水下无线通信技术发展研究

第47卷第6期2014年6月通信技术

Communications Technology Vol.47No.6Jun.2014

doi :10.3969/j.issn.1002-0802.2014.06.001

水下无线通信技术发展研究

1

周王毅凡,

22

密,宋志慧

*

(1.解放军61580部队,北京100094;2.解放军91746部队,北京102206)

摘要:水下无线通信是水下通信技术的重要分支,是进行水下监测、水下开发和开展水下军事斗争

的关键支撑。为了争夺水下资源和增强水下作战能力,水下无线通信已成为世界大国竞相发展的重要通信技术之一。文章首先介绍了水下无线电磁波通信、水声通信等水下无线通信的发展现状,接着对水下光通信、引力波通信、中微子通信、水下量子通信等水下无线通信的发展进行了展望,最后分析了水下无线通信技术发展面临的问题。

关键词:水下通信无线通信水声通信光通信低频通信中图分类号:TN914文献标志码:A 文章编号:1002-0802(2014)06-0589-06

Development of Underwater Wireless Communication Technology

WANG Yi -fan 1,ZHOU Mi 2,SONG Zhi -hui 2

(1.Unit 61580of PLA ,Beijing 100094,China ;2.Unit 91746of PLA ,Beijing 102206,China )

Abstract :Underwater wireless communication ,as an important part of underwater communication technolo-gy ,plays a pivotal role in the underwater surveillance ,underwater exploration and conducting an underwa-ter combat.In order to compete for underwater resources and improve the underwater combat capability ,underwater wireless communication has been a competing technology in the world.The article introduces the status quo of development of wireless electromagnetic wave and underwater acoustic communication ,and then illustrates the future possible development of the submarine optical communication ,gravitational wave communication ,neutrino communication ,and underwater quantum communication technologies.At last ,it analyzes the possible challenges of underwater wireless communication technology.

Key words :underwater wireless communication ;radio communication ;underwater acoustic communica-tion ;low frequency communication

0引言

艇、无人潜航器、水下观测系统等)的通信或水下目标之间的通信,通常指在海水或淡水中的通信,是相对于陆地或空间通信而言的。水下通信分为水下有线通信和水下无线通信。水下无线通信又可分为水下无线电磁波通信和水下非电磁波通信两种。1.1

水下无线电磁波通信

水下无线电磁波通信是指用水作为传输介质,把不同频率的电磁波作为载波传输数据、语言、文字、图像、指令等信息的通信技术

[1]

蕴藏着丰富的海洋占地球表面积的71%以上,

资源。随着陆地资源的过度开采,海洋成为人类生存与发展的最后的地球空间,在国家安全、利益和发展中的地位作用日益明显。水下无线通信是水下通信技术的重要组成,是进行水下监测、水下开发和开展水下军事斗争的关键支撑。为了争夺水下资源和增强水下作战能力,水下无线通信已成为世界大国竞相发展的重要的通信技术之一。

。电磁波是横

波,在有电阻的导体中的穿透深度与其频率直接相

1水下无线通信技术发展现状

水下通信一般是指水上实体与水下目标(潜

*

收稿日期:2014-04-10;修回日期:2014-05-15

关,频率越高,衰减越大,穿透深度越小,频率越低,衰减相对越小,穿透深度越大。海水是良性的导体,

Receiveddate :2014-04-10;Reviseddate :2014-05-15

·589·

趋肤效应较强,电磁波在海水中传输时会造成严重的影响,原本在陆地上传输良好的短波、中波、微波等无线电磁波在水下由于衰减的厉害,几乎无法传播。目前,各国发展的水下无线电磁波通信主要使Very Low Frequency )、用甚低频(VLF ,超低频(SLF ,Super Low Frequency )和极低频(ELF ,Ex-tremely Low Frequency )三个低频波段。低频波段的电磁波从发射端到接收的海区之间的传播路径处于大气层中,衰减较小,可靠性高,受昼夜、季节、气候条件影响也较小。从大气层进入海面再到海面以下一定深度接收点的过程中,电磁波的场强将急剧下降,衰减较大,但受水文条件影响甚微,在水下进行通信相当稳定。因此,水下无线电磁波通信主要用于远距离的小深度的水下通信场景。1.1.1甚低频(VLF )通信

甚低频通信频率范围为3 30kHz ,波长为10 100km ,甚低频电磁波能穿透10 20m 深的海水

[2]

且只能由岸基向水下目标(潜艇)发送信号。超低频通信一般只能用事先约定的几个字母的组合进行

简单的通信,并且发送一封3个字母组合的电报需要十几分钟。但超低频通信系统的抗干扰能力强,核爆炸产生的电磁脉冲对其影响比较小,适合于对核潜艇的通信。

1.1.3极低频(ELF )通信

极低频(ELF )的频率范围为3 30Hz ,波长在10000 100000km 。极低频信号在海水中的衰减远比甚低频或超低频低得多,穿透海水的能力比超低频深很多,能够满足潜艇潜航时的安全深度。此外,极低频对传播条件要求不敏感,受电离层的扰动干扰小,传播稳定可靠,相较于甚低频或超低频,在水中更容易传送。但是极低频每分钟可以传送的数据相对较少,目前只用于向潜艇下达进入/离开海底的简短命令。极低频通信是目前技术上唯一可实现潜艇水下安全收信的通信手段,不受核爆炸和电磁脉冲的影响,信号传播稳定,是对潜指挥通信的重要手段。

水下无线电磁波通信是当前和未来一个时期主要的水下通信技术,未来有三大发展趋势:一是向极低频通信发展,对超导天线和超导藕合装置的研究将成为热点。二是发展顽存机动发射平台,比如:机载、车载及舰载甚低频通信系统。三是提高发射天线辐射效率和等效带宽,提高传输速率。1.2

水声通信

。但信号强度很弱,水下目标(潜艇等)难以持

续接收。用于潜艇与岸上通信时,潜艇必须减速航

行并上浮到收信深度,容易被第三方发现。甚低频通信的发射设备造价昂贵,需要超大功率的发射机和大尺寸的天线。潜艇只能单方接收岸上的通信,如果要向岸上发报,必须上浮或释放通信浮标。当浮标贴近水面时,也易被敌人从空中观测到。尽管如此,甚低频仍是目前比较好的对潜通信手段。如:美国海军就建成了全球性的陆基甚低频对潜通信网,网台分布在本土及日本、巴拿马、澳大利亚和英国等国。此外,甚低频的发射天线庞大,易遭受攻击。目前,正在发展具有较高生存能力的机载甚低频通信系统。如美国就以大型运输机EC -130Q 为

“塔卡木”甚低频水下通信系统,载台,研制了当陆基固定发射台被摧毁时,能用飞机向潜艇提供通信

保障。1.1.2

超低频(SLF )通信

超低频频率范围是30 300Hz ,波长为1000 10000km 。超低频电磁波可穿透约100m 深的海水,信号在海水中传播衰减比甚低频小一个数量级。超低频水下通信是一种低数据率、单向、高可靠性的通信系统。如果使用先进的接收天线和检测设备,能让水下目标(潜艇)在水下400m 深处收到岸上发出的信号,通信距离可达几千海里,但潜艇接收用的拖曳天线也要比接收甚低频信号长。1986年,美国建成超低频电台,系统总跨度达258km ,天线总长达135km 。超低频通信的频带很窄,传输速率很低,并·590·

水声通信是指利用声波在水下的传播进行信息

的传送,是目前实现水下目标之间进行水下无线中、远距离通信的唯一手段。声波在海面附近的传播速度为1520m /s,比电磁波在真空中的传播速率低5个数量级。与电磁波相比较,声波是一种机械振动产生的波,是纵波,在海水中衰减较小,只是电磁波的千分之一,在海水中通信距离可达数十公里。研究表明,在非常低的频率(200Hz 以下)下,声波在水下能传播数百公里,即使20kHz 的频率,在海水中的衰减也只是2 3db /km。另外,科学家还发现,在海平面下600 2000m 之间存在一个声道窗口,声波可以传输数千公里之外,并且传播方式和光波在光波导内的传播方式相似,目前世界各国潜艇的下潜深度一般是250 400m ,未来潜深将会达到1000m ,因此说,水声通信是目前最成熟也是很有发展前景的水下无线通信手段

[3]

水声通信的工作原理是将语音、文字或图像等信息转换成电信号,再由编码器进行数字化处理,然

后通过水声换能器将数字化电信号转换为声信

[4]

号。声信号通过海水介质传输,将携带的信息传递到接收端的水声换能器,换能器再将声信号转换为电信号,解码器再将数字信息解译后,还原出声音、文字及图片信息。图1给出了水声通信系统的基本框架。水声换能器是将电信号与声信号进行互相转换的仪器,是水声通信的关键技术之一

中、近程的,传输速率也较低。虽然近年来水声通信

技术得到了较快的发展,但仍无法满足远距离、大容量、实时化的传输需要。随着水下通信技术需求的不断扩大,在继续完善水下无线电磁波通信和水声通信技术的同时,研究开发新的水下通信技术成为一种趋势。2.1

水下无线光通信

1963年,S ·Q ·Dimtley 和S ·A ·Sullian 等学者在研究光波在海水中传播的特性时,发现海水对0.45 0.55微米的蓝绿光的衰减,相比对其他波段的光波要小的多,说明海水中存在一个对蓝绿光的

[6]

透光窗口。后来又通过试验证实,在垂直入射时,蓝绿光能穿透2000m 深的海水,而衰减只有

图1水声通信系统基本框架

Fig.1Basic frame of underwater acoustic communication systems

5% 10%,这个穿透深度已远远超过了世界各国潜艇的最大潜深。1979年,美国率先提出了利用0.498微米的蓝绿激光对潜通信的设想。

水下无线光通信,是指利用蓝绿波长的光进行的水下无线光通信,和水声通信及水下无线电磁波通信相比,具有如下优势:一是光波工作频率高(1012 1014Hz ),信息承载能力强,可以组建大容量

[7]

可提供超无线通信链路。二是数据传输能力强,过1Gb /s量级的数据速率,能传输语音、图像和数据

等信号。三是水下无线光通信不受海水的盐度、温度、电磁和核辐射等影响,抗干扰、抗截获和抗毁能力强。四是光波的波束宽度窄,方向性好,能够避免敌方的侦测,例如,如果敌方想拦截,就必须用另一部接收设备在视距内对准光发射源,必然会造成通信中断,引起发射端警觉。五是光波的波长短,收发天线尺寸小,可以大幅度减少光通信的设备重量。六是对海水的穿透能力强,能实现与水下300m 以上深度的潜艇进行通信。潜艇可以在工作深度或更深的海水中接收岸上发的报文,提高了潜艇的机动性和隐蔽性,保障潜艇的实时、保密通信,增强了潜艇的顽存力。

20世纪70年代,水下光通信技术开始受到重

1977年,视。美国在此领域起步较早,美国开始提出战略激光通信计划。从1980年起,美国开始以

每两年一次的频率,共进行了6次蓝绿激光对潜通信试验,期间实现了在12km 高空对水下300m 潜艇的单工激光通信,并利用无人机在更高的高空,实现了与正常下潜深度和航速航行的潜艇的双工激光通信试验,证实蓝绿激光能够在各种海洋条件下和几乎全天候气象条件的进行高速通信。1983年年底,前苏联完成了把蓝色激光束发送到空间轨道反射镜

·591·

自从水声通信研发成功以来,世界上已发展出多种水声通信技术

[5]

。一是单边带调制技术。1945

年,美国研制成功世界上第一个水声通信系统,采用

载波为8 11kHz ,工作距离仅了单边带调制技术,

有几公里。二是移频键控(FSK )技术。20世纪70

年末,美国开始研发基于FSK 调制技术的水声通信系统,在技术上逐渐提高。三是移相键控(PSK )技术。20世纪80年代初,美国开始研发基于PSK 调制技术的水声通信系统,发展出非相干通信和相干通信两种方式。相干通信是指接收机事先知道发射机的相位信息和载频频率,而非相干通信是指接收机事先不知道发射机载频及相位信息。相干通信的算法和结构一般比非相干通信复杂,但通信距离较远。目前,正在由非相干通信向相干通信发展。水声通信技术发展的已经较为成熟,国外都已研制出水声通信调制器,通信方式主要有:OFDM 、扩频以及其它的一些调制方式。此外,水声通信技术已发展到网络化的阶段,将无线电中的网络技术(Ad Hoc )应用到水声通信网络中,可以在海洋里实现全方位、立体化通信,但只有美国等少数国家试验成功。

2水下无线通信技术发展趋势

水下无线电磁波通信对海水的穿透深度极其有

耗资巨大,并且易遭受敌限,数据传输速率非常低,

方攻击或信息干扰。水声通信是唯一实现水下目标之间通信的技术,但由于海水吸收、多径效应、多普勒效应、随机起伏等原因,使水声通信的距离只能是

后再转发到水下弹道潜艇的激光通信试验。2008年,美国F.Hanson 等人在实验室中首次实现了传输速率高达1Gb /s的水下光通信。2010年2月,美国伍兹霍尔海洋研究所实现100m 范围内,水下光通信速率达到10 20Mb /s的能力。然而,到目前为止,商用的水下光通信技术还不成熟。2.2

水下中微子通信

[9]

2.3引力波通信

引力波是指时空曲率中以波的形式从辐射源向

外传播的扰动,会以引力辐射的形式传递能量。引力波的频率大约在10 32Hz 左右,极其微弱。1916年,阿尔伯特·爱因斯坦就预言了引力波的存在,并推导出一般相对论引力场的方程式,表示引力

[11]

拉场的波动是以光的速度来传播的。1993年,塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒因发现赫尔斯-泰勒证脉冲双星由于引力辐射在互相公转时逐渐靠近,明了引力波的存在,而获得诺贝尔物理学奖。

1983年,日本科学家将两根长152cm 、直径29.1cm 的铝棒分别放置相距1.72m 的位置,通过电磁振动方式使其中一根铝棒振动产生引力波,另一根铝棒作为引力波的接收天线,来接收引力波。实验证明,接收的铝棒发生了1000亿分之一的畸变,同时铝棒上的压电传感器产生了1μV 的电压,可以用现代信息技术检测到。试验中发射天线发出的是莫尔斯信号,接收天线也收到了同样的信号,证明了引力波通信的可行性。2014年3月17日,哈佛-史密松天体物理中心的天文学家利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到引力波的效应。

引力波通信是指利用引力波来传播信号,完全不同于电磁波通信。电磁波是由于电荷的振动产生的,而引力波则是由物质的振动而产生的,是一种以光速传播的横波,具有很强的穿透力,没有任何物质能阻挡住引力波的传播。实验证明,引力波在通过介质时,能量被介质损耗一半的距离很大,在水中是1029km ,在铁中是1030km ,即使整个宇宙中充满了铁,利用引力波也可进行贯通宇宙通信,可见引力波将是一种极好的极远距离通信载波。另外,引力波的能量与振动频率的6次方成正比,加快物质的振动频率可提高发射能量,进而扩大引力波的通信距离。引力波将是未来水下通信的最好选择之一。2.4

水下量子通信

中微子通信是指利用中微子基石粒子携带信息进行通信的传输技术。中微子是原子核内的质子或中子发生衰变时产生的,大量存在于光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石中。中微子的质量极小,几乎为零,比电子的质量还要小近10个数量级。同时,中微子不带电荷,是一种体积极小且稳定的中

[10]性基本粒子。中微子粒子束具有两个特点,一是

并不参与电只参与原子核衰变时的弱相互作用力,

磁力、重力以及中子和质子结合的强相互作用力,与

其他粒子之间没有什么牵制的作用力,在固体中运动不受阻挡,损耗非常小,具有极强的穿透力,能够以近似光的速度直线传播,在传播过程中不会发生折射、反射和散射等现象,几乎不产生衰减,极易穿透钢铁、海水,乃至整个地球,而不会停止、减速以及改变方向,方向性极强。二是中微子粒子束穿越海水中时,会产生光电效应,发出微弱的蓝色光,并且衰减很小。

中微子具有极强的穿透能力,非常适合水下通信的需求,完成岸上与水下任意深处的通信联络。并且,不易被侦察、干扰、截获和摧毁,不会污染环境,不受电磁干扰和核爆炸辐射的影响,具有通信容量大、保密性好、抗干扰能力强等优点。1933年,奥

“中微子”地利物理学家泡利提出了假说。1956年,欧美科学家证明了中微子的存在。1968年,美国在

地下金矿中建造了一个大型中微子探测器,探测到来自太阳的中微子。1984年美国一艘核潜艇做水下环球潜行时,正是采用中微子通信保证了联系。1998年6月5日,日本科学家首次发现了中微子振荡的确切证据。2012年3月,美国科学家首次利用中微子穿过大地成功传送了信息。2013年11月21日,多国研究人员利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。据科学测定,高能中微子束在穿透地球后,衰减也不足千分之一,利用中微子进行水下通信,可满足潜艇在深海任意深度进行实时不间断的接收报文。近年来,人们对中微子探测器和中微子振荡进行了大量的实验研究,为水下中微子通信提供了理论基础。·592·

量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应

进行信息传递的一种新型通信技术,具有时效性高、抗干扰性能强、保密性和隐蔽性能好等优点

[12]

。量

子通信技术在实际应用中已经取得了一些成果,在陆地通信中已经可以实现144km 的传输。随着量子中继设备的不断发展,量子通信的传输距离将有更大的突破。2014年4月,我国开始建设世界上最远——连接北京和上海,光距离的光纤量子通信干线—

纤距离达到2000km 。量子通信的天然安全性,满

足了水下军事通信的基本要求,量子隐形传态通信

与传输介质无关是水下通信的安全保证。相比于传统水下经典通信,量子通信具有抗毁性强、安全性好、传输效率高的优势。2014年4月,中国海洋大学Peng Shi 及其团队在arXiv 网站上发表报告,认为水下量子通信在短距离内是可能的,并计算了光子在保存其携带的量子信息的同时,进行水下量子通信能最远传输125m 。因此,将量子通信技术用于水下目标的通信,对于提高信息传输的准确性,保证信息安全性具有很高的价值。2.5

水下无线中长波通信

展的中长波通信,都是利用无线电磁波进行水下通信,由于海水存在趋肤效应,严重影响了无线电磁波在海水中的传输距离。一是在水下的通信深度有限,即使极低频通信也只能对水下几百米深的目标进行通信。二是发射设备耗资巨大,占地面广,发射功大,性价比差。三是数据传输速率极低,通信容量小,只能单向接收,不能双向通信,难满足对潜实时指挥的要求。四是通信系统的体积庞大,特别是天线系统,易受到敌人的火力打击。3.2

水声通信面临的问题

水声通信是目前发展成熟的水下通信技术,但也面临诸多的问题

[8]

中长波通信是指利用中长波波段的电磁波为传

输媒介,把信息从一个地方传送到另一个地方的一

[1]

中长波的频率范围是30 种无线电通信,

3000kHz 。水下无线中长波通信,是指利用中长波波段的电磁波作为载波进行的水下无线通信。相比其他水下无线通信技术,具有如下优点:一是通信频率高。远高于水声通信(50kHz 以下),也高于甚低频通信(30kHz 以下),能实现大约100kb /s左右的数据传输速率。二是抗干扰能力强。应用扩频技术可以将掩没于噪声中的信息解扩出来,完成通信过程。同时不受水质优劣和海浪等动态因素的影响,不被海水吸收衰减,优于水下光通信。三是传输速度快,传输时延小。发射机在水下可釆用密封方式,数据通过传输线传到发射机上通过天线发射到水中。电磁波频率越高,水下传播速率越快。四是功耗低,供电方便。高数据传输率降低了单位数据量的传输时间,减小了功率的损耗,提高了工作效率。

5 lO mW 即可在通信所需的传感器的耗电量方面,

进行一次水中通信。五是安全系数高,对水中的环境无影响。六是中长波主要以表面波的形式沿地球表面传播,波长很长,受地形地物影响小,衰减慢,传输距离远,通信稳定,数据传输速率较高。近年来,随着数字化通信技术的日趋成熟和中长波新功能器件的研发,将中长波通信技术用于水下无线通信将是一个新的研究热点。

。一是传输速率低、传输延时

长。水下声波的传播速度约为1500m /s,比光波在

空气中传输低了5个数量级,同时,传输速率会随着距离的增大而降低。二是可用带宽有限。水声通信的传输带宽是时变的,通信容量比陆地上的无线通信低很多,加之水声通信有多址接入、噪声和干扰和信道衰落等不利因素的影响,实际中的通信容量更低。三是水声通信系统的体积大,功耗多,成本高。四是水声通信易受环境干扰。水声信号质量与水温、盐度、压力等环境密切相关,在恶劣海洋环境下极易通信中止。五是水声通信信号容易被监听,安全性差等。3.3

水下光通信面临的问题

水下光通信提供了一种高速率通信的可能,但要真正的实用化还面临的一些问题。一是光损耗大。海水能吸收不同波长的光信号,水中的浮游动植物对光有遮挡,还会对光线产生折射和散射作用,造成很大的衰减。二是蓝绿激光与大多数海洋生物发出的光的光谱相吻合,易对通信造成干扰。三是光通信仍然是一种单向的通信系统,在潜艇上目前仍然无法安装激光发生器发出信息,实现双向通信。四是光通信具有极强的方向性,通信时必须知道水下目标所处的大致位置,才能向其发送信息。五是光通信还需借助高空飞行器(飞机或卫星)发射激光,战时易被摧毁,造成通信中断。3.4

引力波通信面临的问题

引力波在理论上可以取任何频率,但极低频率几乎无法探测,而极高频率也没有可观测的已知波源。有学者预测,可以被探测到的引力波频率在7 10Hz 和10 11Hz 之间。由于引力波比较微弱,因此,当利用引力波进行通信时,在检测(接收)方面存在很大的困难。

·593·

3水下无线通信技术面临的问题

无论正在应用的水下无线电磁波通信或是水声以及未来发展的水下无线通信都面临着技术通信,

上的难题,从不同方面制约着水下通信技术的发展和应用。3.1

水下无线电磁波通信面临的问题

当前的甚低频、超低频、极低频通信以及正在发

3.5水下中微子通信面临的问题

目前,对中微子的研究尚处于初步阶段,利用中微子进行水下通信存在的问题有:一是中微子检测比较困难。中微子与其他物质的相互作用极小,中微子的探测器必须够大,以求能观测到足够数量的中微子。二是发射端的加速器体积庞大,体格高,实际通信中所需的中微子数目大,现有的质子同步加速器远远不能满足要求,另外,控制中微子发射方向的偏转器的体积也较大。3.6

水下量子通信面临的问题

水下量子通信的研究也处于刚起步阶段,面临的主要问题有:一是通信距离近。目前,量子通信在陆地上只达到了百里级,在水下的试验距离也只有100多米,无法达到远距离水下潜艇通信的需求。二是量子(光子)的制备、量子态控制及量子测量等技术还不成熟。三是减少光子损耗和量子退相干面临技术难题等。

4结语

随着全球目光向海洋聚焦,水下无线通信的重要性日益突显。当前,水下无线通信还面临着水中通信距离短、通信容量小、传输速度低,无法完全实现双方实时通信等问题。但随着信息技术的发展和通信器件的研发,相信水下无线通信技术会逐步得到完善和改进,为水下资源开发和水下军事斗争提供强有力的通信保障。参考文献:

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作者简介

王毅凡(1968—),男,硕士研究生,高级工

程师,主要研究方向为信息安全和通信技术;

WANG Yi -fan ,(1968-),male ,gradu-ate student ,senior engineer ,mainly engaged in the research of information security and commu-nications technology.

助理周密(1979—),女,硕士研究生,

工程师,主要研究方向为信息技术;

female ,graduate student ,assistant en-ZHOU Mi (1979-),

gineer ,mainly engaged in the research of information technology.

女,硕士,工程师,主要研究方向为信宋志慧(1977—),

息安全和通信技术。

M.Sci.,engineer ,SONG ZHi -Hui (1977-),female ,

mainly engaged in the research of information security and com-munications technology.

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