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水下是怎么通信的?

编者按

我们已习惯了在陆地上用各种信息化设备交流信息,但是在水下环境我们该怎么交流信息呢?什么是水声通信?这项技术的应用及未来发展如何?

《电子与信息学报》邀请到中国科学院声学研究所、中国科学院大学的杨斌斌博士等人,带来水声通信技术的科普介绍。

水下是怎么通信的?

如今,我们享受着数字化时代带来的便利性,随时随地便可以通过手机与世界各地连接交流,哪怕身处太空的宇航员们也能和我们开展天地对话,这都是无线通信带来的便利。

从原理上看,无线通信就是将需要传输的信息加载到电磁波上,经过远距离传播后,被接收端从众多电磁波和噪声中检测出来,并恢复对应发送信息的过程。也就是说,只要有电磁波到达的地方,理论上就能够实现互联通信。似乎我们已经能够在地球任意地区实现通信了,但请仔细想一想,您听过或知道广袤海洋下的通信吗?

海洋占地表面积的 71%,蕴含着丰富的能源矿产,拥有着繁多的海洋生物,调节着全球的气候变化,被誉为生命的摇篮和地球的蓝色心脏。那广袤的海洋下能和陆地 5G 一样自由自在、实时高速的通信吗?

一般来讲,当水深超过 200 米时,水下就变得一片漆黑,一些依赖光合作用的植物也消失殆尽。这表明光在水中无法进行远距离传播,对于电磁波(光也是一种电磁波)而言也是如此。

那水下潜艇以及载人深潜器又如何进行通信呢?水下采集的信息又如何实现快速传输呢?这里就要介绍一种能够在水下通信的技术 - 水声通信,下面我们继续探究它的神奇和特别之处吧。

水下声音怎么传播?

如果您是潜泳爱好者的话,您一定对水下声音的传播而感到印象深刻,特别是在海边潜泳时,您甚至能清晰的听到远处船舶等各种声音,达芬奇在 1490 年也发现了这一特点。

(1)传播衰减小:声波是一种机械波,介质振动方向与传播方向相同。它之所以能够远距离传输是因为其在水中的传播衰减远远小于电磁波,因此是目前唯一一种能够实现水下远距离无线传播的信息载体。

(2)声速分层变化:不同于空气中的声速 340 m/s,声波在水中传播速度更快,约为 1500 m/s。但水下声速并非恒定的,而是随着海水温度、压强、盐度和深度等参数不断变化。

(3)曲线传播:由于不同深度声速大小不同,使得水下声波并不是沿着直线传播的,而是弯曲的。这点可能出乎大多数人的意料,如下图所示是一种声波传播路径。同时,我们发现水下某些区域声波无法到达,如果我们处在这个区域里,那就几乎听不到声音了。更有趣的是,在同一个地点上午能听到某种声波,经过一上午的艳阳高照,下午就可能听不到这种声波了,这就是著名的午后效应。

水声信道有何特殊性?

对于通信系统,分析对应的信道特性往往非常重要。相比于陆地无线信道,水声信道更为复杂。

(1)多径明显:海水中弯曲的声线,在传播中受到海面、海底的界面反射和随机散射,使得不同时刻不同强度的信号在接收端混叠,产生类似混响的效果,导致接收端无法恢复原始信息。

(2)变化较快:随着表面海浪波动、海洋内波等变化水声信道也随之快速变化;

(3)噪声和干扰强:海洋环境噪声、海洋生物噪声和船舶等人类活动噪声也增加了通信难度;

(4)大多普勒频移:水下声速 1500 m/s 远远小于电磁波传播速度 3 × 108 m/s,因此水下平台间相对移动所带来的多普勒效应对系统的影响远远大于电磁波通信。

同时,频率越高的声波信号传播衰减也越严重,导致水下可用的信号带宽十分有限。

综上所述,水声信道是迄今为止最困难的无线信道之一。

什么是水声通信?

水声通信,顾名思义,就是利用声波在水下进行通信。它首先将文字、语音、图像等信息转换成电信号,并由压电换能器将电信号转换为声信号在水中传播,之后接收换能器将采集到的声信号又转换为电信号,并恢复为对应的声音、文字及图片。

从原理上看,水声通信系统的结构与电磁波通信系统相比并无明显区别。两者最大的不同在于信道,我们可以将信道理解为信息传输的 " 公路 ",相比于无线电磁波通信,水声 " 公路 " 可谓是障碍重重。

第二次世界大战至今,水声通信经历了模拟到数字的转变。现阶段无线电磁波通信中的相干通信、信道编码、OFDM 和 MIMO 等技术在水声通信系统中都得到了广泛的应用与研究。

水声通信大有可为

水声通信技术在海洋科学观测、海洋工程建设和国防安全等领域都发挥着重要的作用。

(1)海洋科学观测:海洋观测体系是国家的水下信息基础设施,水声通信承担着数据传输的重要任务,是实现海洋科学观测的技术基础。

在 2017 年 " 西太主流系潜标观测网维护及升级 " 综合考察航次任务中,中科院声学所鄢社锋团队成功实现了深海数据无线实时传输到陆地并接入互联网,成功构建了无人值守、长时间稳定工作的大范围深海数据无线实时传输网,极大地提高了深海观测数据的时效性,对完善海洋气候预报系统功能,加速海洋科学研究成果产出发挥了重要作用。

深海数据无线实时传输示意图与实物照片

2018 年 12 月 12 日,鄢社锋团队又在地球最深处 - 马里亚纳海沟进行了全海深水声通信实验,首次在超过 1 万米的深度实现了海底到海面的高速水声通信,解决了全海深数据实时回传的难题。

全海深水声通信系统示意图

(2)海洋工程建设:在深海石油开采、资源勘探等无人环境下,水声通信技术可以用于水下设备状态监测、设备无线控制和水下实景预览。

(3)国防安全领域:水声通信诞生的背景就是为了解决水下潜艇的通信问题,它是潜艇或水下航行器等水下设备与水面舰船或水面浮标互联互通的有效手段。同时还能用于海岸监测预警等系统。

水下未来的发展在哪里?

现阶段,水声通信技术正朝着更完善、更全面的网络化、智能化方向发展。虽然目前无法构建一个实时高速水下互联网。但我们相信,在可以预见的未来,由水下通信设备、海面浮标、空中飞行器和通信卫星等多平台组成的空天海地一体化网络中一定会催生新的通信场景。比如,海底众多未知的区域可以实时呈现在家庭电视屏幕上;海底的采矿设备可以在陆地工厂中通过物联网进行遥控;自主水下航行器可以在数百公里外与母船通信联络;极端天气预报的数据可以在第一时间到达科学家手中。此时,地球才是真正实现了任何时间、任意角落的互联互通。

空天海地一体化网络示意图

参考资料

[ 1 ] R.J. 尤立克 . 水声原理(第 3 版). 洪申 , 译 . 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社 , 1993.

[ 2 ] Y.Ma, Q. Zhang, and H. Wang, "6G: Ubiquitously Extending to theVast Underwater World of the Oceans," Engineering, vol. 8, pp.12-17, 2022.

[ 3 ] 徐立军 , 鄢社锋 , 曾迪 , 张震 , 奚钧壹 , 毛琳琳 . 全海深高速水声通信机设计与试验 [ J ] . 信号处理 ,2019, 35 ( 9 ) : 1505-1512.

[ 4 ] 石绥祥 , 李占斌 , 华彦宁 , 程义远 , 刘丰 . 水下观测信息体系发展思考 [ J ] . 中国工程科学 ,2016,18 ( 2 ) :61-65.

作者 | 杨斌斌、杨基睿

供图 | 樊勇兴

美编 | 马秀强

校对 | 余 蓉、刘艳玲

审核 | 陈 倩

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