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對講機通信
或許我們對上面的這種通信場景已經(jīng)司空見慣；對下面的這種通信場景，也不再感到陌生。
衛(wèi)星通信示意圖
但是對于大洋中的潛艇、載人潛水器等是如何通信的，我們可能反而知之甚少。陸?？胀ㄐ胖校瑢τ谝院Ｑ鬄榈湫痛淼乃峦ㄐ?，是人類至今仍在努力探索的通信領(lǐng)域，其難度甚至超過了“上九天攬月”。
載人潛水器
近日，環(huán)球?qū)＞W(wǎng)通信發(fā)布的《水下通信有望告別“對講機”時代》一文，引起很多通信技術(shù)控的熱烈討論和關(guān)注，紛紛向小編打聽更多的消息。為此我們特做相關(guān)跟蹤報道，以饗讀者。
眾所周知，人類賴以生息繁衍的地球，其實是顆藍色星球，海洋約占地球表面積的71%，陸地僅為29%。
海洋陸地比例圖
由于海洋蘊藏了豐富的資源，包含了無數(shù)的科研價值，對于科技、經(jīng)濟、軍事、環(huán)境和政治等的發(fā)展起著越來越重要的作用，因此它是人類探索和研究的最前沿的領(lǐng)域之一。當前世界大國、強國都紛紛推行自己的海洋發(fā)展戰(zhàn)略，加快對海洋的探索和開發(fā)。
而人類高效地研究、利用和保護海洋則離不開水下通信技術(shù)和裝備，尤其是水下無線通信技術(shù)。一般而言，水下無線通信主要可以分成三大類：水下電磁波通信、水下量子通信和水聲通信。
（一）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、導(dǎo)航等領(lǐng)域。但由于海水本身的特性以及海水運動的影響，導(dǎo)致電磁波在海水中衰減極其嚴重，且頻率越高衰減越大。水下實驗表明：MOTE節(jié)點發(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驗可以達到6～8m的通信距離。30～300Hz的超低頻電磁波對海水穿透能力可達100多米，但需要很長的接收天線，這在體積較小的水下節(jié)點上無法實現(xiàn)。因此，無線電波只能實現(xiàn)短距離的高速通信，不能滿足遠距離水下組網(wǎng)的要求，陸地通信倚靠的“利器“到了水中特別是深海中卻沒了用武之地。
（二）水下量子通信
水下量子通信主要包括水下激光通信和水下中微子通信。由于激光只能進行視距通信，兩個通信點間隨機的遮擋都會影響通信性能，容易受到散射、背景輻射的干擾；而且在淺水近距離通信時，高精度瞄準與實時跟蹤比較困難，導(dǎo)致激光通信目前主要應(yīng)用于衛(wèi)星對潛通信，水下收發(fā)系統(tǒng)的研究滯后。中微子通信的發(fā)展前景極其廣闊，但由于技術(shù)比較復(fù)雜，目前主要停留在實驗室階段。
量子通信
（三）水聲通信
水聲通信是一項在水下收發(fā)信息的技術(shù)。它的工作原理是首先將文字、語音、圖像等信息經(jīng)過編碼、調(diào)制處理后，由功率放大器推動聲學(xué)換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號。聲信號通過水這一介質(zhì)，將信息傳遞到遠方的接收換能器，這時聲信號又轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大、濾波和數(shù)字化后，數(shù)字信號處理器對信號進行自適應(yīng)均衡、糾錯等處理，還原成聲音、文字及圖片。
聲波通信是水下遠程無線信息傳輸?shù)奈ㄒ挥行Ш统墒斓氖侄?。聲波是水中信息的主要載體，廣泛應(yīng)用于水下通信、傳感、探測、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。聲波屬于機械波（縱波），在水下傳輸?shù)男盘査p?。ㄆ渌p率為電磁波的千分之一），傳輸距離遠，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。
水聲通信系統(tǒng)示意圖
據(jù)了解，由于水聲通信是唯一可在水下進行遠程信息傳輸?shù)耐ㄐ判问?，其自身的技術(shù)特點和獨特優(yōu)勢，使其成為海洋資源開發(fā)和海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一，在海洋技術(shù)與海洋工程、災(zāi)害預(yù)防和環(huán)境保護、航海等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。有了水聲通信技術(shù)，浩瀚無垠、深不可測的海洋立即就變得“透明”起來，大洋的各種觀測數(shù)據(jù)可以實時地呈現(xiàn)在我們的面前，幫助我們認識和研究海洋。
但由于水下復(fù)雜環(huán)境和水聲信道的限制，水下聲波通信在質(zhì)量、效率等方面遠落后于當前飛速發(fā)展的無線電通信，難以滿足人們探索海洋和拓展水下空間的需求，所以對于水聲通信技術(shù)的探索和利用是當今海洋高技術(shù)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一。同時，由于水聲通信技術(shù)的敏感性以及巨大應(yīng)用價值，國外長期將之列為禁止出口中國的高技術(shù)產(chǎn)品，目前仍嚴格控制。上世紀90年代初，我國863計劃訪問團在法國考察，有一次當中國專家談起水聲通信技術(shù)時，法國人卻聲稱“什么都能談，就是水聲通信不能談?！?/p>
法國人的這句話，讓朱維慶等人一直難以忘懷，從那時起，把中國的水聲通信技術(shù)搞上去便成了朱維慶等水聲研究人員的一大心愿。而朱維慶后來就是中國首臺載人深潛器——“蛟龍”號專項總體組成員、中科院聲學(xué)所的研究員。其弟子朱敏為“蛟龍”號副總設(shè)計師、聲學(xué)團隊負責(zé)人。中科院聲學(xué)所經(jīng)過攻關(guān)，研發(fā)了用于“蛟龍”號深潛器的高速數(shù)字水聲通信系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的作用距離幾乎覆蓋了所有海洋深度，水聲相干和非相干通信可以在正負50度寬廣的范圍內(nèi)工作，而擴頻和語音通信的工作范圍更廣。載人潛水器母船可以準實時的觀測到潛水器的工作狀態(tài)，7秒或者14秒傳輸一幅光圖或聲圖。
“蛟龍”號深潛器
在“蛟龍”號的第四次深潛試驗中，首次突破7000米大關(guān)，位于大洋深處的試航員通過水聲通信系統(tǒng)向當時正在天空遨游的神舟九號航天員發(fā)出了最誠摯的祝福：葉聰、楊波、劉開周三名潛航員祝福景海鵬、劉旺、劉洋三位航天員與天宮一號對接順利！祝福我國載人航天、載人深潛事業(yè)取得輝煌成就！這種通信的實現(xiàn)，想必只有通信人才能明白其間所經(jīng)歷的痛苦，也只有通信人才能享受到這種來之不易的喜悅！
為密切配合我國海洋戰(zhàn)略，提高海洋信息科學(xué)技術(shù)前沿基礎(chǔ)研究能力，我國的科研人員并沒有停歇科研腳步。他們明白，高速數(shù)字水聲通信系統(tǒng)在“蛟龍”號上的技術(shù)應(yīng)用范圍還相對較窄，需要開展更為前沿的技術(shù)研發(fā)和海洋工程應(yīng)用。
就在去年，國家自然科學(xué)基金委信息學(xué)部在西北工業(yè)大學(xué)國際會議中心召開了水下通信與探測重點項目群技術(shù)研討會。國家自然基金委信息科學(xué)部的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)以及多位國內(nèi)外著名學(xué)者及國內(nèi)近30所大學(xué)、科研院所的100余名水聲領(lǐng)域?qū)＜掖韰⒓恿舜舜窝杏憰?/p>
會上，馬遠良院士作了“水聲信號處理中的科學(xué)問題和發(fā)展展望”的專題報告。中科院聲學(xué)所、西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和浙江大學(xué)的重點項目負責(zé)人分別匯報了項目進展、組織管理與研究計劃情況。全國多個高校知名教授和中船重工研究所的專家作了19個專題報告，并就水聲通信與探測技術(shù)前沿和數(shù)據(jù)、軟件共享進行了熱烈的討論。國家自然科學(xué)基金委相關(guān)負責(zé)人就水聲領(lǐng)域的十三五發(fā)展規(guī)劃提出了意見和建議，期待水聲領(lǐng)域研究范圍繼續(xù)延伸、研究水平不斷提高。
而今年的5月24日，哈爾濱工程大學(xué)水聲學(xué)院喬鋼教授所在的科研團隊順利完成了承擔(dān)的“遠程、矢量、全雙工水聲通信技術(shù)”國家“863”計劃項目，發(fā)明了水下多用戶、全雙工的聲波通信方法，并研制了國際上首創(chuàng)的具有全雙工通信能力和組網(wǎng)能力的水聲通信機，解決了過去水下聲通信中收發(fā)不能同時工作的問題，取得了水下聲通信領(lǐng)域的重大技術(shù)進步。
全雙工水聲通信樣機
近日，科研人員在對樣機的實驗中，成功實現(xiàn)了5公里距離的雙向同步數(shù)據(jù)傳輸。這一水下聲通信領(lǐng)域的重大技術(shù)突破，意味著未來水下通信有望告別“對講機”時代，實現(xiàn)像在陸地上打電話一樣的體驗。
科研人員在海南陵水回收設(shè)備
喬鋼教授科研團隊所攻克的水下聲波通信技術(shù)，能克服目前水下有纜通信的弱點，大大提高獲取數(shù)據(jù)的靈活性、時效性，降低風(fēng)險和費用，同時也是對目前無纜半雙工水下通信設(shè)備的創(chuàng)新和提升。在國際上首次實現(xiàn)了單傳感器的水下定向通信和雙用戶通信，極大提高了網(wǎng)絡(luò)效率和信息吞吐量，攻克了超寬帶通信中非一致性多普勒補償?shù)碾y題，提高了水聲通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用該項目，可實現(xiàn)多參數(shù)、多站位同步聯(lián)合觀測，大幅提升“海洋感知網(wǎng)”的觀測能力。哈工程的這一科研成果，無疑使我國在水聲通信領(lǐng)域獲得了飛躍性的進展。此外，科研團隊在項目的研發(fā)過程中，提出了多項原始創(chuàng)新性技術(shù)，目前已經(jīng)在行業(yè)中獲得應(yīng)用。
我們預(yù)計，水聲通信的發(fā)展，將會對以下應(yīng)用方向產(chǎn)生重要影響：潛水員、無人潛航器、水下機器人等水下運動單元平臺間的信息交換；海岸檢測、水下節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航與控制、水下生態(tài)保護監(jiān)測等三維分布式傳感網(wǎng)應(yīng)用；水下傳感器、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉(zhuǎn)平臺間的通信。由此可見，水聲通信技術(shù)在民用、科研及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景將十分廣闊，我國將繼續(xù)獨立自主地發(fā)展水聲通信！
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