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我們已習(xí)慣了在陸地上用各種信息化設(shè)備交流信息，但是在水下環(huán)境我們?cè)撛趺唇涣餍畔⒛?？什么是水聲通信？這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展如何？
《電子與信息學(xué)報(bào)》邀請(qǐng)到中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的楊斌斌博士等人，帶來(lái)水聲通信技術(shù)的科普介紹。

水下是怎么通信的？

如今，我們享受著數(shù)字化時(shí)代帶來(lái)的便利性，隨時(shí)隨地便可以通過(guò)手機(jī)與世界各地連接交流，哪怕身處太空的宇航員們也能和我們開(kāi)展天地對(duì)話，這都是無(wú)線通信帶來(lái)的便利。

從原理上看，無(wú)線通信就是將需要傳輸?shù)男畔⒓虞d到電磁波上，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳播后，被接收端從眾多電磁波和噪聲中檢測(cè)出來(lái)，并恢復(fù)對(duì)應(yīng)發(fā)送信息的過(guò)程。也就是說(shuō)，只要有電磁波到達(dá)的地方，理論上就能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)通信。似乎我們已經(jīng)能夠在地球任意地區(qū)實(shí)現(xiàn)通信了，但請(qǐng)仔細(xì)想一想，您聽(tīng)過(guò)或知道廣袤海洋下的通信嗎？

海洋占地表面積的71%，蘊(yùn)含著豐富的能源礦產(chǎn)，擁有著繁多的海洋生物，調(diào)節(jié)著全球的氣候變化，被譽(yù)為生命的搖籃和地球的藍(lán)色心臟。那廣袤的海洋下能和陸地5G一樣自由自在、實(shí)時(shí)高速的通信嗎？

一般來(lái)講，當(dāng)水深超過(guò)200米時(shí)，水下就變得一片漆黑，一些依賴光合作用的植物也消失殆盡。這表明光在水中無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，對(duì)于電磁波（光也是一種電磁波）而言也是如此。
那水下潛艇以及載人深潛器又如何進(jìn)行通信呢？水下采集的信息又如何實(shí)現(xiàn)快速傳輸呢？這里就要介紹一種能夠在水下通信的技術(shù)-水聲通信，下面我們繼續(xù)探究它的神奇和特別之處吧。

水下聲音怎么傳播？

如果您是潛泳愛(ài)好者的話，您一定對(duì)水下聲音的傳播而感到印象深刻，特別是在海邊潛泳時(shí)，您甚至能清晰的聽(tīng)到遠(yuǎn)處船舶等各種聲音，達(dá)芬奇在1490年也發(fā)現(xiàn)了這一特點(diǎn)。

（1）傳播衰減小：聲波是一種機(jī)械波，介質(zhì)振動(dòng)方向與傳播方向相同。它之所以能夠遠(yuǎn)距離傳輸是因?yàn)槠湓谒械膫鞑ニp遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波，因此是目前唯一一種能夠?qū)崿F(xiàn)水下遠(yuǎn)距離無(wú)線傳播的信息載體。

（2）聲速分層變化：不同于空氣中的聲速 340 m/s，聲波在水中傳播速度更快，約為 1500 m/s。但水下聲速并非恒定的，而是隨著海水溫度、壓強(qiáng)、鹽度和深度等參數(shù)不斷變化。
（3）曲線傳播：由于不同深度聲速大小不同，使得水下聲波并不是沿著直線傳播的，而是彎曲的。這點(diǎn)可能出乎大多數(shù)人的意料，如下圖所示是一種聲波傳播路徑。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)水下某些區(qū)域聲波無(wú)法到達(dá)，如果我們處在這個(gè)區(qū)域里，那就幾乎聽(tīng)不到聲音了。更有趣的是，在同一個(gè)地點(diǎn)上午能聽(tīng)到某種聲波，經(jīng)過(guò)一上午的艷陽(yáng)高照，下午就可能聽(tīng)不到這種聲波了，這就是著名的午后效應(yīng)。

水聲信道有何特殊性？

對(duì)于通信系統(tǒng)，分析對(duì)應(yīng)的信道特性往往非常重要。相比于陸地?zé)o線信道，水聲信道更為復(fù)雜。
（1）多徑明顯：海水中彎曲的聲線，在傳播中受到海面、海底的界面反射和隨機(jī)散射，使得不同時(shí)刻不同強(qiáng)度的信號(hào)在接收端混疊，產(chǎn)生類似混響的效果，導(dǎo)致接收端無(wú)法恢復(fù)原始信息。

（2）變化較快：隨著表面海浪波動(dòng)、海洋內(nèi)波等變化水聲信道也隨之快速變化；
（3）噪聲和干擾強(qiáng)：海洋環(huán)境噪聲、海洋生物噪聲和船舶等人類活動(dòng)噪聲也增加了通信難度；
（4）大多普勒頻移：水下聲速 1500 m/s 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁波傳播速度 3×108 m/s，因此水下平臺(tái)間相對(duì)移動(dòng)所帶來(lái)的多普勒效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁波通信。
同時(shí)，頻率越高的聲波信號(hào)傳播衰減也越嚴(yán)重，導(dǎo)致水下可用的信號(hào)帶寬十分有限。
綜上所述，水聲信道是迄今為止最困難的無(wú)線信道之一。

什么是水聲通信？

水聲通信，顧名思義，就是利用聲波在水下進(jìn)行通信。它首先將文字、語(yǔ)音、圖像等信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由壓電換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)在水中傳播，之后接收換能器將采集到的聲信號(hào)又轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并恢復(fù)為對(duì)應(yīng)的聲音、文字及圖片。

從原理上看，水聲通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與電磁波通信系統(tǒng)相比并無(wú)明顯區(qū)別。兩者最大的不同在于信道，我們可以將信道理解為信息傳輸?shù)摹肮贰?，相比于無(wú)線電磁波通信，水聲“公路”可謂是障礙重重。
第二次世界大戰(zhàn)至今，水聲通信經(jīng)歷了模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)階段無(wú)線電磁波通信中的相干通信、信道編碼、OFDM和MIMO等技術(shù)在水聲通信系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用與研究。

水聲通信大有可為

水聲通信技術(shù)在海洋科學(xué)觀測(cè)、海洋工程建設(shè)和國(guó)防安全等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。
（1）海洋科學(xué)觀測(cè)：海洋觀測(cè)體系是國(guó)家的水下信息基礎(chǔ)設(shè)施，水聲通信承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)海洋科學(xué)觀測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。
在2017年“西太主流系潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)維護(hù)及升級(jí)”綜合考察航次任務(wù)中，中科院聲學(xué)所鄢社鋒團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了深海數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸?shù)疥懙夭⒔尤牖ヂ?lián)網(wǎng)，成功構(gòu)建了無(wú)人值守、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的大范圍深海數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)，極大地提高了深海觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，對(duì)完善海洋氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能，加速海洋科學(xué)研究成果產(chǎn)出發(fā)揮了重要作用。

2018年12月12日，鄢社鋒團(tuán)隊(duì)又在地球最深處-馬里亞納海溝進(jìn)行了全海深水聲通信實(shí)驗(yàn)，首次在超過(guò)1萬(wàn)米的深度實(shí)現(xiàn)了海底到海面的高速水聲通信，解決了全海深數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳的難題。

（2）海洋工程建設(shè)：在深海石油開(kāi)采、資源勘探等無(wú)人環(huán)境下，水聲通信技術(shù)可以用于水下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備無(wú)線控制和水下實(shí)景預(yù)覽。
（3）國(guó)防安全領(lǐng)域：水聲通信誕生的背景就是為了解決水下潛艇的通信問(wèn)題，它是潛艇或水下航行器等水下設(shè)備與水面艦船或水面浮標(biāo)互聯(lián)互通的有效手段。同時(shí)還能用于海岸監(jiān)測(cè)預(yù)警等系統(tǒng)。

水下未來(lái)的發(fā)展在哪里？

現(xiàn)階段，水聲通信技術(shù)正朝著更完善、更全面的網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。雖然目前無(wú)法構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)高速水下互聯(lián)網(wǎng)。但我們相信，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，由水下通信設(shè)備、海面浮標(biāo)、空中飛行器和通信衛(wèi)星等多平臺(tái)組成的空天海地一體化網(wǎng)絡(luò)中一定會(huì)催生新的通信場(chǎng)景。比如，海底眾多未知的區(qū)域可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在家庭電視屏幕上；海底的采礦設(shè)備可以在陸地工廠中通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遙控；自主水下航行器可以在數(shù)百公里外與母船通信聯(lián)絡(luò)；極端天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)可以在第一時(shí)間到達(dá)科學(xué)家手中。此時(shí)，地球才是真正實(shí)現(xiàn)了任何時(shí)間、任意角落的互聯(lián)互通。

參考資料
[1] R.J. 尤立克.水聲原理（第3版）.洪申, 譯.哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)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] 徐立軍,鄢社鋒, 曾迪,張震, 奚鈞壹,毛琳琳.全海深高速水聲通信機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].信號(hào)處理,2019, 35(9): 1505-1512.
[4] 石綏祥,李占斌,華彥寧,程義遠(yuǎn),劉豐.水下觀測(cè)信息體系發(fā)展思考[J].中國(guó)工程科學(xué),2016,18(2):61-65.
作者 | 楊斌斌、楊基睿供圖 | 樊勇興
美編 | 馬秀強(qiáng)
校對(duì) | 余 蓉、劉艷玲審核 | 陳 倩

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