田德艷，張小川，2，*，鄒司宸，孫芹東，2，張文清，2

（1. 青島海洋科技中心，山東 青島 266237；2. 海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199）

0 引言

隨著海洋資源的開發(fā)和利用，海洋監(jiān)測平臺如水下滑翔器、波浪能滑翔器、浮標、潛標等重要的水下無人平臺，可搭載各種傳感器和科考設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、水下組網(wǎng)、軍事偵察等領(lǐng)域。水下滑翔器[1-3]依靠調(diào)節(jié)浮力實現(xiàn)升沉，借助水動力實現(xiàn)水中滑翔，可動態(tài)實現(xiàn)海洋大范圍、全海深的立體觀測。與傳統(tǒng)的水下航行器相比，水下滑翔器具有優(yōu)越的機動性、可控性，兼具小成本、低能耗、長航時和對母船的依靠性小等優(yōu)點。水面波浪能滑翔器[4-6]是一種依靠波浪能驅(qū)動的水面無人自主觀測平臺，輔以太陽能充電結(jié)構(gòu)，可長期、自主地執(zhí)行海洋水文環(huán)境監(jiān)測、通信中繼等任務(wù)。

單一滑翔器搭載傳感器的類型和數(shù)量較少，觀探測能力有限，難以滿足海洋任務(wù)多樣性需求。以水下滑翔器為例，其運動速度慢，運動形式單一，運動軌跡易受海洋洋流、內(nèi)波的影響。當水下滑翔器搭載聲學(xué)傳感器在水下執(zhí)行探測任務(wù)期間，需要上浮至水面，經(jīng)衛(wèi)星通信與岸基指揮中心進行數(shù)據(jù)交互?，F(xiàn)有通信方式難以實現(xiàn)水下探測數(shù)據(jù)的及時報送，甚至會因為上浮而中斷執(zhí)行任務(wù)，丟失跟蹤目標[7]。

水聲通信技術(shù)[8-13]是海洋中進行無線信息傳輸?shù)闹匾行侄?，水聲通信技術(shù)可將水下滑翔器全海深隱蔽觀探測與波浪能滑翔器能源充足的優(yōu)勢相結(jié)合，構(gòu)成以波浪能滑翔器為領(lǐng)導(dǎo)的異構(gòu)體滑翔器編隊體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)異構(gòu)體滑翔器編隊成員之間信息的高可靠性交互，建立一條水下–水面–空中–岸基信息傳送的完整數(shù)據(jù)鏈路，避免水下滑翔器頻繁上浮而中斷任務(wù)。同時，以波浪能滑翔器為通信中繼的異構(gòu)體滑翔器集群具有更加靈活的探測策略，水下滑翔器可快速將觀探測信息通過水聲通信上傳至通信中繼，由波浪能滑翔器上傳至岸基指揮中心，并下達至編隊各成員，進行觀探測策略的調(diào)整和隊形的優(yōu)化，該體系結(jié)構(gòu)擴展了異構(gòu)體滑翔器的作用范圍和觀探測能力，大幅提升綜合觀探測效能。

為明晰異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)研究現(xiàn)狀，本文將對以下幾方面進行梳理概括：

1）水聲通信技術(shù)和水聲通信設(shè)備國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；

2）異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)研究與應(yīng)用國內(nèi)外現(xiàn)狀；

3）異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)難點；

4）異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)研究趨勢。

1 水聲通信技術(shù)

相較于無線電通信，水聲信道的復(fù)雜性使得水聲信道在通信速率、通信距離和通信穩(wěn)定性方面受到極大限制。在通信體制上，水聲通信從最早的抑制載波的單邊帶幅度調(diào)制體制，發(fā)展出跳頻擴展、直接序列擴頻、多頻移鍵控以及Chirp 調(diào)制等低速率的通信體制[14]。MILICA STOJANOVIC 提出的二階鎖相環(huán)信道跟蹤與自適應(yīng)反饋均衡技術(shù)相結(jié)合的單載波通信體制，是水聲通信從低速率發(fā)展到高速率的里程碑，而后發(fā)展起來的多載波通信體制是現(xiàn)在高速水聲通信的主要研究熱點。

多載波通信的基本原理[15]是將高速率串行的信息數(shù)據(jù)調(diào)制到若干個并行獨立的子載波上同時傳輸，接收端按照相干或非相干方式對發(fā)射的子載波進行解調(diào)，然后進行并串轉(zhuǎn)換獲得原始高速數(shù)據(jù)流，并通過增加碼元的長度來克服載波間干擾和頻率選擇性衰落。國內(nèi)外學(xué)者對多載波技術(shù)的研究方向主要包括：正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)、MFSK和多載波正交結(jié)合技術(shù)、多載波擴頻技術(shù)和多載波調(diào)頻技術(shù)。

1.1 OFDM 技術(shù)

OFDM 是一種多載波技術(shù)，相較于其他調(diào)制方法，OFDM 有比較明顯的優(yōu)勢所在。1）子載波頻譜正交，將所傳數(shù)據(jù)均勻的分配到數(shù)據(jù)速率相對較低的若干個子信道中進行傳輸，有效提高了系統(tǒng)的頻帶利用率和傳輸速率。2）通過增加每個子信道中的符號周期，可有效適應(yīng)頻率選擇性衰落。3）在符號之間插入循環(huán)前綴作為保護間隔，最大程度上消除由多徑引起的符號間干擾。4）在頻域上完成信道的估計與均衡，避免復(fù)雜時域均衡器的使用，并可以利用FFT/IFFT 完成調(diào)制與解調(diào)，方便工程實現(xiàn)。

同時，OFDM 的缺點也很明顯。1）對相位噪聲和載波頻偏非常敏感。載波頻偏會破壞子載波間的正交性，引起子載波間干擾；相位噪聲會導(dǎo)致碼元星座點的旋轉(zhuǎn)、擴散，形成碼間干擾。2）由于數(shù)據(jù)符號疊加在很多子載波上，若子載波同方向累加，OFDM 波形會有較大的峰均比（PAPR）。3）負載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會增加系統(tǒng)復(fù)雜性，增加工程實現(xiàn)的難度。

國內(nèi)外學(xué)者也對OFDM 調(diào)制技術(shù)做了深入的研究和應(yīng)用。徐曉卡研究了基于OFDM 的淺海高速水聲通信關(guān)鍵技術(shù)，包括信道估計與均衡、抗多普勒技術(shù)、峰均功率比、空間分集技術(shù)、時反OFDM[16]。馬璐[17]開展多用戶OFDM 水聲通信技術(shù)研究，對多用戶信道估計、多用戶異步接入等方面深入研究。美國康涅狄格大學(xué)（UCONN）水下傳感器網(wǎng)絡(luò)（UWSN）實驗室對OFDM 水聲通信調(diào)制技術(shù)深耕數(shù)年，取得不錯的研究成果 。值得一提的是，周勝利研究員將OFDM 水聲通信技術(shù)的研究成果展開詳細深入的論述并著書，為后繼學(xué)者提供理論依據(jù)。

1.2 多載波MFSK 技術(shù)

多載波MFSK 是將MFSK 調(diào)制與多載波正交技術(shù)相結(jié)合的調(diào)制方式。該調(diào)制方式兼顧了MFSK穩(wěn)健性的同時，有效提高系統(tǒng)通信速率以及多途的能力，也避免了OFDM 通信體制對載波相位敏感的問題。多載波MFSK 在接收端可采用非相干解調(diào)方式，不需要載波同步，不需要信道估計，易于工程實現(xiàn)。常用的非相干解調(diào)方式有：鑒頻法、差分檢波法、動態(tài)濾波法、零交點法等。

國內(nèi)外學(xué)者在多載波MFSK 調(diào)制技術(shù)方面也取得一定成果。RAJNISH SINHA 等人研究了基于多載波的MFSK 擴頻多址方案，仿真結(jié)果表明多載波 MFSK 具有良好的頻率分集特性。德國MATTHIAS WETZ 等人針對時變無線電信道中相干通信信道估計失效的情況，提出OFDM-MFSK通信體制，避免時變信道估計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等均有團隊研究多載波 MFSK 水聲通信技術(shù)并完成系統(tǒng)實現(xiàn)[18-19]。

1.3 水聲通信設(shè)備現(xiàn)狀

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，水聲通信設(shè)備經(jīng)過幾十年的更迭，國內(nèi)外已有多家研究機構(gòu)和公司推出不同系列的水聲通信設(shè)備，如表1 所示。從這些通信機所采用的通信體制來看，多以穩(wěn)健的MFSK和擴頻為主，低速單載波PSK 和高速OFDM 為輔，工作頻段由低頻到中高頻，工作距離遠近不等，尺寸各異[15]。

表1 國內(nèi)外典型小型水聲通信設(shè)備主要參數(shù)指標Table 1 Main parameters and indexes of small typical underwater acoustic communication equipment

水聲通信設(shè)備的發(fā)展，也加速推動了人們對海洋的觀探測進程。將水聲通信設(shè)備搭載集成在海洋觀探測設(shè)備上，拓展了海洋觀探測的范圍和距離，增進了人們對海洋的認知。相較于大型的海洋觀探測設(shè)備來說，在小微移動平臺上搭載集成水聲通信設(shè)備還存在很多約束和限制，尤其是空間和能量受限的滑翔器。

2 異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)

近年來，基于水下滑翔器和水面波浪能滑翔器等水下無人平臺進行海洋觀探測的研究成果日益增多，下面將分別介紹國外、國內(nèi)異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 國外異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

美國海軍研究院的海網(wǎng)計劃Seaweb，在加利福尼亞蒙特利灣進行水下無人航行器試驗，采用telesonar 調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)對潛器的水下導(dǎo)航、定位和追蹤，將SLOCUM 水下滑翔器作為水下移動節(jié)點，并與布置在海底的傳感器節(jié)點、水面艦艇、空中飛機和銥星等構(gòu)成信息采集網(wǎng)，首次實現(xiàn)跨介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)通信[20-21]。MARQUES 等人[22]從聲通機的軟、硬件框架著手，研制小型化水聲通信機，搭建航行器的控制框架，制定控制指令和協(xié)議，利用水聲通信建立起AUV 與水面航行器Neptus 之間的通信連接，構(gòu)成多AUV 聯(lián)合的或AUV 與Neptus 混合的移動水聲通信網(wǎng)絡(luò)。BINGHAM 等人[23]使用波浪能滑翔器搭載主被動聲學(xué)探測和定位設(shè)備，進行海洋環(huán)境、海洋生物以及水下潛器的觀探測和定位；此外，波浪能滑翔器還作為主動聲學(xué)網(wǎng)關(guān)，在科學(xué)、工業(yè)和軍事領(lǐng)域中發(fā)揮導(dǎo)航參考和通信中繼的重要作用，最明顯的應(yīng)用是波浪能滑翔器代替固定的無線浮標連接海底聲學(xué)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙測。CHEN 等人[24]提出基于水聲通信的編隊和轉(zhuǎn)向算法，使用伍茲霍爾海洋研究所的低功耗小型水聲調(diào)制解調(diào)器（在3 kHz～30 kHz 的4 個不同頻段以FH-FSK、PSK調(diào)制方式），可傳輸4 種不同速率的數(shù)據(jù)包，應(yīng)用于多水下自主航行器集群中，保障各航行器之間互相通信和協(xié)調(diào)。BUSQUETS- MATAIX 等人[25]將聲和激光調(diào)制解調(diào)器集成在水下滑翔器上，使其成為具備聲通信和光通信的混合滑翔器。北約海上研究和試驗中心（CMRE）STO[26]在La Spezia 灣開展CommsNet17 試驗，部署了11 個AUV 節(jié)點組成的持久性傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASN），可自主實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置、節(jié)點定位和導(dǎo)航、支持分配任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲自調(diào)整、水下對接、無線電池充電和數(shù)據(jù)卸載，該試驗證明了ad-hoc USAN 的有效應(yīng)用。意大利CMRE 團隊[27-32]，經(jīng)歷近60 年的海上工程試驗，現(xiàn)已取得輝煌成就，涉獵水下聲學(xué)、海洋學(xué)、電子學(xué)、機械和海洋工程，以及現(xiàn)在炙手可熱的無人系統(tǒng)領(lǐng)域。2018 年開展的合作反潛項目（CASW），將研究被動聲學(xué)新領(lǐng)域，在水下滑翔器上集成一個聲學(xué)矢量傳感器，可對3 Hz～3 kHz的目標進行探測；同時也配備一個聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器，能夠與母船或網(wǎng)關(guān)部署的超短基線（USBL）通信，通過USBL 控制站可獲得水下滑翔器的位置。

2.2 國內(nèi)異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于國外異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)來說，國內(nèi)在這方面起步晚，研究成果相對少些。

哈爾濱工程大學(xué)的蘭華林[33]等人將波浪能滑翔器作為水下物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點進行聲學(xué)觀測，提出多波浪能滑翔器節(jié)點聲學(xué)定位算法，通過仿真和海試驗證了波浪能滑翔器聲學(xué)觀測的可行性。青島海洋國家實驗室聯(lián)合天津大學(xué)、中國海洋大學(xué)和聲學(xué)所，在水下滑翔器和波浪能滑翔器上搭載集成水聲通信和定位設(shè)備，在中國青島近海、南中國海分別進行了試驗驗證，真正意義上的首次實現(xiàn)了異構(gòu)體滑翔器在水下–水面–空基–岸基跨介質(zhì)通信，取得不錯的成果。

3 異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)難點

在實際應(yīng)用中，異構(gòu)體滑翔器協(xié)同執(zhí)行任務(wù)多樣，面臨的環(huán)境復(fù)雜多變，異構(gòu)體滑翔器想要真正實現(xiàn)高可靠實時的互聯(lián)互通，仍然有諸多技術(shù)難點和挑戰(zhàn)亟待解決。

3.1 水聲通信技術(shù)難點

3.1.1 水聲通信信道的復(fù)雜多變

水聲通信最大的難點在于水聲信道的復(fù)雜時–空–頻變特性[34]。水聲信道是可用帶寬窄、傳播速度慢的時延、多普勒頻移雙擴散信道。在水聲通信過程中，聲波從發(fā)射端經(jīng)過水聲信道，這其中經(jīng)歷了海水吸收、折射和散射衰減，海底和海面反射，強多途干擾，以及海洋中各種噪聲的干擾，到達接收端，已經(jīng)變得面目全非。

對于異構(gòu)體滑翔器的水聲通信，由于異構(gòu)體滑翔器間存在相對運動，集成在滑翔器上的水聲通信機發(fā)射端和接收端也做相對運動，再加上波浪、湍流、潮汐等海洋變化，導(dǎo)致接收信號頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生嚴重的多普勒頻移，引起時間選擇性衰落，時域信號包絡(luò)的某些時刻被增強而某些時刻被削弱。

此外，水下滑翔器平臺噪聲、波浪能滑翔器水下牽引機運動噪聲以及電噪聲干擾等，都會導(dǎo)致水聲通信接收端信噪比低，不利于水聲通信接收端的檢測和解調(diào)。這些都對異構(gòu)體滑翔器之間的高可靠穩(wěn)健通信帶來難度和挑戰(zhàn)。

3.1.2 水聲通信機遠距離、小型化的需求

水下滑翔器和波浪能滑翔器均為尺寸空間有限的小微移動平臺，這就要求搭載的水聲通信機在不降低通信距離前提下，實現(xiàn)小型化特性。

水聲通信機硬件部分包括水聲信號處理機、水聲換能器2 部分。水聲通信機通信頻帶為中頻帶2 kHz ～50 kHz，該頻帶的換能器多為圓環(huán)換能器、縱向換能器、球型換能器。換能器的尺寸與通信頻段有關(guān)，也影響著通信可通距離。在中頻帶內(nèi)，一般通信頻段越高，換能器直徑越小，但通信距離也越近。因此，水聲通信機的通信距離和換能器尺寸是2 個相互約束制衡的因素。水聲信號處理機一般集成于平臺的密封艙里，密封艙除了平臺自身的控制處理器還要集成其他載荷的處理機，因此也要求信號處理機在滿足通信指標的前提下，盡量小型化。

深圳智慧海洋崔軍紅教授團隊、中科院聲學(xué)所朱敏團隊和哈爾濱工程大學(xué)喬鋼教授團隊均設(shè)計研制出性能尺寸不一的圓柱型、長方型水聲信號處理機以適配不同平臺的集成搭載[35]。但目前來看，搭載集成于滑翔器上的水聲通信機還在研究和試驗中，沒有廣泛的工程應(yīng)用。

3.1.3 水聲通信機高處理、低功耗的需求

水下滑翔器和波浪能滑翔器均屬于供電受限的移動平臺，進行水聲通信機電路系統(tǒng)設(shè)計時，在滿足高性能處理能力前提下，也對低功耗特性提出了要求。

王旭[36]針對通信物理層對計算能力的要求和一般的低功耗器件無法滿足的矛盾，提出雙處理平臺：低功耗、低處理能力的休眠值守單元與較高功耗、高處理能力的以TMS320C5505 為核心處理器的信號處理單元。系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時，信號處理單元處于關(guān)閉狀態(tài)，休眠值守單元負責檢測是否有喚醒信號到達，如果有則啟動信號處理單元完成對信息的解析。中科院聲學(xué)研究所朱彤[37]等人提出一種基于MSP430 單片機的低功耗值班電路設(shè)計，利用頻譜分析來判決喚醒信號，并通過仿真和千島湖試驗，驗證了算法的有效性。相較于利用信號能量與門限關(guān)系的判定方法，具有抗干擾能力強、可靠性高、喚醒率高等優(yōu)勢。還有研究團隊為滿足計算量和實時性的要求，在系統(tǒng)設(shè)計過程中選用數(shù)字信號處理芯片作為處理器，采用直接軟件編寫方式進行系統(tǒng)控制，簡化電路設(shè)計。在系統(tǒng)電路尺寸沒有明顯增提高額前提下，采用發(fā)射機并聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)多個D 類功率放大器并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)，提高發(fā)射功率，通過在聲學(xué)系統(tǒng)中增加喚醒電路設(shè)計，采用監(jiān)聽+喚醒工作模式，實現(xiàn)聲通機待機低功耗。

追求高性能、低功耗是異構(gòu)體滑翔器工程應(yīng)用中的難點和重點，還需要持續(xù)的關(guān)注和研究。

3.2 異構(gòu)體滑翔器編隊控制難點

針對通信受限欠驅(qū)動多耦合強干擾條件下的編隊控制策略研究，一直是控制學(xué)科研究的難點。以波浪能滑翔器為領(lǐng)導(dǎo)的水下滑翔器編隊結(jié)構(gòu)中，波浪能滑翔器與水下滑翔器平臺的驅(qū)動模式和運動規(guī)律大不相同，如何實現(xiàn)2 類滑翔器的編隊構(gòu)型保持穩(wěn)定，以及設(shè)計可靠魯棒的編隊協(xié)同控制策略，對于異構(gòu)體滑翔器集群應(yīng)用來說是個難點和挑戰(zhàn)。

3.2.1 異構(gòu)體滑翔器編隊控制技術(shù)

在實際海洋任務(wù)中，隨時可能出現(xiàn)環(huán)境變化、任務(wù)目標變化等突發(fā)情況，需要異構(gòu)體滑翔器編隊具備自主優(yōu)化的控制能力，能夠根據(jù)海洋環(huán)境、任務(wù)需求、運動約束、通信約束等多時空約束，快速響應(yīng)外界環(huán)境變化，實時任務(wù)調(diào)整和重規(guī)劃。

傳統(tǒng)的編隊控制方法需要滑翔器平臺和擾動的精確模型來設(shè)計控制率。但實際應(yīng)用中，滑翔器平臺和擾動通常具有時變、非線性等特點，再加上傳感器誤差和環(huán)境擾動等不確定因素，很難得到好的控制效果。新發(fā)展起來的方法有人工勢場法、虛擬結(jié)構(gòu)法和基于強化學(xué)習的編隊控制法等[38]。張文清根據(jù)不同海況不同海流的通信受限約束條件，分析了編隊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給出多約束條件下的穩(wěn)定條件和失穩(wěn)邊界，設(shè)計了一種穩(wěn)定魯棒的異構(gòu)體編隊協(xié)同控制方法，并進行了控制策略優(yōu)化。但目前也是在理論和試驗研究中，與工程應(yīng)用還有些差距。

3.2.2 異構(gòu)體滑翔器編隊穩(wěn)定性技術(shù)

天津大學(xué)的薛冬陽[39]針對滑翔器編隊協(xié)調(diào)控制以及編隊任務(wù)過程中的穩(wěn)定性問題展開討論研究，提出一種基于多體力學(xué)分析方法的多層級運動協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)和一種降低能耗的混合驅(qū)動滑翔器運動優(yōu)化控制策略。并針對滑翔器編隊穩(wěn)定性問題，提出一種基于統(tǒng)計學(xué)分析的滑翔器編隊不確定分析方法。李學(xué)成[40]等人對異構(gòu)體滑翔器在不同通信概率下編隊構(gòu)型的穩(wěn)定性進行了分析，根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者與跟隨者策略建立了海洋滑翔器編隊構(gòu)型，并給予復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出了一種適用于異構(gòu)編隊系統(tǒng)的穩(wěn)定性評估方法。

4 異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)研究趨勢

4.1 仿生技術(shù)

4.1.1 仿生編碼調(diào)制技術(shù)

隨著異構(gòu)體滑翔器的發(fā)展和應(yīng)用，水聲通信的安全性問題也將是異構(gòu)體滑翔器編隊發(fā)展的重要方面。尤其在海洋的觀探測任務(wù)中，需要傳輸敏感性水聲數(shù)據(jù)信息時，涉及到國防安全，這就對異構(gòu)體滑翔器水聲通信的安全性和保密性提出了更高要求。

隱蔽仿生水聲通信是通過采用海洋生物叫聲作為通信載波，降低通信信號發(fā)現(xiàn)概率的一種隱蔽水聲通信。相較于傳統(tǒng)通過降低通信信噪比的隱蔽通信方法，仿生水聲通信的通信性能更優(yōu)。仿生通信調(diào)制方式主要分為2 大類，一種是基于原始的生物叫聲，利用各種編碼技術(shù)將信息調(diào)制到叫聲類別與時間位置上；另一種是利用原始生物叫聲高度相似的人工合成模擬叫聲作為通信載波，基于叫聲的參數(shù)模型或數(shù)字水印嵌入技術(shù)，將信息調(diào)制到模擬叫聲的時頻參數(shù)上，以此實現(xiàn)仿生通信。

國內(nèi)外學(xué)者在仿生水聲通信方向的研究取得了不錯的成果。哈爾濱工程大學(xué)的喬鋼團隊在仿生水聲通信方向深耕數(shù)年，其中馬天龍博士[41]研究了基于頻移鍵控的仿海豚哨聲水聲通信，通過模擬海豚哨聲以降低通信信號被發(fā)現(xiàn)的概率，從而實現(xiàn)仿生隱蔽通信。仿真和海試驗證了該方法的可行性。浙江大學(xué)的賈淤青[42]研究了仿鯨目生物叫聲的偽裝水聲通信，并從時域和頻域角度入手研究，提出3 種隱蔽仿生通信方法，改進的Sage-Husa 自適應(yīng)卡爾曼濾波時頻輪廓平滑算法、基于哨聲信號分段時頻輪廓仿生通信方法以及一種哨聲信號掩蓋下基于切比雪夫混沌信號的仿生隱蔽通信方法，仿真和試驗均取得一定效果。

仿生隱蔽水聲通信在帶來安全性通信的同時，也導(dǎo)致通信速率的下降，難以應(yīng)對一些通信速率高、通信安全性高的場景需求。目前來看，異構(gòu)體滑翔器的仿生隱蔽通信發(fā)展還不夠成熟，是將來異構(gòu)體滑翔器水聲通信發(fā)展的一個難點和熱點。

4.1.2 仿生滑翔器技術(shù)

隨著仿生材料、仿生結(jié)構(gòu)、仿生控制和生物信息智能感知等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者進行了水下滑翔器和波浪能滑翔器的仿生技術(shù)研究，取得了一定研究成果。

天津大學(xué)的沈新蕊[1]介紹了國內(nèi)外滑翔機融合仿生技術(shù)的研究進展。其中，德國 EvoLogics 公司采用智能設(shè)計，按照鰩魚進行仿生設(shè)計，研制出一款仿生滑翔器Sub Seaglider。北京航空航天大學(xué)等多家科研單位根據(jù)魚類運動肌群和流體外形的運動原理，進行了大量的滑翔機仿生研究，梳理了國內(nèi)外仿生滑翔器的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出未來發(fā)展趨勢[43]。西北工業(yè)大學(xué)朱崎峰等[44]根據(jù)滑翔機運動原理設(shè)計了一種仿海龜撲翼滑翔機，打破了傳統(tǒng)滑翔機的外形設(shè)計。針對傳統(tǒng)滑翔機機動性較弱問題，馬崢等[45]通過引入仿生推進設(shè)計技術(shù)，借助水平翼運動增加滑翔機的前進速度，該研究也為未來仿生滑翔機的研制提供技術(shù)依據(jù)和理論指導(dǎo)。李永成[46]在傳統(tǒng)水下滑翔器設(shè)計基礎(chǔ)上加上仿生推進的設(shè)計理念，借助機翼運動來增加滑翔機器的滑翔速度，從而解決傳統(tǒng)水下滑翔器易“隨波逐流”的問題。吳俊飛[47]等人參考海龜水中姿態(tài)和前肢外形，設(shè)計了一種新型仿生波浪滑翔器水翼，并通過ANSYS CFX 模擬分析，驗證了仿生水翼的推進性能。

將仿生技術(shù)融合到異構(gòu)體滑翔器上，是異構(gòu)體滑翔器走向智能化的過渡環(huán)節(jié)，有助于異構(gòu)體滑翔器更高效、智能地完成各種復(fù)雜任務(wù)。

4.2 人工智能技術(shù)

近年來，人工智能技術(shù)在教育、醫(yī)療、決策和智能感知等各領(lǐng)域快速發(fā)展，已經(jīng)取得了不錯的應(yīng)用成果。為突破異構(gòu)體滑翔器水聲通信所面臨的傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，結(jié)合人工智能技術(shù)，從水聲通信和異構(gòu)體滑翔器兩方面拓展新思路。

4.2.1 水聲通信方面

在水聲通信領(lǐng)域應(yīng)用人工智能技術(shù)，主要思路是結(jié)合水聲信道窄帶寬、大時延、強多途、高噪聲的水聲固有物理特性和不同海域信道沖激響應(yīng)的差異性，根據(jù)通信指標要求，在發(fā)射端自適應(yīng)切換最優(yōu)調(diào)制方式，在接收端自適應(yīng)匹配最佳信道參數(shù)。

1）時變信道的自適應(yīng)調(diào)制。

針對海洋水聲信道時空頻變特性和海底的差異性對水聲通信的巨大影響，利用人工智能算法（如強化學(xué)習Q-learning、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等），自主切換調(diào)制方式和調(diào)制參數(shù)，實現(xiàn)基于深度學(xué)習的自適應(yīng)編碼，從而保證在不同水域環(huán)境下水聲通信的成功率和可靠性。

2）水聲信道的估計均衡。

國內(nèi)外學(xué)者提出基于人工智能技術(shù)的信道估計與均方法。針對不同的海洋信道環(huán)境，自適應(yīng)匹配最佳信道參數(shù)；基于粒子群算法的自適應(yīng)決策反饋均衡器的運用；基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道估計器；基于向量機的水聲信道盲均衡算法等。

4.2.2 異構(gòu)體滑翔器方面

1）航跡規(guī)劃。

隨著異構(gòu)體滑翔器集群技術(shù)的研究和應(yīng)用的推進，對滑翔器集群控制性能提出更高要求。針對不同編隊任務(wù)需求，在通信受限以及環(huán)境受限的條件下，結(jié)合深度學(xué)習技術(shù)，以異構(gòu)體滑翔器編隊效能最大為輸出結(jié)果，功耗最小為代價函數(shù)，自適應(yīng)匹配最優(yōu)航跡規(guī)劃。

2）能源分配。

異構(gòu)體滑翔器執(zhí)行任務(wù)，需要搭載不同任務(wù)載荷。如何以高效、節(jié)能的方式對任務(wù)載荷分配能源，將是異構(gòu)體滑翔器編隊未來發(fā)展的關(guān)鍵。結(jié)合深度學(xué)習技術(shù)，針對不同任務(wù)、不同載荷工作的需求，自適應(yīng)分配能源，自主控制不同載荷的工作與休眠。

3）參量調(diào)節(jié)。

發(fā)展滑翔器人工智能技術(shù)，并結(jié)合流體力學(xué)和機械結(jié)構(gòu)理論，優(yōu)化滑翔器結(jié)構(gòu)、性能及各種控制參量，可實現(xiàn)基于海洋環(huán)境的準實時智能感知，有助于增強其在各種復(fù)雜海洋環(huán)境和任務(wù)突變情況下的自主運行能力和智能調(diào)節(jié)能力。

4）故障診斷（數(shù)字孿生）。

結(jié)合人工智能技術(shù)，可實現(xiàn)對滑翔器平臺的實時故障診斷，避免傳統(tǒng)故障診斷方式帶來的延遲滯后性。西北工業(yè)大學(xué)梁慶衛(wèi)等人結(jié)合人工智能、機器學(xué)習技術(shù)，采用數(shù)字孿生方法，在信息化平臺建立數(shù)字化模擬，對集成物理反饋的數(shù)據(jù)進行分析，在虛擬空間中實現(xiàn)映射，反應(yīng)實體系統(tǒng)的生命周期過程，提高故障診斷效率[48]。

4.3 水下能源補給技術(shù)

水下能源補給技術(shù)是異構(gòu)體滑翔器海洋觀探測的關(guān)鍵技術(shù)，也是其發(fā)展與應(yīng)用的“瓶頸”。水下滑翔器大多自身攜帶蓄電池，有限的電池能量除自身供給外，還要給搭載載荷及其數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)供能，且需要上浮或打撈進行充電或更換電池組，這會導(dǎo)致異構(gòu)體滑翔器自持力、續(xù)航力和任務(wù)執(zhí)行能力受到制約。

國內(nèi)外專家針對水下滑翔器的能源補給問題展開研究。一方面充分利用海洋中的巨大能源，除波浪能外還有潮汐能、海流能、海洋溫差能等多種形式，突破異構(gòu)體滑翔器海洋自供能關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，國內(nèi)外研究團隊著手研發(fā)水下充電站、水下接駁塢、水下無線充電等技術(shù)，當異構(gòu)體滑翔器監(jiān)測到能源報警后，即刻尋找最近充電裝置，進行能量補給，在能量恢復(fù)后，再返回編隊中繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

中國船舶七一〇所的曹紅梅[49]詳細梳理了國外無人潛航器能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，常用能源技術(shù)的優(yōu)缺點以及最新技術(shù)進展，并探討了能源技術(shù)發(fā)展趨勢。其中，美國巴特爾（Battelle）公司2014 年已研發(fā)出“水下母港”（Oceanhub）樣機，利用“金槍魚”– 12 UUV 完成了海試。利用該樣機，UUV 可自主導(dǎo)航并停泊，使用感應(yīng)線圈實現(xiàn)電力傳輸，無需金屬間的直接接觸?！八履父邸背潆姽β蕿?.7 kW，效率可達90%，UUV 充電時間為 4～6 h[50]。美國 2015 年啟動的創(chuàng)新性海軍項目，設(shè)想在3 000 m 海底布設(shè)一定數(shù)量能源補給點，延綿數(shù)百千米，壽命超過20 年。UUV 執(zhí)行任務(wù)時，可在補給點補充能源并中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，保障了水下長航時、遠航程作業(yè)。

相比較來說，國內(nèi)在海洋能源供能和水下無線充電站方面與國外存在很大的差距，在這方面還需要持續(xù)的深入研究。

4.4 安全布放回收技術(shù)

目前，美國已實現(xiàn)在自主海洋采集網(wǎng)絡(luò)中通過固定的水下回收器收集水下無人平臺的數(shù)據(jù)并對其補充能量。意大利北約海上研究和試驗中心（CMRE）[51]研究了一種帶有傳感器的AUV 捕捉器，能夠精準檢測對準AUV，結(jié)合其配套的控制軟件，還可自動鎖定/解鎖AUV 和電池充電器接合/分離。

目前，國內(nèi)水下滑翔器的布放回收大多采用吊繩和回收船；波浪能滑翔器由于其分體結(jié)構(gòu)，水面船和水下牽引機，中間由7 m 鎧裝纜相連，一般采用作業(yè)船上的龍門吊來布放回收。異構(gòu)體滑翔器搭載多種傳感器載荷，其外形結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，更增加其布放回收的難度。異構(gòu)體滑翔器的安全快速布放回收，是異構(gòu)體滑翔器穩(wěn)健高效執(zhí)行任務(wù)的前提和基礎(chǔ)。為異構(gòu)體滑翔器配備專業(yè)的甲板控制終端，提供任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)管理、通信組網(wǎng)、維修保養(yǎng)、成果展示等方面支撐，并配備安全可靠的布放回收設(shè)備和軟件系統(tǒng)，是異構(gòu)體滑翔器編隊協(xié)同發(fā)展和廣泛應(yīng)用的必然之舉。

5 結(jié)束語

異構(gòu)體滑翔器的體系結(jié)構(gòu)借助水聲通信技術(shù)，將水下滑翔器全海深隱蔽觀探測和波浪能滑翔器能源充足的優(yōu)勢相結(jié)合，構(gòu)建了跨介質(zhì)信息鏈路，拓展了滑翔器的作用范圍和觀探測能力。本文簡要綜述了水聲通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀，異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)研究與應(yīng)用國內(nèi)外現(xiàn)狀，探討了異構(gòu)體滑翔器水聲通信技術(shù)難點和未來研究趨勢。同國外先進水平相比，我國雖然在異構(gòu)體滑翔器和水聲通信機研制領(lǐng)域有了長足進步，但在人工智能、能源補給以及安全布放回收等方面仍存在較大差距，這也是需要我們持續(xù)關(guān)注和研究的關(guān)鍵點。本文對異構(gòu)體滑翔器水聲通信和組網(wǎng)的研究與應(yīng)用具有指導(dǎo)參考意義。