制圖：賀逸舒
浩瀚的“龍宮”雖然神奇，但如何在水下保持與外界的“飛鴻傳書”，依舊是一道尚未完全攻破的世界性難題。除了把低頻電磁波、聲波和光波作為主要水下信息通信載體外，美國麻省理工學(xué)院的研究人員日前推出了一套“平移聲學(xué)-射頻通信”系統(tǒng)，通過綜合運(yùn)用聲吶和雷達(dá)技術(shù)，試圖實(shí)現(xiàn)潛艇等“深海巨獸”與水面艦艇乃至飛機(jī)、衛(wèi)星之間的高速通信。
長期以來，制約水下作戰(zhàn)的重要因素，就是無法建立起水下通信的“信息高速路”。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬變，戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝，只有建立高效穩(wěn)定的水下通信系統(tǒng)，才能充分挖掘出水下作戰(zhàn)的巨大潛能。尤其是伴隨著軍事物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，未來水下作戰(zhàn)對(duì)潛艇、無人潛航器等戰(zhàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信提出了新的更高要求，推動(dòng)著人們對(duì)于水下通信技術(shù)不斷進(jìn)行研究探索。
探秘“龍宮”—
電磁波通信成了“旱鴨子”
水下通信一般是指水上實(shí)體與潛艇、無人潛航器等水下目標(biāo)的通信或水下目標(biāo)之間的通信。由于海洋環(huán)境中各種復(fù)雜因素的存在，使得水下通信一直滯后于地面、空中和空間通信的發(fā)展，也成為制約信息化戰(zhàn)場(chǎng)水下作戰(zhàn)戰(zhàn)力提升的瓶頸。
說起通信，人們廣泛使用的電磁波在水下衰減很快，穿透海水傳輸數(shù)據(jù)的能力相對(duì)薄弱，是個(gè)不折不扣的“旱鴨子”。譬如，我們把手機(jī)用防水袋包裹好放入水中，信號(hào)就會(huì)大幅度衰減，這就是電磁波在水中傳輸能力的簡單驗(yàn)證。
給航行在大洋深處的潛艇發(fā)一封電報(bào)，要多久？現(xiàn)有的技術(shù)水平大概是30分鐘。目前，世界各國廣泛使用的通信方式，主要是甚低頻和超低頻等長波通信手段。日本是最早實(shí)現(xiàn)甚低頻技術(shù)實(shí)用化的國家，早在1929年就建成了佐佐美通信站。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國和英國海軍也相繼建成了甚低頻通信站。從20世紀(jì)50年代開始，伴隨著彈道導(dǎo)彈潛艇的誕生，利用超低頻率電磁波面向全球傳播的超低頻通信方案應(yīng)運(yùn)而生，為潛艇遠(yuǎn)洋隱蔽通信立下了汗馬功勞。從1985年起，美國先后多次完成超低頻通信試驗(yàn)，各軍事強(qiáng)國也加大了對(duì)超低頻通信系統(tǒng)的研究。
即便是目前相對(duì)較為成熟的超低頻通信系統(tǒng)，也只能穿透100米深的海水，且系統(tǒng)傳輸速率慢、造價(jià)昂貴，限制了長波通信的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)長波手段用于對(duì)潛通信時(shí)，需要超大功率的無線電發(fā)射機(jī)和大尺寸天線，空間使用“寸土寸金”的潛艇只能配備通信接收機(jī)，也就意味著在水下的潛艇只能“聽”。如果潛艇需要向岸上發(fā)報(bào)，就必須上浮或者施放通信浮標(biāo)。承擔(dān)水下“潛伏”任務(wù)的潛艇，如果時(shí)不時(shí)露出水面獲取信號(hào)，極易將自身暴露在先進(jìn)反潛技術(shù)面前。如果不能實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的水下通信，根本不知道對(duì)手在哪里的潛艇只能蹲守在海里“碰碰運(yùn)氣”，甚至還會(huì)嚴(yán)重貽誤戰(zhàn)機(jī)。
此外，水下長波通信雖然能實(shí)現(xiàn)長距離通信，但信號(hào)發(fā)射臺(tái)往往體型巨大，抗毀能力差。美國1986年建成并投入使用的超長波電臺(tái)天線橫亙135千米。對(duì)此，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局還專門開展了“機(jī)械天線”項(xiàng)目研究，旨在為長波通信找尋更加小型化的信號(hào)發(fā)射裝置。
聲光變換—
駛?cè)胨峦ㄐ拧案咚俾贰?/p>
為充分彌補(bǔ)水下通信的技術(shù)短板，美、日、俄等國一直致力于水下通信技術(shù)的研發(fā)，在水聲通信、藍(lán)綠激光水下通信等領(lǐng)域相繼取得突破性進(jìn)展。
聲波在水下傳輸?shù)男盘?hào)衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里，因而成為水中信息傳輸?shù)闹饕d體。目前，水聲通信已經(jīng)成為較為成熟的水下通信手段，美軍使用的水聲通信設(shè)備傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。近年來，研究人員還在編碼技術(shù)、信道均衡技術(shù)、糾錯(cuò)及安全傳輸方面取得重大進(jìn)展，進(jìn)一步推動(dòng)了水聲通信技術(shù)的快速發(fā)展。
水聲通信主要存在著傳輸速率相對(duì)較低、傳輸距離不能滿足戰(zhàn)場(chǎng)需求等問題。2017年5月，韓國研究人員成功實(shí)現(xiàn)了水深100米、通信距離30千米的水聲通信試驗(yàn)，將現(xiàn)有水聲通信手段的傳輸距離提高了2倍以上。隨后，美國研究人員借助螺旋聲波多路復(fù)用技術(shù)，驗(yàn)證了聲波信號(hào)高效并行傳輸?shù)募夹g(shù)可行性，使通信速率提高了8倍，為破解遠(yuǎn)距離水聲通信速率低等難題提供了新的解決方案。
要想開啟水下通信的“高速路”，還可以從激光身上找尋靈感。20世紀(jì)70年代初，美國研究人員率先發(fā)現(xiàn)了藍(lán)綠色這一“海水窗口”，藍(lán)綠激光水下通信利用的就是波長450-530納米的藍(lán)綠色光。研究表明，潛艇在水下700米深仍可接收到藍(lán)綠激光信號(hào)。
藍(lán)綠激光水下通信具有海水穿透能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率快、方向性好、抗截獲和抗核輻射能力好等諸多優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)于為水下游弋的潛艇戴上了通信“助聽器”。自從美國海軍提出“衛(wèi)星-潛艇”通信可行性研究后，藍(lán)綠激光水下通信迅速成為美國的戰(zhàn)略性研究計(jì)劃，目前美國已基本完成了藍(lán)綠激光水下通信的相關(guān)試驗(yàn)。
美國海軍研究人員正計(jì)劃使用藍(lán)綠激光，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與潛艇的全雙工通信。英國工程師在此前發(fā)布的未來潛艇概念圖中，也明確提出將利用激光開展集群通信。2017年，日本國立海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在日本防衛(wèi)省的支持下，成功實(shí)現(xiàn)了水深800米移動(dòng)物體間的藍(lán)綠激光無線通信，通信速率達(dá)到可實(shí)時(shí)傳輸視頻畫面水平。
組網(wǎng)互聯(lián)—
探尋未來通信的“顛覆者”
當(dāng)前，隨著無人化與智能化裝備的快速發(fā)展，找尋到足以支撐起復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)乃峦ㄐ偶夹g(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。長波通信、水聲通信、藍(lán)綠激光水下通信依舊存在短板，復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸對(duì)水下傳輸速率提出了更高要求。同時(shí)，水聲通信和藍(lán)綠激光水下通信等方式容易暴露自身目標(biāo)，人們還必須進(jìn)一步探尋未來水下通信領(lǐng)域的“顛覆者”。
美國麻省理工學(xué)院的研究人員推出的“平移聲學(xué)-射頻通信”系統(tǒng)，主要利用水下發(fā)射器發(fā)送聲吶信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)被雷達(dá)接收后，將轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。這一系統(tǒng)的原理看似并不復(fù)雜，但要在波浪的巨大干擾中識(shí)別出微小的聲波振幅，依舊需要復(fù)雜算法的有力支撐。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局于2015年正式啟動(dòng)“水下戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目，計(jì)劃借助光纜建成水下通信中繼系統(tǒng)。代表著攻擊型核潛艇發(fā)展趨勢(shì)的美國海軍“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇則專門配備了光電桅桿，通過光電傳感器對(duì)外通信。
近年來得到快速發(fā)展的量子通信，也為水下通信提供了新的技術(shù)思路。量子通信的傳輸機(jī)制不受海洋環(huán)境、海洋生物等干擾因素影響，傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長波通信和水聲通信等技術(shù)手段。此前，研究人員就成功實(shí)現(xiàn)了海水量子通信實(shí)驗(yàn)，為量子通信技術(shù)上天、入地、下海增添了濃墨重彩的一筆。英國科學(xué)家還研發(fā)出了“量子羅盤”，不僅能使?jié)撏[脫數(shù)據(jù)通信和精確導(dǎo)航之困，更將有效提升潛艇和無人潛航器的水下攻擊和聯(lián)合作戰(zhàn)能力。
此外，磁感應(yīng)通信也是一種新型通信手段。它以磁場(chǎng)作為載體，通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行信息傳輸，兼顧了光通信與電磁波通信的優(yōu)勢(shì)，在水下通信時(shí)信號(hào)延遲幾乎可以忽略，且通信距離長、數(shù)據(jù)傳輸速率高。在美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的支持下，美國研究人員已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的水下磁感應(yīng)通信。
未來，水下通信將向著組網(wǎng)互聯(lián)方向加速發(fā)展。美國海軍研究總署已經(jīng)推出了“水下自治采樣網(wǎng)絡(luò)”，美國海軍的“海洋萬維網(wǎng)”系統(tǒng)和歐洲的系列化水聲通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃等相繼取得階段性成果。伴隨著水下通信技術(shù)的發(fā)展，未來可通過綜合運(yùn)用各種水下通信手段，為潛艇、無人潛航器、傳感器等搭建起水下聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，并與水上作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互通，或?qū)⑦M(jìn)一步助推水下作戰(zhàn)整體戰(zhàn)力的提升。（張璦敏 玥凡）