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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)境我們該怎么交流信息呢？什么是水聲通信？這項技術(shù)的應(yīng)用及未來發(fā)展如何？
《電子與信息學(xué)報》邀請到中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國科學(xué)院大學(xué)的楊斌斌博士等人，帶來水聲通信技術(shù)的科普介紹。

水下是怎么通信的？

如今，我們享受著數(shù)字化時代帶來的便利性，隨時隨地便可以通過手機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展天地對話，這都是無線通信帶來的便利。

從原理上看，無線通信就是將需要傳輸?shù)男畔⒓虞d到電磁波上，經(jīng)過遠距離傳播后，被接收端從眾多電磁波和噪聲中檢測出來，并恢復(fù)對應(yīng)發(fā)送信息的過程。也就是說，只要有電磁波到達的地方，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)實現(xiàn)通信了，但請仔細想一想，您聽過或知道廣袤海洋下的通信嗎？

海洋占地表面積的71%，蘊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，被譽為生命的搖籃和地球的藍色心臟。那廣袤的海洋下能和陸地5G一樣自由自在、實時高速的通信嗎？

一般來講，當(dāng)水深超過200米時，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。這表明光在水中無法進行遠距離傳播，對于電磁波（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行通信呢？水下采集的信息又如何實現(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？

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

（1）傳播衰減小：聲波是一種機械波，介質(zhì)振動方向與傳播方向相同。它之所以能夠遠距離傳輸是因為其在水中的傳播衰減遠遠小于電磁波，因此是目前唯一一種能夠?qū)崿F(xiàn)水下遠距離無線傳播的信息載體。

（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、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，我們發(fā)現(xiàn)水下某些區(qū)域聲波無法到達，如果我們處在這個區(qū)域里，那就幾乎聽不到聲音了。更有趣的是，在同一個地點上午能聽到某種聲波，經(jīng)過一上午的艷陽高照，下午就可能聽不到這種聲波了，這就是著名的午后效應(yīng)。

水聲信道有何特殊性？

對于通信系統(tǒng)，分析對應(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散射，使得不同時刻不同強度的信號在接收端混疊，產(chǎn)生類似混響的效果，導(dǎo)致接收端無法恢復(fù)原始信息。

（2）變化較快：隨著表面海浪波動、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：海洋環(huán)境噪聲、海洋生物噪聲和船舶等人類活動噪聲也增加了通信難度；
（4）大多普勒頻移：水下聲速 1500 m/s 遠遠小于電磁波傳播速度 3×108 m/s，因此水下平臺間相對移動所帶來的多普勒效應(yīng)對系統(tǒng)的影響遠遠大于電磁波通信。
同時，頻率越高的聲波信號傳播衰減也越嚴重，導(dǎo)致水下可用的信號帶寬十分有限。
綜上所述，水聲信道是迄今為止最困難的無線信道之一。

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行通信。它首先將文字、語音、圖像等信息轉(zhuǎn)換成電信號，并由壓電換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號在水中傳播，之后接收換能器將采集到的聲信號又轉(zhuǎn)換為電信號，并恢復(fù)為對應(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?，F(xiàn)階段無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、海洋工程建設(shè)和國防安全等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。
（1）海洋科學(xué)觀測：海洋觀測體系是國家的水下信息基礎(chǔ)設(shè)施，水聲通信承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，是實現(xiàn)海洋科學(xué)觀測的技術(shù)基礎(chǔ)。
在2017年“西太主流系潛標(biāo)觀測網(wǎng)維護及升級”綜合考察航次任務(wù)中，中科院聲學(xué)所鄢社鋒團隊成功實現(xiàn)了深海數(shù)據(jù)無線實時傳輸?shù)疥懙夭⒔尤牖ヂ?lián)網(wǎng)，成功構(gòu)建了無人值守、長時間穩(wěn)定工作的大范圍深海數(shù)據(jù)無線實時傳輸網(wǎng)，極大地提高了深海觀測數(shù)據(jù)的時效性，對完善海洋氣候預(yù)報系統(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，鄢社鋒團隊又在地球最深處-馬里亞納海溝進行了全海深水聲通信實驗，首次在超過1萬米的深度實現(xiàn)了海底到海面的高速水聲通信，解決了全海深數(shù)據(jù)實時回傳的難題。

（2）海洋工程建設(shè)：在深海石油開采、資源勘探等無人環(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、設(shè)備無線控制和水下實景預(yù)覽。
（3）國防安全領(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。同時還能用于海岸監(jiān)測預(yù)警等系統(tǒng)。

水下未來的發(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。雖然目前無法構(gòu)建一個實時高速水下互聯(lián)網(wǎng)。但我們相信，在可以預(yù)見的未來，由水下通信設(shè)備、海面浮標(biāo)、空中飛行器和通信衛(wèi)星等多平臺組成的空天海地一體化網(wǎng)絡(luò)中一定會催生新的通信場景。比如，海底眾多未知的區(qū)域可以實時呈現(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物聯(lián)網(wǎng)進行遙控；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)報的數(shù)據(jù)可以在第一時間到達科學(xué)家手中。此時，地球才是真正實現(xiàn)了任何時間、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設(shè)計與試驗[J].信號處理,2019, 35(9): 1505-1512.
[4] 石綏祥,李占斌,華彥寧,程義遠,劉豐.水下觀測信息體系發(fā)展思考[J].中國工程科學(xué),2016,18(2):61-65.
作者 | 楊斌斌、楊基睿供圖 | 樊勇興
美編 | 馬秀強
校對 | 余 蓉、劉艷玲審核 | 陳 倩

聲 明
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