王毅凡，周 密，宋志慧

(1.解放軍61580部隊(duì)，北京100094;2.解放軍91746部隊(duì)，北京102206)

0 引言

海洋占地球表面積的71%以上，蘊(yùn)藏著豐富的資源。隨著陸地資源的過(guò)度開(kāi)采，海洋成為人類(lèi)生存與發(fā)展的最后的地球空間，在國(guó)家安全、利益和發(fā)展中的地位作用日益明顯。水下無(wú)線(xiàn)通信是水下通信技術(shù)的重要組成，是進(jìn)行水下監(jiān)測(cè)、水下開(kāi)發(fā)和開(kāi)展水下軍事斗爭(zhēng)的關(guān)鍵支撐。為了爭(zhēng)奪水下資源和增強(qiáng)水下作戰(zhàn)能力，水下無(wú)線(xiàn)通信已成為世界大國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重要的通信技術(shù)之一。

1 水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

水下通信一般是指水上實(shí)體與水下目標(biāo)(潛艇、無(wú)人潛航器、水下觀測(cè)系統(tǒng)等)的通信或水下目標(biāo)之間的通信，通常指在海水或淡水中的通信，是相對(duì)于陸地或空間通信而言的。水下通信分為水下有線(xiàn)通信和水下無(wú)線(xiàn)通信。水下無(wú)線(xiàn)通信又可分為水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信和水下非電磁波通信兩種。

1.1 水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信

水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信是指用水作為傳輸介質(zhì)，把不同頻率的電磁波作為載波傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)言、文字、圖像、指令等信息的通信技術(shù)［1］。電磁波是橫波，在有電阻的導(dǎo)體中的穿透深度與其頻率直接相關(guān)，頻率越高，衰減越大，穿透深度越小，頻率越低，衰減相對(duì)越小，穿透深度越大。海水是良性的導(dǎo)體，趨膚效應(yīng)較強(qiáng)，電磁波在海水中傳輸時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的影響，原本在陸地上傳輸良好的短波、中波、微波等無(wú)線(xiàn)電磁波在水下由于衰減的厲害，幾乎無(wú)法傳播。目前，各國(guó)發(fā)展的水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信主要使用甚低頻(VLF，Very Low Frequency)、超低頻(SLF，Super Low Frequency)和極低頻(ELF，Extremely Low Frequency)三個(gè)低頻波段。低頻波段的電磁波從發(fā)射端到接收的海區(qū)之間的傳播路徑處于大氣層中，衰減較小，可靠性高，受晝夜、季節(jié)、氣候條件影響也較小。從大氣層進(jìn)入海面再到海面以下一定深度接收點(diǎn)的過(guò)程中，電磁波的場(chǎng)強(qiáng)將急劇下降，衰減較大，但受水文條件影響甚微，在水下進(jìn)行通信相當(dāng)穩(wěn)定。因此，水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信主要用于遠(yuǎn)距離的小深度的水下通信場(chǎng)景。

1.1.1 甚低頻(VLF)通信

甚低頻通信頻率范圍為3～30 kHz，波長(zhǎng)為10～100 km，甚低頻電磁波能穿透10～20 m深的海水［2］。但信號(hào)強(qiáng)度很弱，水下目標(biāo)(潛艇等)難以持續(xù)接收。用于潛艇與岸上通信時(shí)，潛艇必須減速航行并上浮到收信深度，容易被第三方發(fā)現(xiàn)。甚低頻通信的發(fā)射設(shè)備造價(jià)昂貴，需要超大功率的發(fā)射機(jī)和大尺寸的天線(xiàn)。潛艇只能單方接收岸上的通信，如果要向岸上發(fā)報(bào)，必須上浮或釋放通信浮標(biāo)。當(dāng)浮標(biāo)貼近水面時(shí)，也易被敵人從空中觀測(cè)到。盡管如此，甚低頻仍是目前比較好的對(duì)潛通信手段。如:美國(guó)海軍就建成了全球性的陸基甚低頻對(duì)潛通信網(wǎng)，網(wǎng)臺(tái)分布在本土及日本、巴拿馬、澳大利亞和英國(guó)等國(guó)。此外，甚低頻的發(fā)射天線(xiàn)龐大，易遭受攻擊。目前，正在發(fā)展具有較高生存能力的機(jī)載甚低頻通信系統(tǒng)。如美國(guó)就以大型運(yùn)輸機(jī)EC－130Q為載臺(tái)，研制了“塔卡木”甚低頻水下通信系統(tǒng)，當(dāng)陸基固定發(fā)射臺(tái)被摧毀時(shí)，能用飛機(jī)向潛艇提供通信保障。

1.1.2 超低頻(SLF)通信

超低頻頻率范圍是30～300 Hz，波長(zhǎng)為1 000～10 000 km。超低頻電磁波可穿透約100 m深的海水，信號(hào)在海水中傳播衰減比甚低頻小一個(gè)數(shù)量級(jí)。超低頻水下通信是一種低數(shù)據(jù)率、單向、高可靠性的通信系統(tǒng)。如果使用先進(jìn)的接收天線(xiàn)和檢測(cè)設(shè)備，能讓水下目標(biāo)(潛艇)在水下400 m深處收到岸上發(fā)出的信號(hào)，通信距離可達(dá)幾千海里，但潛艇接收用的拖曳天線(xiàn)也要比接收甚低頻信號(hào)長(zhǎng)。1986年，美國(guó)建成超低頻電臺(tái)，系統(tǒng)總跨度達(dá)258 km，天線(xiàn)總長(zhǎng)達(dá)135 km。超低頻通信的頻帶很窄，傳輸速率很低，并且只能由岸基向水下目標(biāo)(潛艇)發(fā)送信號(hào)。超低頻通信一般只能用事先約定的幾個(gè)字母的組合進(jìn)行簡(jiǎn)單的通信，并且發(fā)送一封3個(gè)字母組合的電報(bào)需要十幾分鐘。但超低頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)其影響比較小，適合于對(duì)核潛艇的通信。

1.1.3 極低頻(ELF)通信

極低頻(ELF)的頻率范圍為3～30 Hz，波長(zhǎng)在10 000～100 000 km。極低頻信號(hào)在海水中的衰減遠(yuǎn)比甚低頻或超低頻低得多，穿透海水的能力比超低頻深很多，能夠滿(mǎn)足潛艇潛航時(shí)的安全深度。此外，極低頻對(duì)傳播條件要求不敏感，受電離層的擾動(dòng)干擾小，傳播穩(wěn)定可靠，相較于甚低頻或超低頻，在水中更容易傳送。但是極低頻每分鐘可以傳送的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，目前只用于向潛艇下達(dá)進(jìn)入/離開(kāi)海底的簡(jiǎn)短命令。極低頻通信是目前技術(shù)上唯一可實(shí)現(xiàn)潛艇水下安全收信的通信手段，不受核爆炸和電磁脈沖的影響，信號(hào)傳播穩(wěn)定，是對(duì)潛指揮通信的重要手段。

水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信是當(dāng)前和未來(lái)一個(gè)時(shí)期主要的水下通信技術(shù)，未來(lái)有三大發(fā)展趨勢(shì):一是向極低頻通信發(fā)展，對(duì)超導(dǎo)天線(xiàn)和超導(dǎo)藕合裝置的研究將成為熱點(diǎn)。二是發(fā)展頑存機(jī)動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，比如:機(jī)載、車(chē)載及艦載甚低頻通信系統(tǒng)。三是提高發(fā)射天線(xiàn)輻射效率和等效帶寬，提高傳輸速率。

1.2 水聲通信

水聲通信是指利用聲波在水下的傳播進(jìn)行信息的傳送，是目前實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)之間進(jìn)行水下無(wú)線(xiàn)中、遠(yuǎn)距離通信的唯一手段。聲波在海面附近的傳播速度為1 520 m/s，比電磁波在真空中的傳播速率低5個(gè)數(shù)量級(jí)。與電磁波相比較，聲波是一種機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的波，是縱波，在海水中衰減較小，只是電磁波的千分之一，在海水中通信距離可達(dá)數(shù)十公里。研究表明，在非常低的頻率(200 Hz以下)下，聲波在水下能傳播數(shù)百公里，即使20 kHz的頻率，在海水中的衰減也只是2～3 db/km。另外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，在海平面下600～2 000 m之間存在一個(gè)聲道窗口，聲波可以傳輸數(shù)千公里之外，并且傳播方式和光波在光波導(dǎo)內(nèi)的傳播方式相似，目前世界各國(guó)潛艇的下潛深度一般是250～400 m，未來(lái)潛深將會(huì)達(dá)到1 000 m，因此說(shuō)，水聲通信是目前最成熟也是很有發(fā)展前景的水下無(wú)線(xiàn)通信手段［3］。

水聲通信的工作原理是將語(yǔ)音、文字或圖像等信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由編碼器進(jìn)行數(shù)字化處理，然后通過(guò)水聲換能器將數(shù)字化電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)［4］。聲信號(hào)通過(guò)海水介質(zhì)傳輸，將攜帶的信息傳遞到接收端的水聲換能器，換能器再將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，解碼器再將數(shù)字信息解譯后，還原出聲音、文字及圖片信息。圖1給出了水聲通信系統(tǒng)的基本框架。水聲換能器是將電信號(hào)與聲信號(hào)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換的儀器，是水聲通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 水聲通信系統(tǒng)基本框架Fig.1 Basic frame of underwater acoustic communication systems

自從水聲通信研發(fā)成功以來(lái)，世界上已發(fā)展出多種水聲通信技術(shù)［5］。一是單邊帶調(diào)制技術(shù)。1945年，美國(guó)研制成功世界上第一個(gè)水聲通信系統(tǒng)，采用了單邊帶調(diào)制技術(shù)，載波為8～11 kHz，工作距離僅有幾公里。二是移頻鍵控(FSK)技術(shù)。20世紀(jì)70年末，美國(guó)開(kāi)始研發(fā)基于FSK調(diào)制技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)，在技術(shù)上逐漸提高。三是移相鍵控(PSK)技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)開(kāi)始研發(fā)基于PSK調(diào)制技術(shù)的水聲通信系統(tǒng)，發(fā)展出非相干通信和相干通信兩種方式。相干通信是指接收機(jī)事先知道發(fā)射機(jī)的相位信息和載頻頻率，而非相干通信是指接收機(jī)事先不知道發(fā)射機(jī)載頻及相位信息。相干通信的算法和結(jié)構(gòu)一般比非相干通信復(fù)雜，但通信距離較遠(yuǎn)。目前，正在由非相干通信向相干通信發(fā)展。水聲通信技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)較為成熟，國(guó)外都已研制出水聲通信調(diào)制器，通信方式主要有:OFDM、擴(kuò)頻以及其它的一些調(diào)制方式。此外，水聲通信技術(shù)已發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化的階段，將無(wú)線(xiàn)電中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Ad Hoc)應(yīng)用到水聲通信網(wǎng)絡(luò)中，可以在海洋里實(shí)現(xiàn)全方位、立體化通信，但只有美國(guó)等少數(shù)國(guó)家試驗(yàn)成功。

2 水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信對(duì)海水的穿透深度極其有限，數(shù)據(jù)傳輸速率非常低，耗資巨大，并且易遭受敵方攻擊或信息干擾。水聲通信是唯一實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)之間通信的技術(shù)，但由于海水吸收、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、隨機(jī)起伏等原因，使水聲通信的距離只能是中、近程的，傳輸速率也較低。雖然近年來(lái)水聲通信技術(shù)得到了較快的發(fā)展，但仍無(wú)法滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離、大容量、實(shí)時(shí)化的傳輸需要。隨著水下通信技術(shù)需求的不斷擴(kuò)大，在繼續(xù)完善水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信和水聲通信技術(shù)的同時(shí)，研究開(kāi)發(fā)新的水下通信技術(shù)成為一種趨勢(shì)。

2.1 水下無(wú)線(xiàn)光通信

1963年，S·Q·Dimtley和 S·A·Sullian等學(xué)者在研究光波在海水中傳播的特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)海水對(duì)0.45～0.55微米的藍(lán)綠光的衰減，相比對(duì)其他波段的光波要小的多，說(shuō)明海水中存在一個(gè)對(duì)藍(lán)綠光的透光窗口［6］。后來(lái)又通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，在垂直入射時(shí)，藍(lán)綠光能穿透2 000 m深的海水，而衰減只有5% ～10%，這個(gè)穿透深度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了世界各國(guó)潛艇的最大潛深。1979年，美國(guó)率先提出了利用0.498微米的藍(lán)綠激光對(duì)潛通信的設(shè)想。

水下無(wú)線(xiàn)光通信，是指利用藍(lán)綠波長(zhǎng)的光進(jìn)行的水下無(wú)線(xiàn)光通信，和水聲通信及水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信相比，具有如下優(yōu)勢(shì):一是光波工作頻率高(1012～1014Hz)，信息承載能力強(qiáng)，可以組建大容量無(wú)線(xiàn)通信鏈路［7］。二是數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)，可提供超過(guò)1 Gb/s量級(jí)的數(shù)據(jù)速率，能傳輸語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)等信號(hào)。三是水下無(wú)線(xiàn)光通信不受海水的鹽度、溫度、電磁和核輻射等影響，抗干擾、抗截獲和抗毀能力強(qiáng)。四是光波的波束寬度窄，方向性好，能夠避免敵方的偵測(cè)，例如，如果敵方想攔截，就必須用另一部接收設(shè)備在視距內(nèi)對(duì)準(zhǔn)光發(fā)射源，必然會(huì)造成通信中斷，引起發(fā)射端警覺(jué)。五是光波的波長(zhǎng)短，收發(fā)天線(xiàn)尺寸小，可以大幅度減少光通信的設(shè)備重量。六是對(duì)海水的穿透能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)與水下300 m以上深度的潛艇進(jìn)行通信。潛艇可以在工作深度或更深的海水中接收岸上發(fā)的報(bào)文，提高了潛艇的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性，保障潛艇的實(shí)時(shí)、保密通信，增強(qiáng)了潛艇的頑存力。

20世紀(jì)70年代，水下光通信技術(shù)開(kāi)始受到重視。美國(guó)在此領(lǐng)域起步較早，1977年，美國(guó)開(kāi)始提出戰(zhàn)略激光通信計(jì)劃。從1980年起，美國(guó)開(kāi)始以每?jī)赡暌淮蔚念l率，共進(jìn)行了6次藍(lán)綠激光對(duì)潛通信試驗(yàn)，期間實(shí)現(xiàn)了在12 km高空對(duì)水下300 m潛艇的單工激光通信，并利用無(wú)人機(jī)在更高的高空，實(shí)現(xiàn)了與正常下潛深度和航速航行的潛艇的雙工激光通信試驗(yàn)，證實(shí)藍(lán)綠激光能夠在各種海洋條件下和幾乎全天候氣象條件的進(jìn)行高速通信。1983年年底，前蘇聯(lián)完成了把藍(lán)色激光束發(fā)送到空間軌道反射鏡后再轉(zhuǎn)發(fā)到水下彈道潛艇的激光通信試驗(yàn)。2008年，美國(guó)F.Hanson等人在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了傳輸速率高達(dá)1 Gb/s的水下光通信［9］。2010年2月，美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所實(shí)現(xiàn)100 m范圍內(nèi)，水下光通信速率達(dá)到10～20 Mb/s的能力。然而，到目前為止，商用的水下光通信技術(shù)還不成熟。

2.2 水下中微子通信

中微子通信是指利用中微子基石粒子攜帶信息進(jìn)行通信的傳輸技術(shù)。中微子是原子核內(nèi)的質(zhì)子或中子發(fā)生衰變時(shí)產(chǎn)生的，大量存在于光、宇宙射線(xiàn)、地球大氣層的撞擊以及巖石中。中微子的質(zhì)量極小，幾乎為零，比電子的質(zhì)量還要小近10個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，中微子不帶電荷，是一種體積極小且穩(wěn)定的中性基本粒子。中微子粒子束具有兩個(gè)特點(diǎn)［10］，一是只參與原子核衰變時(shí)的弱相互作用力，并不參與電磁力、重力以及中子和質(zhì)子結(jié)合的強(qiáng)相互作用力，與其他粒子之間沒(méi)有什么牽制的作用力，在固體中運(yùn)動(dòng)不受阻擋，損耗非常小，具有極強(qiáng)的穿透力，能夠以近似光的速度直線(xiàn)傳播，在傳播過(guò)程中不會(huì)發(fā)生折射、反射和散射等現(xiàn)象，幾乎不產(chǎn)生衰減，極易穿透鋼鐵、海水，乃至整個(gè)地球，而不會(huì)停止、減速以及改變方向，方向性極強(qiáng)。二是中微子粒子束穿越海水中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，發(fā)出微弱的藍(lán)色光，并且衰減很小。

中微子具有極強(qiáng)的穿透能力，非常適合水下通信的需求，完成岸上與水下任意深處的通信聯(lián)絡(luò)。并且，不易被偵察、干擾、截獲和摧毀，不會(huì)污染環(huán)境，不受電磁干擾和核爆炸輻射的影響，具有通信容量大、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。1933年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了“中微子”假說(shuō)。1956年，歐美科學(xué)家證明了中微子的存在。1968年，美國(guó)在地下金礦中建造了一個(gè)大型中微子探測(cè)器，探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子。1984年美國(guó)一艘核潛艇做水下環(huán)球潛行時(shí)，正是采用中微子通信保證了聯(lián)系。1998年6月5日，日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù)。2012年3月，美國(guó)科學(xué)家首次利用中微子穿過(guò)大地成功傳送了信息。2013年11月21日，多國(guó)研究人員利用埋在南極冰下的粒子探測(cè)器，首次捕捉到源自太陽(yáng)系外的高能中微子。據(jù)科學(xué)測(cè)定，高能中微子束在穿透地球后，衰減也不足千分之一，利用中微子進(jìn)行水下通信，可滿(mǎn)足潛艇在深海任意深度進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷的接收?qǐng)?bào)文。近年來(lái)，人們對(duì)中微子探測(cè)器和中微子振蕩進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，為水下中微子通信提供了理論基礎(chǔ)。

2.3 引力波通信

引力波是指時(shí)空曲率中以波的形式從輻射源向外傳播的擾動(dòng)，會(huì)以引力輻射的形式傳遞能量。引力波的頻率大約在10～32 Hz左右，極其微弱。1916年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦就預(yù)言了引力波的存在，并推導(dǎo)出一般相對(duì)論引力場(chǎng)的方程式，表示引力場(chǎng)的波動(dòng)是以光的速度來(lái)傳播的［11］。1993年，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒因發(fā)現(xiàn)赫爾斯－泰勒脈沖雙星由于引力輻射在互相公轉(zhuǎn)時(shí)逐漸靠近，證明了引力波的存在，而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1983年，日本科學(xué)家將兩根長(zhǎng)152 cm、直徑29.1 cm的鋁棒分別放置相距1.72 m的位置，通過(guò)電磁振動(dòng)方式使其中一根鋁棒振動(dòng)產(chǎn)生引力波，另一根鋁棒作為引力波的接收天線(xiàn)，來(lái)接收引力波。實(shí)驗(yàn)證明，接收的鋁棒發(fā)生了1 000億分之一的畸變，同時(shí)鋁棒上的壓電傳感器產(chǎn)生了1 μV的電壓，可以用現(xiàn)代信息技術(shù)檢測(cè)到。試驗(yàn)中發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的是莫爾斯信號(hào)，接收天線(xiàn)也收到了同樣的信號(hào)，證明了引力波通信的可行性。2014年3月17日，哈佛－史密松天體物理中心的天文學(xué)家利用BICEP2探測(cè)器在宇宙微波背景中觀測(cè)到引力波的效應(yīng)。

引力波通信是指利用引力波來(lái)傳播信號(hào)，完全不同于電磁波通信。電磁波是由于電荷的振動(dòng)產(chǎn)生的，而引力波則是由物質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的，是一種以光速傳播的橫波，具有很強(qiáng)的穿透力，沒(méi)有任何物質(zhì)能阻擋住引力波的傳播。實(shí)驗(yàn)證明，引力波在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，能量被介質(zhì)損耗一半的距離很大，在水中是1 029 km，在鐵中是1 030 km，即使整個(gè)宇宙中充滿(mǎn)了鐵，利用引力波也可進(jìn)行貫通宇宙通信，可見(jiàn)引力波將是一種極好的極遠(yuǎn)距離通信載波。另外，引力波的能量與振動(dòng)頻率的6次方成正比，加快物質(zhì)的振動(dòng)頻率可提高發(fā)射能量，進(jìn)而擴(kuò)大引力波的通信距離。引力波將是未來(lái)水下通信的最好選擇之一。

2.4 水下量子通信

量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信技術(shù)，具有時(shí)效性高、抗干擾性能強(qiáng)、保密性和隱蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)［12］。量子通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了一些成果，在陸地通信中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)144 km的傳輸。隨著量子中繼設(shè)備的不斷發(fā)展，量子通信的傳輸距離將有更大的突破。2014年4月，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)世界上最遠(yuǎn)距離的光纖量子通信干線(xiàn)——連接北京和上海，光纖距離達(dá)到2 000 km。量子通信的天然安全性，滿(mǎn)足了水下軍事通信的基本要求，量子隱形傳態(tài)通信與傳輸介質(zhì)無(wú)關(guān)是水下通信的安全保證。相比于傳統(tǒng)水下經(jīng)典通信，量子通信具有抗毀性強(qiáng)、安全性好、傳輸效率高的優(yōu)勢(shì)。2014年4月，中國(guó)海洋大學(xué)Peng Shi及其團(tuán)隊(duì)在arXiv網(wǎng)站上發(fā)表報(bào)告，認(rèn)為水下量子通信在短距離內(nèi)是可能的，并計(jì)算了光子在保存其攜帶的量子信息的同時(shí)，進(jìn)行水下量子通信能最遠(yuǎn)傳輸125 m。因此，將量子通信技術(shù)用于水下目標(biāo)的通信，對(duì)于提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，保證信息安全性具有很高的價(jià)值。

2.5 水下無(wú)線(xiàn)中長(zhǎng)波通信

中長(zhǎng)波通信是指利用中長(zhǎng)波波段的電磁波為傳輸媒介，把信息從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方的一種無(wú)線(xiàn)電通信［1］，中長(zhǎng)波的頻率范圍是 30～3 000 kHz。水下無(wú)線(xiàn)中長(zhǎng)波通信，是指利用中長(zhǎng)波波段的電磁波作為載波進(jìn)行的水下無(wú)線(xiàn)通信。相比其他水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn):一是通信頻率高。遠(yuǎn)高于水聲通信(50 kHz以下)，也高于甚低頻通信(30 kHz以下)，能實(shí)現(xiàn)大約100 kb/s左右的數(shù)據(jù)傳輸速率。二是抗干擾能力強(qiáng)。應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)可以將掩沒(méi)于噪聲中的信息解擴(kuò)出來(lái)，完成通信過(guò)程。同時(shí)不受水質(zhì)優(yōu)劣和海浪等動(dòng)態(tài)因素的影響，不被海水吸收衰減，優(yōu)于水下光通信。三是傳輸速度快，傳輸時(shí)延小。發(fā)射機(jī)在水下可釆用密封方式，數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸線(xiàn)傳到發(fā)射機(jī)上通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射到水中。電磁波頻率越高，水下傳播速率越快。四是功耗低，供電方便。高數(shù)據(jù)傳輸率降低了單位數(shù)據(jù)量的傳輸時(shí)間，減小了功率的損耗，提高了工作效率。在通信所需的傳感器的耗電量方面，5～lO mW即可進(jìn)行一次水中通信。五是安全系數(shù)高，對(duì)水中的環(huán)境無(wú)影響。六是中長(zhǎng)波主要以表面波的形式沿地球表面?zhèn)鞑?，波長(zhǎng)很長(zhǎng)，受地形地物影響小，衰減慢，傳輸距離遠(yuǎn)，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率較高。近年來(lái)，隨著數(shù)字化通信技術(shù)的日趨成熟和中長(zhǎng)波新功能器件的研發(fā)，將中長(zhǎng)波通信技術(shù)用于水下無(wú)線(xiàn)通信將是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

3 水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)面臨的問(wèn)題

無(wú)論正在應(yīng)用的水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信或是水聲通信，以及未來(lái)發(fā)展的水下無(wú)線(xiàn)通信都面臨著技術(shù)上的難題，從不同方面制約著水下通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3.1 水下無(wú)線(xiàn)電磁波通信面臨的問(wèn)題

當(dāng)前的甚低頻、超低頻、極低頻通信以及正在發(fā)展的中長(zhǎng)波通信，都是利用無(wú)線(xiàn)電磁波進(jìn)行水下通信，由于海水存在趨膚效應(yīng)，嚴(yán)重影響了無(wú)線(xiàn)電磁波在海水中的傳輸距離。一是在水下的通信深度有限，即使極低頻通信也只能對(duì)水下幾百米深的目標(biāo)進(jìn)行通信。二是發(fā)射設(shè)備耗資巨大，占地面廣，發(fā)射功大，性?xún)r(jià)比差。三是數(shù)據(jù)傳輸速率極低，通信容量小，只能單向接收，不能雙向通信，難滿(mǎn)足對(duì)潛實(shí)時(shí)指揮的要求。四是通信系統(tǒng)的體積龐大，特別是天線(xiàn)系統(tǒng)，易受到敵人的火力打擊。

3.2 水聲通信面臨的問(wèn)題

水聲通信是目前發(fā)展成熟的水下通信技術(shù)，但也面臨諸多的問(wèn)題［8］。一是傳輸速率低、傳輸延時(shí)長(zhǎng)。水下聲波的傳播速度約為1 500 m/s，比光波在空氣中傳輸?shù)土?個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，傳輸速率會(huì)隨著距離的增大而降低。二是可用帶寬有限。水聲通信的傳輸帶寬是時(shí)變的，通信容量比陸地上的無(wú)線(xiàn)通信低很多，加之水聲通信有多址接入、噪聲和干擾和信道衰落等不利因素的影響，實(shí)際中的通信容量更低。三是水聲通信系統(tǒng)的體積大，功耗多，成本高。四是水聲通信易受環(huán)境干擾。水聲信號(hào)質(zhì)量與水溫、鹽度、壓力等環(huán)境密切相關(guān)，在惡劣海洋環(huán)境下極易通信中止。五是水聲通信信號(hào)容易被監(jiān)聽(tīng)，安全性差等。

3.3 水下光通信面臨的問(wèn)題

水下光通信提供了一種高速率通信的可能，但要真正的實(shí)用化還面臨的一些問(wèn)題。一是光損耗大。海水能吸收不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，水中的浮游動(dòng)植物對(duì)光有遮擋，還會(huì)對(duì)光線(xiàn)產(chǎn)生折射和散射作用，造成很大的衰減。二是藍(lán)綠激光與大多數(shù)海洋生物發(fā)出的光的光譜相吻合，易對(duì)通信造成干擾。三是光通信仍然是一種單向的通信系統(tǒng)，在潛艇上目前仍然無(wú)法安裝激光發(fā)生器發(fā)出信息，實(shí)現(xiàn)雙向通信。四是光通信具有極強(qiáng)的方向性，通信時(shí)必須知道水下目標(biāo)所處的大致位置，才能向其發(fā)送信息。五是光通信還需借助高空飛行器(飛機(jī)或衛(wèi)星)發(fā)射激光，戰(zhàn)時(shí)易被摧毀，造成通信中斷。

3.4 引力波通信面臨的問(wèn)題

引力波在理論上可以取任何頻率，但極低頻率幾乎無(wú)法探測(cè)，而極高頻率也沒(méi)有可觀測(cè)的已知波源。有學(xué)者預(yù)測(cè)，可以被探測(cè)到的引力波頻率在7～10 Hz和10～11 Hz之間。由于引力波比較微弱，因此，當(dāng)利用引力波進(jìn)行通信時(shí)，在檢測(cè)(接收)方面存在很大的困難。

3.5 水下中微子通信面臨的問(wèn)題

目前，對(duì)中微子的研究尚處于初步階段，利用中微子進(jìn)行水下通信存在的問(wèn)題有:一是中微子檢測(cè)比較困難。中微子與其他物質(zhì)的相互作用極小，中微子的探測(cè)器必須夠大，以求能觀測(cè)到足夠數(shù)量的中微子。二是發(fā)射端的加速器體積龐大，體格高，實(shí)際通信中所需的中微子數(shù)目大，現(xiàn)有的質(zhì)子同步加速器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，另外，控制中微子發(fā)射方向的偏轉(zhuǎn)器的體積也較大。

3.6 水下量子通信面臨的問(wèn)題

水下量子通信的研究也處于剛起步階段，面臨的主要問(wèn)題有:一是通信距離近。目前，量子通信在陸地上只達(dá)到了百里級(jí)，在水下的試驗(yàn)距離也只有100多米，無(wú)法達(dá)到遠(yuǎn)距離水下潛艇通信的需求。二是量子(光子)的制備、量子態(tài)控制及量子測(cè)量等技術(shù)還不成熟。三是減少光子損耗和量子退相干面臨技術(shù)難題等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著全球目光向海洋聚焦，水下無(wú)線(xiàn)通信的重要性日益突顯。當(dāng)前，水下無(wú)線(xiàn)通信還面臨著水中通信距離短、通信容量小、傳輸速度低，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)雙方實(shí)時(shí)通信等問(wèn)題。但隨著信息技術(shù)的發(fā)展和通信器件的研發(fā)，相信水下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)會(huì)逐步得到完善和改進(jìn)，為水下資源開(kāi)發(fā)和水下軍事斗爭(zhēng)提供強(qiáng)有力的通信保障。

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