潛艇在水下是如何通信的呢？

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

海洋覆蓋著地球三分之二的表面積,它是人類探索和研究的最前沿的領(lǐng)域之一。海洋不僅在國際商業(yè)和漁業(yè)中扮演重要的角色,而且還包含了有關(guān)氣候的信息,以及大量急待開發(fā)的資源。

水下無線通信是研制海洋觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),借助海洋觀測系統(tǒng),可以采集有關(guān)海洋學(xué)的數(shù)據(jù),監(jiān)測環(huán)境污染,氣候變化海底異常地震火山活動(dòng),探查海底目標(biāo),以及遠(yuǎn)距離圖像傳輸。水下無線通信在軍事中也起到至關(guān)重要的作用,而且水下無線通信也是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

水下無線通信主要可以分成三大類:水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信,它們具有不同的特性及應(yīng)用場合,下面分別進(jìn)行說明。

一、水下電磁波通信

⒈ 水下電磁波傳播特點(diǎn)

無線電波在海水中衰減嚴(yán)重,頻率越高衰減越大。水下實(shí)驗(yàn)表明:MOTE節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線電波在水下僅能傳播50~120cm。低頻長波無線電波水下實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到6~8m的通信距離。30~300Hz的超低頻電磁波對(duì)海水穿透能力可達(dá)100多米,但需要很長的接收天線,這在體積較小的水下節(jié)點(diǎn)上無法實(shí)現(xiàn)。因此,無線電波只能實(shí)現(xiàn)短距離的高速通信,不能滿足遠(yuǎn)距離水下組網(wǎng)的要求。

除了海水本身的特性對(duì)水下電磁波通信的影響外,海水的運(yùn)動(dòng)對(duì)水下電磁波通信同樣有很大的影響。水下接收點(diǎn)相移分量均值和均方差均與選用電磁波的頻率有關(guān)。水下接收點(diǎn)相移分量的均值隨著接收點(diǎn)的平均深度的增加而線性增大,電場相移分量的均方差大小受海浪的波動(dòng)大小影響,海浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性導(dǎo)致了電場相移分量的標(biāo)準(zhǔn)差呈對(duì)數(shù)指數(shù)分布。

⒉ 傳統(tǒng)的水下電磁波通信

電磁波作為最常用的信息載體和探知手段,廣泛應(yīng)用于陸上通信、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。20世紀(jì)上半葉,人們始終致力于將模擬通信移至水中。水下電磁通信可追溯至第一次世界大戰(zhàn)期間,當(dāng)時(shí)的法國最先使用電磁波進(jìn)行了潛艇通信實(shí)驗(yàn)。第二次世界大戰(zhàn)期間,美國科學(xué)研究發(fā)展局曾對(duì)潛水員間的短距離無線電磁通信進(jìn)行了研究,但由于水中電磁波的嚴(yán)重衰減,實(shí)用的水下電磁通信一度被認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)。

直至60年代,甚低頻(VLF)和超低頻(SLF)通信才開始被各國海軍大量研究。甚低頻的頻率范圍在3~30kHz,其雖然可覆蓋幾千米的范圍,但僅能為水下10~15米深度的潛艇提供通信。由反偵查及潛航深度要求,超低頻(SLF)通信系統(tǒng)投入研制。SLF系統(tǒng)的頻率范圍為30~300Hz,美國和俄羅斯等國采用76Hz和82Hz附近的典型頻率,可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下超過80米的潛艇進(jìn)行指揮通信,因此超低頻通信承擔(dān)著重要的戰(zhàn)略意義。但是,SLF系統(tǒng)的地基天線達(dá)幾十千米,拖曳天線長度也超過千米,發(fā)射功率為兆瓦級(jí),通信速率低于1bp,僅能下達(dá)簡單指令,無法滿足高傳輸速率需求。

⒊ 水下無線射頻通信

射頻(Radiofrequency,RF)是對(duì)頻率高于10kHz,能夠輻射到空間中的交流變化的高頻電磁波的簡稱。射頻系統(tǒng)的通信質(zhì)量有很大程度上取決于調(diào)制方式的選取。前期的電磁通信通常采用模擬調(diào)制技術(shù),極大地限制了系統(tǒng)的性能。近年來,數(shù)字通信日益發(fā)展。相比于模擬傳輸系統(tǒng),數(shù)字調(diào)制解調(diào)具有更強(qiáng)的抗噪聲性能、更高的信道損耗容忍度、更直接的處理形式(數(shù)字圖像等)、更高的安全性,可以支持信源編碼與數(shù)據(jù)壓縮、加密等技術(shù),并使用差錯(cuò)控制編碼糾正傳輸誤差。使用數(shù)字技術(shù)可將-120dBm以下的弱信號(hào)從存在的嚴(yán)重噪聲的調(diào)制信號(hào)中解調(diào)出來,在衰減允許的情況下,能夠采用更高的工作頻率,因此射頻技術(shù)應(yīng)用于淺水近距離通信成為可能。這對(duì)于滿足快速增長的近距離高速信息交換需求,具有重大的意義。

對(duì)比其他近距離水下通信技術(shù),射頻技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)勢:

①通信速率高。可以實(shí)現(xiàn)水下近距離,高速率的無線雙工通信。近距離無線射頻通信可采用遠(yuǎn)高于水聲通信(50kHz以下)和甚低頻通信(30kHz以下)的載波頻率。若利用500kHz以上的工作頻率,配合正交幅度調(diào)制(QAM)或多載波調(diào)制技術(shù),將使100kbps以上的數(shù)據(jù)的高速傳輸成為可能。

②抗噪聲能力強(qiáng)。不受近水水域海浪噪聲、工業(yè)噪聲以及自然光輻射等干擾,在渾濁、低可見度的惡劣水下環(huán)境中,水下高速電磁通信的優(yōu)勢尤其明顯。

③水下電磁波的傳播速度快,傳輸延遲低。頻率高于10kHz的電磁波,其傳播速度比聲波高100倍以上,且隨著頻率的增加,水下電磁波的傳播速度迅速增加。由此可知,電磁通信將具有較低的延遲,受多徑效應(yīng)和多普勒展寬的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水聲通信。

④低的界面及障礙物影響?？奢p易穿透水與空氣分界面,甚至油層與浮冰層,實(shí)現(xiàn)水下與岸上通信。對(duì)于隨機(jī)的自然與人為遮擋,采用電磁技術(shù)都可與陰影區(qū)內(nèi)單元順利建立通信連接。

⑤無須精確對(duì)準(zhǔn),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。與激光通信相比,電磁通信的對(duì)準(zhǔn)要求明顯降低,無須精確的對(duì)準(zhǔn)與跟蹤環(huán)節(jié),省去復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)動(dòng)單元,因此電磁系統(tǒng)體積小,利于安裝與維護(hù)。

⑥功耗低,供電方便。電磁通信的高傳輸比特率使得單位數(shù)據(jù)量的傳輸時(shí)間減少,功耗降低。同時(shí),若采用磁禍合天線,可實(shí)現(xiàn)無硬連接的高效電磁能量傳輸,大大增加了水下封閉單元的工作時(shí)間,有利于分布式傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

⑦安全性高,對(duì)于軍事上已廣泛采用的水聲對(duì)抗干擾免疫。除此之外,電磁波較高的水下衰減,能夠提高水下通信的安全性。

⑧對(duì)水生生物無影響,更加有利于生態(tài)保護(hù)。

二、水聲通信

水聲通信是其中最成熟的技術(shù)。聲波是水中信息的主要載體,己廣泛應(yīng)用于水下通信、傳感、探測、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。聲波屬于機(jī)械波(縱波),在水下傳輸?shù)男盘?hào)衰減小(其衰減率為電磁波的千分之一),傳輸距離遠(yuǎn),使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里,適用于溫度穩(wěn)定的深水通信。

⒈ 水聲信道的特性與影響因子

聲波在海面附近的典型傳播速率為1520m/s,比電磁波的速率低5個(gè)數(shù)量級(jí),與電磁波和光波相比較,聲波在海水中的衰減小得多。

水聲通信系統(tǒng)的性能受復(fù)雜的水聲信道的影響較大。水聲信道是由海洋及其邊界構(gòu)成的一個(gè)非常復(fù)雜的介質(zhì)空間,它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的上下表面,能對(duì)聲波產(chǎn)生許多不同的影響。

①多路徑效應(yīng)嚴(yán)重。當(dāng)傳輸距離大于水深時(shí),同一波束內(nèi)從不同路徑傳輸?shù)穆暡?會(huì)由于路徑長度的差異,產(chǎn)生能量的差異和時(shí)間的延遲使信號(hào)展寬,導(dǎo)致波形的碼間干擾。當(dāng)帶寬為4kHz時(shí),巧米的路徑差即會(huì)造成10毫秒的時(shí)延,使每個(gè)信號(hào)并發(fā)40個(gè)干擾信號(hào)。這是限制數(shù)據(jù)傳輸速度并增加誤碼率的主要因素。

②環(huán)境噪聲影響大。干擾水聲通信的噪聲包括沿岸工業(yè)、水面作業(yè)、水下動(dòng)力、水生生物產(chǎn)生的活動(dòng)噪聲,以及海面波浪、波濤拍岸、暴風(fēng)雨、氣泡帶來的自然噪聲。這些噪聲會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的信噪比。

③通信速率低。水下聲信道的隨機(jī)變化特性,導(dǎo)致水下通信帶寬十分有限。短距離、無多徑效應(yīng)下的帶寬很難超過50kHz,即使采用16-QAM等多載波調(diào)制技術(shù),通信速率只有Ikbps~20kbps。當(dāng)工作于復(fù)雜的環(huán)境中,通信速率可能會(huì)低于Ikbps。

④多普勒效應(yīng)、起伏效應(yīng)等。由發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位移產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致載波偏移及信號(hào)幅度的降低,與多徑效應(yīng)并發(fā)的多普勒頻展將影響信息解碼。水媒質(zhì)內(nèi)部的隨機(jī)性不平整,會(huì)使聲信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)的起伏,嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

⑤其他。聲波幾乎無法跨越水與空氣的界面?zhèn)鞑?聲波受溫度、鹽度等參數(shù)影響較大;隱蔽性差;聲波影響水下生物,導(dǎo)致生態(tài)破壞。

⒉ 水聲通信技術(shù)

水聲信道一個(gè)十分復(fù)雜的多徑傳輸?shù)男诺?而且環(huán)境噪聲高帶寬窄可適用的載波頻率低以及傳輸?shù)臅r(shí)延大。為了克服這些不利因素,并盡可能地提高帶寬利用效率,已經(jīng)出現(xiàn)多種水聲通信技術(shù)。

①單邊帶調(diào)制技術(shù)。世界上第一個(gè)水聲通信系統(tǒng)是美國海軍水聲實(shí)驗(yàn)室于1945年研制的水下電話,主要用于潛艇之間的通信。該模擬通信系統(tǒng)使用單邊帶調(diào)制技術(shù),載波頻段為8~15kHz,工作距離可達(dá)幾公里。

②頻移鍵控(FSK)。頻移鍵控的通信系統(tǒng)從上世紀(jì)70年代后期開始出現(xiàn)到目前,在技術(shù)上逐漸提高頻移鍵控需要較寬的頻帶寬度,單位帶寬的通信速率低,并要求有較高的信噪比。

③相移鍵控(PSK)。上世紀(jì)80年代初,水下聲通信中開始使用相移鍵控調(diào)制方式。相移鍵控系統(tǒng)大多使用差分相移鍵控方式進(jìn)行調(diào)制,接收端可以用差分相干方式解調(diào)。采用差分相干的差分調(diào)相不需要相干載波,而且在抗頻漂、抗多徑效應(yīng)及抗相位慢抖動(dòng)方面,都優(yōu)于采用非相干解調(diào)的絕對(duì)調(diào)相。但由于參考相位中噪聲的影響,抗噪聲能力有所下降。

近年來,水聲通信在以下兩個(gè)方面取得了很大的進(jìn)步:

④多載波調(diào)制技術(shù)。

⑤多輸入多輸出技術(shù)。

三、水下量子通信

⒈ 水下激光通信

水下激光通信技術(shù)利用激光載波傳輸信息。由于波長450nm~530nm的藍(lán)綠激光在水下的衰減較其他光波段小得多,因此藍(lán)綠激光作為窗口波段應(yīng)用于水下通信。藍(lán)綠激光通信的優(yōu)勢是擁有幾種方式中最高傳輸速率。在超近距離下,其速率可到達(dá)100Mbps級(jí)。藍(lán)綠激光通信方向性好,接收天線較小。

70年代初,水下激光技術(shù)的軍事研究開始受到重視。90年代初,美軍完成了初級(jí)階段的藍(lán)綠激光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。但激光通信目前主要應(yīng)用于衛(wèi)星對(duì)潛通信,水下收發(fā)系統(tǒng)的研究滯后。

藍(lán)綠激光應(yīng)用于淺水近距離通信存在固有難點(diǎn):

①散射影響。水中懸浮顆粒及浮游生物會(huì)對(duì)光產(chǎn)生明顯的散射作用,對(duì)于渾濁的淺水近距離傳輸,水下粒子造成的散射比空氣中要強(qiáng)三個(gè)數(shù)量級(jí),透過率明顯降低。

②光信號(hào)在水中的吸收效應(yīng)嚴(yán)重。包括水媒質(zhì)的吸收、溶解物的吸收及懸浮物的吸收等。

③背景輻射的干擾。在接收信號(hào)的同時(shí),來自水面外的強(qiáng)烈自然光,以及水下生物的輻射光也會(huì)對(duì)接收信噪比形成干擾。

④高精度瞄準(zhǔn)與實(shí)時(shí)跟蹤困難。淺水區(qū)域活動(dòng)繁多,移動(dòng)的收發(fā)通信單元,在水下保持實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)十分困難。并且由于激光只能進(jìn)行視距通信,兩個(gè)通信點(diǎn)間隨機(jī)的遮擋都會(huì)影響通信性能。

由以上分析可知,由于固有的傳輸特性,水聲通信和激光通信應(yīng)用于淺水領(lǐng)域近距離高速通信時(shí)受到局限。

⒉ 水下中微子通信

中微子是一種穿透能力很強(qiáng)的粒子,靜止質(zhì)量幾乎為零,且不帶電荷,它大量存在于陽光、宇宙射線、地球大氣層的撞擊以及巖石中,50 年代中期,人們在實(shí)驗(yàn)室中也發(fā)現(xiàn)了它。

通過實(shí)驗(yàn)證明,中微子聚集運(yùn)動(dòng)的粒子束具有兩個(gè)特點(diǎn):

①它只參與原子核衰變時(shí)的弱相互作用力,卻不參與重力、電磁力以及質(zhì)子和中子結(jié)合的強(qiáng)相互作用力,因此,它可以直線高速運(yùn)動(dòng),方向性極強(qiáng);

②中微子束在水中穿越時(shí),會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng),發(fā)出微弱的藍(lán)色閃光,且衰減極小。

采用中微子束通信,可以確保點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,它方向性好,保密性極強(qiáng),不受電磁波的干擾,衰減極小。據(jù)測定,用高能加速器產(chǎn)生高能中微子束,穿透整個(gè)地球后,衰減不足千分之一,也就是說,從南美洲發(fā)出的中微子束,可以直接穿透地球到達(dá)北京,而中間不需衛(wèi)星和中繼站。另外,中微子束通信也可以應(yīng)用到例如對(duì)潛等水下通信,發(fā)展前景極其廣闊,但由于技術(shù)比較復(fù)雜,目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

四、水下無線通信的應(yīng)用

海洋、湖泊等水下區(qū)域不但蘊(yùn)含著豐富的資源,也與人類社會(huì)的發(fā)展構(gòu)成直接的關(guān)聯(lián)。在傳統(tǒng)的陸空通信網(wǎng)絡(luò)日趨完善的今天,水下通信的應(yīng)用正在逐漸增多。有纜通信方式使目標(biāo)的活動(dòng)區(qū)域大大受到限制,且安裝、使用、維護(hù)繁瑣昂貴,因此不適于水下節(jié)點(diǎn)間的動(dòng)態(tài)通信。

水下無線通信是以水為媒質(zhì),利用不同形式的載波傳輸數(shù)據(jù)、指令、語音、圖像等信息的技術(shù),其應(yīng)用方向主要有:

①潛水員、無人潛航器(AUV)、水下機(jī)器人等水下運(yùn)動(dòng)單元平臺(tái)間的信息交換。

②海岸檢測、水下節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航與控制、水下生態(tài)保護(hù)監(jiān)測等三維分布式傳感網(wǎng)應(yīng)用。

③水下傳感網(wǎng)、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉(zhuǎn)平臺(tái)間的通信。

由此可見,水下無線通信技術(shù)在民用、科研及軍事領(lǐng)域中前景廣闊。由于水下復(fù)雜的時(shí)空環(huán)境,通信系統(tǒng)的有效信息傳輸率往往成為瓶頸,這與不斷增長的水下通信需求形成矛盾。例如,潛航器的控制需要100bps以上的數(shù)據(jù)率,水下傳感組網(wǎng)的數(shù)據(jù)率需求將超過8kps,而傳輸聲音、圖像信息則需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于傳播媒質(zhì)的不同采用陸地、空氣中常用的微波、超短波通信方式,將帶來極大的衰減。因此,尋找更速的無線通信技術(shù),成為水下通信研究領(lǐng)域的核心目標(biāo)之一,對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)函具意義。

五、結(jié)語

水下無線通信有三大類:水下電磁波通信、水聲通信和水下量子通信,它們具有不同的特性及應(yīng)用場合。雖然電磁波在水中的衰減較大,但受水文條件影響甚微,使得水下電磁波通信相當(dāng)穩(wěn)定。水下電磁波通信的發(fā)展趨勢為:既要提高發(fā)射天線輻射效率,又要增加發(fā)射天線的等效帶寬,使之在增加輻射場強(qiáng)的同時(shí)提高傳輸速率;應(yīng)用微弱信號(hào)放大和檢測技術(shù)抑制和處理內(nèi)部和外部的噪聲干擾,優(yōu)選調(diào)制解調(diào)技術(shù)和編譯碼技術(shù)來提高接收機(jī)的靈敏度和可靠性。

此外,已有些學(xué)者在研究超窄帶理論與技術(shù),力爭獲得更高的頻帶利用率;也有學(xué)者正尋求能否突破香農(nóng)極限的科學(xué)依據(jù)。

由于聲波在水中的衰減最小,水聲通信適用于中長距離的水下無線通信。在目前及將來的一段時(shí)間內(nèi),水聲通信是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中主要的水下無線通信方式,但是水聲通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率較低,因此通過克服多徑效應(yīng)等不利因素的手段,達(dá)到提高帶寬利用效率的目的將是未來水聲通信技術(shù)的發(fā)展方向。

水下光通信具有數(shù)據(jù)傳輸率高的優(yōu)點(diǎn),但是水下光通信受環(huán)境的影響較大,克服環(huán)境的影響是將來水下光通信技術(shù)的發(fā)展方向。