水声通信技术难点及进展
|
|
中国网/中国发展门户网讯 今天是信息的时代，网络的时代。不断升级换代的网络技术把全球联结在一起，催生出了电子商务、智能家居、远程医疗、云计算、云存储等新型的产业，而万物互联将深刻地改变每个人的生活和工作方式。支撑这些的是快速发展的通信技术，以 5G 为代表的无线通信技术可以达到 10 Gbps，低廉的成本使得通信网络可以覆盖全球。
但在海洋中，水下通信却面临着巨大的障碍。水下电缆、光缆布设困难、成本高昂、易被破坏等难题，使得水下有线通信的应用范围非常有限。除极低频率外，电磁波在水中的衰减很快，穿透能力较强的超长波也仅能穿透水面约 100 米左右 ；光波在水中受吸收和散射影响，只能进行短距离传输，传输最远的蓝绿激光也只能实现水下几百米的传输。由于声波可以在水中传播比较远的距离，水声通信是水下无线信息传输的主要手段，但也面临可用带宽窄、信道复杂多变等难题。
随着人类在海洋中的活动越来越频繁，需要在水下传输信息的应用需求也越来越多，水声通信技术的应用也越来越广泛，在科学考察、海洋工程建设、海底矿产资源调查与开发以及军事领域等方面水声通信技术都有着广泛的应用，这些应用也对水声通信的速率和可靠性提出了更高的要求。
在科学考察活动中，以前放置在海底的海洋考察仪器都是将采集的数据存储在仪器内，到预定的日期由母船去回收，取出数据后再重新布放下去。这样周期长、费用高，而且经常出现回收失败导致无法弥补的数据缺失。如果应用水声通信技术，则可以将数据传输至水面，不必回收海洋考察仪器，降低了风险和费用。如果水面有长期值守的浮标，那么就可以实现数据的实时回传。
在海上石油开采工业中，水声通信设备被广泛用于海洋石油平台的环境参数监测、立管和局部管路的振动，以及姿态监测、一些阀门的控制等。在无缆自治水下机器人（AUV）和无人水下机器人（UUV）等水下潜器中，水声通信机广泛用于遥控、遥测、数据回传、协同作业等。对深海载人潜水器来说，水声通信设备更是其关键设备之一，深海考察是一项具有危险性的活动，保障潜水器中的科学家的生命安全是设计深海载人潜水器要考虑的首要问题。与水面支持、控制母船的及时通信联络可以极大提高载人潜水器中的科学家处理突发事件的能力，对保障其生命安全起着不可替代的作用。水声通信系统还可以实时传输载人潜水器采集的数据信息，供水面科学家实时分析，以便及时调整使命。实时的通信还有助于潜水器中的科学家保持平静心态，顺利完成科研任务。
在军事上，水声通信是水面舰船和水下的载体（潜艇和水下传感器等）间实现双向信息传输最为有效的手段，如潜艇与指挥舰之间的联系等。美国、法国、英国等国家的海军都有很多这方面的研究计划。在用于侦察、救捞、布雷与扫雷的水下机器人中，水声通信也是关键技术之一。正是由于水声通信技术在军事上的巨大应用价值，水声通信被列为高度敏感的技术，美国一直限制其高性能水声通信产品对中国的出口。
本文主要介绍非军事领域的水声通信技术进展。