對講機通信

或許我們對上面的這種通信場景已經司空見慣；對下面的這種通信場景，也不再感到陌生。

衛星通信示意圖

但是對于大洋中的潛艇、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域，其難度甚至超過了“上九天攬月”。

載人潛水器

近日，環球專網通信發布的《水下通信有望告別“對講機”時代》一文，引起很多通信技術控的熱烈討論和關注，紛紛向小編打聽更多的消息。為此我們特做相關跟蹤報道，以饗讀者。

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

海洋陸地比例圖

由于海洋蘊藏了豐富的資源，包含了無數的科研價值，對于科技、經濟、軍事、環境和政治等的發展起著越來越重要的作用，因此它是人類探索和研究的最前沿的領域之一。當前世界大國、強國都紛紛推行自己的海洋發展戰略，加快對海洋的探索和開發。

而人類高效地研究、利用和保護海洋則離不開水下通信技術和裝備，尤其是水下無線通信技術。一般而言，水下無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，廣泛應用于陸上通信、電視、雷達、導航等領域。但由于海水本身的特性以及海水運動的影響，導致電磁波在海水中衰減極其嚴重，且頻率越高衰減越大。水下實驗表明：MOTE節點發射的無線電波在水下僅能傳播50～120cm。低頻長波無線電波水下實驗可以達到6～8m的通信距離。30～300Hz的超低頻電磁波對海水穿透能力可達100多米，但需要很長的接收天線，這在體積較小的水下節點上無法實現。因此，無線電波只能實現短距離的高速通信，不能滿足遠距離水下組網的要求，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。由于激光只能進行視距通信，兩個通信點間隨機的遮擋都會影響通信性能，容易受到散射、背景輻射的干擾；而且在淺水近距離通信時，高精度瞄準與實時跟蹤比較困難，導致激光通信目前主要應用于衛星對潛通信，水下收發系統的研究滯后。中微子通信的發展前景極其廣闊，但由于技術比較復雜，目前主要停留在實驗室階段。

量子通信

（三）水聲通信

水聲通信是一項在水下收發信息的技術。它的工作原理是首先將文字、語音、圖像等信息經過編碼、調制處理后，由功率放大器推動聲學換能器將電信號轉換為聲信號。聲信號通過水這一介質，將信息傳遞到遠方的接收換能器，這時聲信號又轉換為電信號，經過放大、濾波和數字化后，數字信號處理器對信號進行自適應均衡、糾錯等處理，還原成聲音、文字及圖片。

聲波通信是水下遠程無線信息傳輸的唯一有效和成熟的手段。聲波是水中信息的主要載體，廣泛應用于水下通信、傳感、探測、導航、定位等領域。聲波屬于機械波（縱波），在水下傳輸的信號衰減小（其衰減率為電磁波的千分之一），傳輸距離遠，使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里，適用于溫度穩定的深水通信。

水聲通信系統示意圖

據了解，由于水聲通信是唯一可在水下進行遠程信息傳輸的通信形式，其自身的技術特點和獨特優勢，使其成為海洋資源開發和海洋環境立體監測系統中的重要技術之一，在海洋技術與海洋工程、災害預防和環境保護、航海等領域具有重要的應用價值。有了水聲通信技術，浩瀚無垠、深不可測的海洋立即就變得“透明”起來，大洋的各種觀測數據可以實時地呈現在我們的面前，幫助我們認識和研究海洋。

但由于水下復雜環境和水聲信道的限制，水下聲波通信在質量、效率等方面遠落后于當前飛速發展的無線電通信，難以滿足人們探索海洋和拓展水下空間的需求，所以對于水聲通信技術的探索和利用是當今海洋高技術領域最前沿的技術之一。同時，由于水聲通信技術的敏感性以及巨大應用價值，國外長期將之列為禁止出口中國的高技術產品，目前仍嚴格控制。上世紀90年代初，我國863計劃訪問團在法國考察，有一次當中國專家談起水聲通信技術時，法國人卻聲稱“什么都能談，就是水聲通信不能談。”

法國人的這句話，讓朱維慶等人一直難以忘懷，從那時起，把中國的水聲通信技術搞上去便成了朱維慶等水聲研究人員的一大心愿。而朱維慶后來就是中國首臺載人深潛器——“蛟龍”號專項總體組成員、中科院聲學所的研究員。其弟子朱敏為“蛟龍”號副總設計師、聲學團隊負責人。中科院聲學所經過攻關，研發了用于“蛟龍”號深潛器的高速數字水聲通信系統。這套系統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50度寬廣的范圍內工作，而擴頻和語音通信的工作范圍更廣。載人潛水器母船可以準實時的觀測到潛水器的工作狀態，7秒或者14秒傳輸一幅光圖或聲圖。

“蛟龍”號深潛器

在“蛟龍”號的第四次深潛試驗中，首次突破7000米大關，位于大洋深處的試航員通過水聲通信系統向當時正在天空遨游的神舟九號航天員發出了最誠摯的祝福：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對接順利！祝福我國載人航天、載人深潛事業取得輝煌成就！這種通信的實現，想必只有通信人才能明白其間所經歷的痛苦，也只有通信人才能享受到這種來之不易的喜悅！

為密切配合我國海洋戰略，提高海洋信息科學技術前沿基礎研究能力，我國的科研人員并沒有停歇科研腳步。他們明白，高速數字水聲通信系統在“蛟龍”號上的技術應用范圍還相對較窄，需要開展更為前沿的技術研發和海洋工程應用。

就在去年，國家自然科學基金委信息學部在西北工業大學國際會議中心召開了水下通信與探測重點項目群技術研討會。國家自然基金委信息科學部的相關領導以及多位國內外著名學者及國內近30所大學、科研院所的100余名水聲領域專家代表參加了此次研討會。

國家自然科學基金委水下通信與探測重點項目群研討會

會上，馬遠良院士作了“水聲信號處理中的科學問題和發展展望”的專題報告。中科院聲學所、西北工業大學、華南理工大學、哈爾濱工程大學和浙江大學的重點項目負責人分別匯報了項目進展、組織管理與研究計劃情況。全國多個高校知名教授和中船重工研究所的專家作了19個專題報告，并就水聲通信與探測技術前沿和數據、軟件共享進行了熱烈的討論。國家自然科學基金委相關負責人就水聲領域的十三五發展規劃提出了意見和建議，期待水聲領域研究范圍繼續延伸、研究水平不斷提高。

而今年的5月24日，哈爾濱工程大學水聲學院喬鋼教授所在的科研團隊順利完成了承擔的“遠程、矢量、全雙工水聲通信技術”國家“863”計劃項目，發明了水下多用戶、全雙工的聲波通信方法，并研制了國際上首創的具有全雙工通信能力和組網能力的水聲通信機，解決了過去水下聲通信中收發不能同時工作的問題，取得了水下聲通信領域的重大技術進步。

全雙工水聲通信樣機

近日，科研人員在對樣機的實驗中，成功實現了5公里距離的雙向同步數據傳輸。這一水下聲通信領域的重大技術突破，意味著未來水下通信有望告別“對講機”時代，實現像在陸地上打電話一樣的體驗。

科研人員在海南陵水回收設備

喬鋼教授科研團隊所攻克的水下聲波通信技術，能克服目前水下有纜通信的弱點，大大提高獲取數據的靈活性、時效性，降低風險和費用，同時也是對目前無纜半雙工水下通信設備的創新和提升。在國際上首次實現了單傳感器的水下定向通信和雙用戶通信，極大提高了網絡效率和信息吞吐量，攻克了超寬帶通信中非一致性多普勒補償的難題，提高了水聲通信系統的穩定性。應用該項目，可實現多參數、多站位同步聯合觀測，大幅提升“海洋感知網”的觀測能力。哈工程的這一科研成果，無疑使我國在水聲通信領域獲得了飛躍性的進展。此外，科研團隊在項目的研發過程中，提出了多項原始創新性技術，目前已經在行業中獲得應用。

我們預計，水聲通信的發展，將會對以下應用方向產生重要影響：潛水員、無人潛航器、水下機器人等水下運動單元平臺間的信息交換；海岸檢測、水下節點的數據采集、導航與控制、水下生態保護監測等三維分布式傳感網應用；水下傳感器、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉平臺間的通信。由此可見，水聲通信技術在民用、科研及軍事領域的應用前景將十分廣闊，我國將繼續獨立自主地發展水聲通信！