水下設(shè)備與陸地的通信方式。利用通信型聲吶進(jìn)行通信同樣存在弊端：1）由于水下聲信道不是理想的波導(dǎo)，導(dǎo)致其傳輸距離受到限制，也容易為主動(dòng)和被動(dòng)聲吶所探測(cè)到。2）水下網(wǎng)絡(luò)需要提前進(jìn)行部署。如果網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線連接方式，傳輸速度受水聲通信技術(shù)限制，為了提高通信質(zhì)量需要提前在海底部署通信節(jié)點(diǎn)。而有線連接方式則受到線纜鋪設(shè)范圍和成本制約，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的靈活性差。3）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)必須移動(dòng)到一定區(qū)域內(nèi)完成通信。4）由于海洋環(huán)境的現(xiàn)實(shí)因素，水聲通信網(wǎng)絡(luò)不能很好地去中心化，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中必然有幾個(gè)關(guān)鍵的中繼節(jié)點(diǎn)，如果這些節(jié)點(diǎn)遭到攻擊或破壞，整個(gè)水聲通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)受到極大的影響。

有學(xué)者對(duì)現(xiàn)行的幾種跨介質(zhì)通信技術(shù)的效能進(jìn)行了指標(biāo)量化評(píng)估認(rèn)為，現(xiàn)有的幾種跨介質(zhì)通信手段都無(wú)法同時(shí)滿足通信系統(tǒng)中對(duì)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(biāo)多變的使用環(huán)境和方法決定的。因此，為保障現(xiàn)代信息化海戰(zhàn)場(chǎng)中潛艇的通信能力，除提高傳統(tǒng)通信手段的抗干擾、抗截獲、抗摧毀能力，發(fā)展更加穩(wěn)定可靠的通信系統(tǒng)外，還應(yīng)開(kāi)發(fā)、采用先進(jìn)技術(shù)，提高跨介質(zhì)通信的對(duì)抗能力和發(fā)信的隱蔽性。

新技術(shù)、新方向

除了前文所介紹的一些解決方案之外，也有學(xué)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(guī)模應(yīng)用。

空投潛標(biāo)通信

目前，為了解決潛載浮標(biāo)使?jié)撏恢靡子诒┞兜膯?wèn)題，一共提出了兩種解決方案：其一是采用無(wú)須回收的潛艇浮標(biāo)用于通信，通信結(jié)束后直接將浮標(biāo)丟棄。這種方法占用大量潛艇空間，同時(shí)成本過(guò)高，在短期內(nèi)難以大批量部署。相比而言，使用空投潛標(biāo)的方式是更經(jīng)濟(jì)、更有效的解決方案?？胀稘摌?biāo)是指：令飛機(jī)或者無(wú)人飛行器運(yùn)動(dòng)到指定位置，然后將一個(gè)具有水聲通信和天線通信的潛標(biāo)投放到預(yù)定位置，潛標(biāo)在水面之下一定距離工作，用于與水面艦船和水下目標(biāo)進(jìn)行通信，工作一定時(shí)間之后自行銷毀。此外，潛標(biāo)中還可以附加定位、導(dǎo)航等功能模塊，實(shí)現(xiàn)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種方案中，水下目標(biāo)無(wú)須上浮，因而隱蔽性強(qiáng)、暴露風(fēng)險(xiǎn)小、使用成本相對(duì)較低、通信速率高、信息量大，是未來(lái)較有希望的實(shí)現(xiàn)方案。但這種方法也不是十全十美的：水下目標(biāo)在航行時(shí)，受海底暗流、自身導(dǎo)航誤差等影響，其位置可能和預(yù)估的位置有差異，導(dǎo)致通信失敗的情況發(fā)生。

水下激光通信

藍(lán)綠激光通信

1963 年，美國(guó)學(xué)者在研究光波在海洋中的傳播特性時(shí),發(fā)現(xiàn)海水對(duì)0.45 ～0.55 微米波段內(nèi)的藍(lán)綠光的衰減比對(duì)其他光波段的衰減要小很多,證實(shí)了在海洋中亦存在一個(gè)類似于大氣的透光窗口。在整個(gè)可見(jiàn)光波段, 藍(lán)綠光波的衰減最小, 稱為“水下窗口”。1971年美國(guó)成功研制出名為PLADS 的機(jī)載系統(tǒng),1977 年提出衛(wèi)星-潛艇通信的可行性,1985 年利用星載激光器與“海豚號(hào)”潛艇進(jìn)行了通信試驗(yàn),取得了良好的通信效果,1991 年又進(jìn)行了自制數(shù)據(jù)光中繼實(shí)驗(yàn),成功實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)對(duì)潛雙向通信,1993 年后系統(tǒng)試驗(yàn)階段相繼轉(zhuǎn)入系統(tǒng)改進(jìn)和完善階段。而在2000 年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室PJL成功建立了一套高魯棒APT 子系統(tǒng),2003 年前后PJL 開(kāi)展了對(duì)脈位調(diào)制(PPM)接收技術(shù)的研究,提出了PPM 接收機(jī)模型,對(duì)水下激光通信的實(shí)用化有著巨大的推進(jìn)作用。目前，已經(jīng)提出了陸基、天基和空基等通信方案。國(guó)內(nèi)的激光通信研究雖然較美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家晚，但發(fā)展較快，對(duì)于激光通信的信道、時(shí)延和入水的傳輸特性等也多有人討論。

跨水—?dú)饨橘|(zhì)通信

盡管水下激光通信發(fā)展前景比較樂(lè)觀，但距離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用仍存在許多需要攻克的問(wèn)題：1）大氣和海水的隨機(jī)信道對(duì)激光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懮胁幻鞔_；2）開(kāi)發(fā)大功率、低成本的藍(lán)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(huán)這一關(guān)鍵問(wèn)題尚需討論；4）對(duì)激光上行通信的機(jī)理和技術(shù)還需要進(jìn)一步探究。

中微子通信

中微子是一種不帶電、穩(wěn)定、靜止質(zhì)量近似為零的粒子，由泡利在解釋?duì)?衰變損失的動(dòng)量和能量時(shí)提出，并在1956 年被觀測(cè)證實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，中微子以光速運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性相當(dāng)高，只參與弱相互作用，擁有極強(qiáng)的穿透能力，甚至可以穿透地層而通行無(wú)阻，不發(fā)生反射、折射、散射和傳播衰減等現(xiàn)象。目前，對(duì)中微子的研究還處于初步階段。2012 年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速試驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行了一次中微子通信試驗(yàn)。他們使用一臺(tái)粒子加速器，將信息編碼成中微子束而后發(fā)射并穿過(guò)240 米厚的巖石。盡管中微子通信存在理論可行性，但其實(shí)驗(yàn)和工程化進(jìn)展緩慢，根本原因在于中微子的發(fā)射和檢測(cè)依賴高功率的粒子加速器，單次通信的成本高昂，也難以進(jìn)行小型化、移動(dòng)化。只有在中微子的產(chǎn)生、傳輸和檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生技術(shù)性革命，才能使中微子通信具有實(shí)際意義。

其他新型通信理論

有學(xué)者提出了激光聲的跨介質(zhì)下行通信技術(shù)，認(rèn)為用高能激光照射海水，利用光擊穿現(xiàn)象將海水在極短的時(shí)間內(nèi)電離成等離子體，等離子體恢復(fù)的過(guò)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(jié)合了在兩種介質(zhì)中分別最佳的信道物理場(chǎng)，光聲轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到20%～30%，但還需要進(jìn)行進(jìn)一步的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)際環(huán)境下的激光聲信號(hào)傳播情況進(jìn)行研究。

還有學(xué)者設(shè)計(jì)了一套包括光-電系統(tǒng)和模擬信號(hào)處理的激光探測(cè)系統(tǒng)，將光學(xué)振動(dòng)檢測(cè)的方法成功擴(kuò)展到了水的表面，利用檢測(cè)激光反射光線的方法實(shí)現(xiàn)了水表面的微小振動(dòng)探測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)的情況下使用。當(dāng)信號(hào)頻率足夠高，能夠和水面的振動(dòng)區(qū)分開(kāi)時(shí)，可以檢測(cè)出水下目標(biāo)的振動(dòng)頻率。利用頻率信息編碼，可以實(shí)現(xiàn)隱蔽性極高、信息量極大的上行通信。

總結(jié)

研究跨介質(zhì)通信系統(tǒng)，需要兼顧隱蔽性、可靠性、有效性、及時(shí)性和機(jī)動(dòng)性等多個(gè)方面，這是由海洋復(fù)雜多變的環(huán)境決定的。擁有性能更強(qiáng)的通信系統(tǒng)，意味著水下目標(biāo)能夠更安全、更隱蔽地執(zhí)行任務(wù)。從整體角度講，高水下通信能力意味著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的作戰(zhàn)方式能夠向水下環(huán)境進(jìn)發(fā)，保障水下結(jié)構(gòu)獲得信息的能力，提高作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的效率。