對(duì)講機(jī)通信

或許我們對(duì)上面的這種通信場(chǎng)景已經(jīng)司空見慣；對(duì)下面的這種通信場(chǎng)景，也不再感到陌生。

衛(wèi)星通信示意圖

但是對(duì)于大洋中的潛艇、載人潛水器等是如何通信的，我們可能反而知之甚少。陸海空通信中，對(duì)于以海洋為典型代表的水下通信，是人類至今仍在努力探索的通信領(lǐng)域，其難度甚至超過了“上九天攬?jiān)?rdquo;。

載人潛水器

近日，環(huán)球?qū)＞W(wǎng)通信發(fā)布的《水下通信有望告別“對(duì)講機(jī)”時(shí)代》一文，引起很多通信技術(shù)控的熱烈討論和關(guān)注，紛紛向小編打聽更多的消息。為此我們特做相關(guān)跟蹤報(bào)道，以饗讀者。

眾所周知，人類賴以生息繁衍的地球，其實(shí)是顆藍(lán)色星球，海洋約占地球表面積的71%，陸地僅為29%。

海洋陸地比例圖

由于海洋蘊(yùn)藏了豐富的資源，包含了無(wú)數(shù)的科研價(jià)值，對(duì)于科技、經(jīng)濟(jì)、軍事、環(huán)境和政治等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因此它是人類探索和研究的最前沿的領(lǐng)域之一。當(dāng)前世界大國(guó)、強(qiáng)國(guó)都紛紛推行自己的海洋發(fā)展戰(zhàn)略，加快對(duì)海洋的探索和開發(fā)。

而人類高效地研究、利用和保護(hù)海洋則離不開水下通信技術(shù)和裝備，尤其是水下無(wú)線通信技術(shù)。一般而言，水下無(wú)線通信主要可以分成三大類：水下電磁波通信、水下量子通信和水聲通信。

（一）水下電磁波通信

電磁波作為最常用的信息載體和探知手段，廣泛應(yīng)用于陸上通信、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。但由于海水本身的特性以及海水運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致電磁波在海水中衰減極其嚴(yán)重，且頻率越高衰減越大。水下實(shí)驗(yàn)表明：MOTE節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線電波在水下僅能傳播50～120cm。低頻長(zhǎng)波無(wú)線電波水下實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到6～8m的通信距離。30～300Hz的超低頻電磁波對(duì)海水穿透能力可達(dá)100多米，但需要很長(zhǎng)的接收天線，這在體積較小的水下節(jié)點(diǎn)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，無(wú)線電波只能實(shí)現(xiàn)短距離的高速通信，不能滿足遠(yuǎn)距離水下組網(wǎng)的要求，陸地通信倚靠的“利器“到了水中特別是深海中卻沒了用武之地。

（二）水下量子通信

水下量子通信主要包括水下激光通信和水下中微子通信。由于激光只能進(jìn)行視距通信，兩個(gè)通信點(diǎn)間隨機(jī)的遮擋都會(huì)影響通信性能，容易受到散射、背景輻射的干擾；而且在淺水近距離通信時(shí)，高精度瞄準(zhǔn)與實(shí)時(shí)跟蹤比較困難，導(dǎo)致激光通信目前主要應(yīng)用于衛(wèi)星對(duì)潛通信，水下收發(fā)系統(tǒng)的研究滯后。中微子通信的發(fā)展前景極其廣闊，但由于技術(shù)比較復(fù)雜，目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

量子通信

（三）水聲通信

水聲通信是一項(xiàng)在水下收發(fā)信息的技術(shù)。它的工作原理是首先將文字、語(yǔ)音、圖像等信息經(jīng)過編碼、調(diào)制處理后，由功率放大器推動(dòng)聲學(xué)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)。聲信號(hào)通過水這一介質(zhì)，將信息傳遞到遠(yuǎn)方的接收換能器，這時(shí)聲信號(hào)又轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波和數(shù)字化后，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)均衡、糾錯(cuò)等處理，還原成聲音、文字及圖片。

聲波通信是水下遠(yuǎn)程無(wú)線信息傳輸?shù)奈ㄒ挥行Ш统墒斓氖侄巍Ｂ暡ㄊ撬行畔⒌闹饕d體，廣泛應(yīng)用于水下通信、傳感、探測(cè)、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。聲波屬于機(jī)械波（縱波），在水下傳輸?shù)男盘?hào)衰減小（其衰減率為電磁波的千分之一），傳輸距離遠(yuǎn)，使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里，適用于溫度穩(wěn)定的深水通信。

水聲通信系統(tǒng)示意圖

據(jù)了解，由于水聲通信是唯一可在水下進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)耐ㄐ判问剑渥陨淼募夹g(shù)特點(diǎn)和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其成為海洋資源開發(fā)和海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一，在海洋技術(shù)與海洋工程、災(zāi)害預(yù)防和環(huán)境保護(hù)、航海等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。有了水聲通信技術(shù)，浩瀚無(wú)垠、深不可測(cè)的海洋立即就變得“透明”起來(lái)，大洋的各種觀測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)在我們的面前，幫助我們認(rèn)識(shí)和研究海洋。

但由于水下復(fù)雜環(huán)境和水聲信道的限制，水下聲波通信在質(zhì)量、效率等方面遠(yuǎn)落后于當(dāng)前飛速發(fā)展的無(wú)線電通信，難以滿足人們探索海洋和拓展水下空間的需求，所以對(duì)于水聲通信技術(shù)的探索和利用是當(dāng)今海洋高技術(shù)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一。同時(shí)，由于水聲通信技術(shù)的敏感性以及巨大應(yīng)用價(jià)值，國(guó)外長(zhǎng)期將之列為禁止出口中國(guó)的高技術(shù)產(chǎn)品，目前仍嚴(yán)格控制。上世紀(jì)90年代初，我國(guó)863計(jì)劃訪問團(tuán)在法國(guó)考察，有一次當(dāng)中國(guó)專家談起水聲通信技術(shù)時(shí)，法國(guó)人卻聲稱“什么都能談，就是水聲通信不能談。”

法國(guó)人的這句話，讓朱維慶等人一直難以忘懷，從那時(shí)起，把中國(guó)的水聲通信技術(shù)搞上去便成了朱維慶等水聲研究人員的一大心愿。而朱維慶后來(lái)就是中國(guó)首臺(tái)載人深潛器——“蛟龍”號(hào)專項(xiàng)總體組成員、中科院聲學(xué)所的研究員。其弟子朱敏為“蛟龍”號(hào)副總設(shè)計(jì)師、聲學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。中科院聲學(xué)所經(jīng)過攻關(guān)，研發(fā)了用于“蛟龍”號(hào)深潛器的高速數(shù)字水聲通信系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的作用距離幾乎覆蓋了所有海洋深度，水聲相干和非相干通信可以在正負(fù)50度寬廣的范圍內(nèi)工作，而擴(kuò)頻和語(yǔ)音通信的工作范圍更廣。載人潛水器母船可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)的觀測(cè)到潛水器的工作狀態(tài)，7秒或者14秒傳輸一幅光圖或聲圖。

“蛟龍”號(hào)深潛器

在“蛟龍”號(hào)的第四次深潛試驗(yàn)中，首次突破7000米大關(guān)，位于大洋深處的試航員通過水聲通信系統(tǒng)向當(dāng)時(shí)正在天空遨游的神舟九號(hào)航天員發(fā)出了最誠(chéng)摯的祝福：葉聰、楊波、劉開周三名潛航員祝福景海鵬、劉旺、劉洋三位航天員與天宮一號(hào)對(duì)接順利！祝福我國(guó)載人航天、載人深潛事業(yè)取得輝煌成就！這種通信的實(shí)現(xiàn)，想必只有通信人才能明白其間所經(jīng)歷的痛苦，也只有通信人才能享受到這種來(lái)之不易的喜悅！

為密切配合我國(guó)海洋戰(zhàn)略，提高海洋信息科學(xué)技術(shù)前沿基礎(chǔ)研究能力，我國(guó)的科研人員并沒有停歇科研腳步。他們明白，高速數(shù)字水聲通信系統(tǒng)在“蛟龍”號(hào)上的技術(shù)應(yīng)用范圍還相對(duì)較窄，需要開展更為前沿的技術(shù)研發(fā)和海洋工程應(yīng)用。

就在去年，國(guó)家自然科學(xué)基金委信息學(xué)部在西北工業(yè)大學(xué)國(guó)際會(huì)議中心召開了水下通信與探測(cè)重點(diǎn)項(xiàng)目群技術(shù)研討會(huì)。國(guó)家自然基金委信息科學(xué)部的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)以及多位國(guó)內(nèi)外著名學(xué)者及國(guó)內(nèi)近30所大學(xué)、科研院所的100余名水聲領(lǐng)域?qū)＜掖韰⒓恿舜舜窝杏憰?huì)。

國(guó)家自然科學(xué)基金委水下通信與探測(cè)重點(diǎn)項(xiàng)目群研討會(huì)

會(huì)上，馬遠(yuǎn)良院士作了“水聲信號(hào)處理中的科學(xué)問題和發(fā)展展望”的專題報(bào)告。中科院聲學(xué)所、西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和浙江大學(xué)的重點(diǎn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人分別匯報(bào)了項(xiàng)目進(jìn)展、組織管理與研究計(jì)劃情況。全國(guó)多個(gè)高校知名教授和中船重工研究所的專家作了19個(gè)專題報(bào)告，并就水聲通信與探測(cè)技術(shù)前沿和數(shù)據(jù)、軟件共享進(jìn)行了熱烈的討論。國(guó)家自然科學(xué)基金委相關(guān)負(fù)責(zé)人就水聲領(lǐng)域的十三五發(fā)展規(guī)劃提出了意見和建議，期待水聲領(lǐng)域研究范圍繼續(xù)延伸、研究水平不斷提高。

而今年的5月24日，哈爾濱工程大學(xué)水聲學(xué)院?jiǎn)啼摻淌谒诘目蒲袌F(tuán)隊(duì)順利完成了承擔(dān)的“遠(yuǎn)程、矢量、全雙工水聲通信技術(shù)”國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目，發(fā)明了水下多用戶、全雙工的聲波通信方法，并研制了國(guó)際上首創(chuàng)的具有全雙工通信能力和組網(wǎng)能力的水聲通信機(jī)，解決了過去水下聲通信中收發(fā)不能同時(shí)工作的問題，取得了水下聲通信領(lǐng)域的重大技術(shù)進(jìn)步。

全雙工水聲通信樣機(jī)

近日，科研人員在對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)了5公里距離的雙向同步數(shù)據(jù)傳輸。這一水下聲通信領(lǐng)域的重大技術(shù)突破，意味著未來(lái)水下通信有望告別“對(duì)講機(jī)”時(shí)代，實(shí)現(xiàn)像在陸地上打電話一樣的體驗(yàn)。

科研人員在海南陵水回收設(shè)備

喬鋼教授科研團(tuán)隊(duì)所攻克的水下聲波通信技術(shù)，能克服目前水下有纜通信的弱點(diǎn)，大大提高獲取數(shù)據(jù)的靈活性、時(shí)效性，降低風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，同時(shí)也是對(duì)目前無(wú)纜半雙工水下通信設(shè)備的創(chuàng)新和提升。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了單傳感器的水下定向通信和雙用戶通信，極大提高了網(wǎng)絡(luò)效率和信息吞吐量，攻克了超寬帶通信中非一致性多普勒補(bǔ)償?shù)碾y題，提高了水聲通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用該項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多站位同步聯(lián)合觀測(cè)，大幅提升“海洋感知網(wǎng)”的觀測(cè)能力。哈工程的這一科研成果，無(wú)疑使我國(guó)在水聲通信領(lǐng)域獲得了飛躍性的進(jìn)展。此外，科研團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目的研發(fā)過程中，提出了多項(xiàng)原始創(chuàng)新性技術(shù)，目前已經(jīng)在行業(yè)中獲得應(yīng)用。

我們預(yù)計(jì)，水聲通信的發(fā)展，將會(huì)對(duì)以下應(yīng)用方向產(chǎn)生重要影響：潛水員、無(wú)人潛航器、水下機(jī)器人等水下運(yùn)動(dòng)單元平臺(tái)間的信息交換；海岸檢測(cè)、水下節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航與控制、水下生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)等三維分布式傳感網(wǎng)應(yīng)用；水下傳感器、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉(zhuǎn)平臺(tái)間的通信。由此可見，水聲通信技術(shù)在民用、科研及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊，我國(guó)將繼續(xù)獨(dú)立自主地發(fā)展水聲通信！