潛艇在水下是如何通信的呢？

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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域之一。海洋不僅在國際商業和漁業中扮演重要的角色,而且還包含了有關氣候的信息,以及大量急待開發的資源。

水下無線通信是研制海洋觀測系統的關鍵技術,借助海洋觀測系統,可以采集有關海洋學的數據,監測環境污染,氣候變化海底異常地震火山活動,探查海底目標,以及遠距離圖像傳輸。水下無線通信在軍事中也起到至關重要的作用,而且水下無線通信也是水下傳感器網絡的關鍵技術。

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用場合,下面分別進行說明。

一、水下電磁波通信

⒈ 水下電磁波傳播特點

無線電波在海水中衰減嚴重,頻率越高衰減越大。水下實驗表明:MOTE節點發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點上無法實現。因此,無線電波只能實現短距離的高速通信,不能滿足遠距離水下組網的要求。

除了海水本身的特性對水下電磁波通信的影響外,海水的運動對水下電磁波通信同樣有很大的影響。水下接收點相移分量均值和均方差均與選用電磁波的頻率有關。水下接收點相移分量的均值隨著接收點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大小影響,海浪運動的隨機性導致了電場相移分量的標準差呈對數指數分布。

⒉ 傳統的水下電磁波通信

電磁波作為最常用的信息載體和探知手段,廣泛應用于陸上通信、電視、雷達、導航等領域。20世紀上半葉,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期間,當時的法國最先使用電磁波進行了潛艇通信實驗。第二次世界大戰期間,美國科學研究發展局曾對潛水員間的短距離無線電磁通信進行了研究,但由于水中電磁波的嚴重衰減,實用的水下電磁通信一度被認為無法實現。

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)通信系統投入研制。SLF系統的頻率范圍為30~300Hz,美國和俄羅斯等國采用76Hz和82Hz附近的典型頻率,可實現對水下超過80米的潛艇進行指揮通信,因此超低頻通信承擔著重要的戰略意義。但是,SLF系統的地基天線達幾十千米,拖曳天線長度也超過千米,發射功率為兆瓦級,通信速率低于1bp,僅能下達簡單指令,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。射頻系統的通信質量有很大程度上取決于調制方式的選取。前期的電磁通信通常采用模擬調制技術,極大地限制了系統的性能。近年來,數字通信日益發展。相比于模擬傳輸系統,數字調制解調具有更強的抗噪聲性能、更高的信道損耗容忍度、更直接的處理形式(數字圖像等)、更高的安全性,可以支持信源編碼與數據壓縮、加密等技術,并使用差錯控制編碼糾正傳輸誤差。使用數字技術可將-120dBm以下的弱信號從存在的嚴重噪聲的調制信號中解調出來,在衰減允許的情況下,能夠采用更高的工作頻率,因此射頻技術應用于淺水近距離通信成為可能。這對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。

對比其他近距離水下通信技術,射頻技術具有多項優勢:

①通信速率高。可以實現水下近距離,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,配合正交幅度調制(QAM)或多載波調制技術,將使100kbps以上的數據的高速傳輸成為可能。

②抗噪聲能力強。不受近水水域海浪噪聲、工業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境中,水下高速電磁通信的優勢尤其明顯。

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,受多徑效應和多普勒展寬的影響遠遠小于水聲通信。

④低的界面及障礙物影響。可輕易穿透水與空氣分界面,甚至油層與浮冰層,實現水下與岸上通信。對于隨機的自然與人為遮擋,采用電磁技術都可與陰影區內單元順利建立通信連接。

⑤無須精確對準,系統結構簡單。與激光通信相比,電磁通信的對準要求明顯降低,無須精確的對準與跟蹤環節,省去復雜的機械調節與轉動單元,因此電磁系統體積小,利于安裝與維護。

⑥功耗低,供電方便。電磁通信的高傳輸比特率使得單位數據量的傳輸時間減少,功耗降低。同時,若采用磁禍合天線,可實現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間,有利于分布式傳感網絡應用。

⑦安全性高,對于軍事上已廣泛采用的水聲對抗干擾免疫。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對水生生物無影響,更加有利于生態保護。

二、水聲通信

水聲通信是其中最成熟的技術。聲波是水中信息的主要載體,己廣泛應用于水下通信、傳感、探測、導航、定位等領域。聲波屬于機械波(縱波),在水下傳輸的信號衰減小(其衰減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個數量級,與電磁波和光波相比較,聲波在海水中的衰減小得多。

水聲通信系統的性能受復雜的水聲信道的影響較大。水聲信道是由海洋及其邊界構成的一個非常復雜的介質空間,它具有內部結構和獨特的上下表面,能對聲波產生許多不同的影響。

①多路徑效應嚴重。當傳輸距離大于水深時,同一波束內從不同路徑傳輸的聲波,會由于路徑長度的差異,產生能量的差異和時間的延遲使信號展寬,導致波形的碼間干擾。當帶寬為4kHz時,巧米的路徑差即會造成10毫秒的時延,使每個信號并發40個干擾信號。這是限制數據傳輸速度并增加誤碼率的主要因素。

②環境噪聲影響大。干擾水聲通信的噪聲包括沿岸工業、水面作業、水下動力、水生生物產生的活動噪聲,以及海面波浪、波濤拍岸、暴風雨、氣泡帶來的自然噪聲。這些噪聲會嚴重影響信號的信噪比。

③通信速率低。水下聲信道的隨機變化特性,導致水下通信帶寬十分有限。短距離、無多徑效應下的帶寬很難超過50kHz,即使采用16-QAM等多載波調制技術,通信速率只有Ikbps~20kbps。當工作于復雜的環境中,通信速率可能會低于Ikbps。

④多普勒效應、起伏效應等。由發送與接收節點間的相對位移產生的多普勒效應會導致載波偏移及信號幅度的降低,與多徑效應并發的多普勒頻展將影響信息解碼。水媒質內部的隨機性不平整,會使聲信號產生隨機的起伏,嚴重影響系統性能。

⑤其他。聲波幾乎無法跨越水與空氣的界面傳播;聲波受溫度、鹽度等參數影響較大;隱蔽性差;聲波影響水下生物,導致生態破壞。

⒉ 水聲通信技術

水聲信道一個十分復雜的多徑傳輸的信道,而且環境噪聲高帶寬窄可適用的載波頻率低以及傳輸的時延大。為了克服這些不利因素,并盡可能地提高帶寬利用效率,已經出現多種水聲通信技術。

①單邊帶調制技術。世界上第一個水聲通信系統是美國海軍水聲實驗室于1945年研制的水下電話,主要用于潛艇之間的通信。該模擬通信系統使用單邊帶調制技術,載波頻段為8~15kHz,工作距離可達幾公里。

②頻移鍵控(FSK)。頻移鍵控的通信系統從上世紀70年代后期開始出現到目前,在技術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80年代初,水下聲通信中開始使用相移鍵控調制方式。相移鍵控系統大多使用差分相移鍵控方式進行調制,接收端可以用差分相干方式解調。采用差分相干的差分調相不需要相干載波,而且在抗頻漂、抗多徑效應及抗相位慢抖動方面,都優于采用非相干解調的絕對調相。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方面取得了很大的進步:

④多載波調制技術。

⑤多輸入多輸出技術。

三、水下量子通信

⒈ 水下激光通信

水下激光通信技術利用激光載波傳輸信息。由于波長450nm~530nm的藍綠激光在水下的衰減較其他光波段小得多,因此藍綠激光作為窗口波段應用于水下通信。藍綠激光通信的優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100Mbps級。藍綠激光通信方向性好,接收天線較小。

70年代初,水下激光技術的軍事研究開始受到重視。90年代初,美軍完成了初級階段的藍綠激光通信系統實驗。但激光通信目前主要應用于衛星對潛通信,水下收發系統的研究滯后。

藍綠激光應用于淺水近距離通信存在固有難點:

①散射影響。水中懸浮顆粒及浮游生物會對光產生明顯的散射作用,對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三個數量級,透過率明顯降低。

②光信號在水中的吸收效應嚴重。包括水媒質的吸收、溶解物的吸收及懸浮物的吸收等。

③背景輻射的干擾。在接收信號的同時,來自水面外的強烈自然光,以及水下生物的輻射光也會對接收信噪比形成干擾。

④高精度瞄準與實時跟蹤困難。淺水區域活動繁多,移動的收發通信單元,在水下保持實時對準十分困難。并且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。

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用于淺水領域近距離高速通信時受到局限。

⒉ 水下中微子通信

中微子是一種穿透能力很強的粒子,靜止質量幾乎為零,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,人們在實驗室中也發現了它。

通過實驗證明,中微子聚集運動的粒子束具有兩個特點:

①它只參與原子核衰變時的弱相互作用力,卻不參與重力、電磁力以及質子和中子結合的強相互作用力,因此,它可以直線高速運動,方向性極強;

②中微子束在水中穿越時,會產生光電效應,發出微弱的藍色閃光,且衰減極小。

采用中微子束通信,可以確保點對點的通信,它方向性好,保密性極強,不受電磁波的干擾,衰減極小。據測定,用高能加速器產生高能中微子束,穿透整個地球后,衰減不足千分之一,也就是說,從南美洲發出的中微子束,可以直接穿透地球到達北京,而中間不需衛星和中繼站。另外,中微子束通信也可以應用到例如對潛等水下通信,發展前景極其廣闊,但由于技術比較復雜,目前還停留在實驗室階段。

四、水下無線通信的應用

海洋、湖泊等水下區域不但蘊含著豐富的資源,也與人類社會的發展構成直接的關聯。在傳統的陸空通信網絡日趨完善的今天,水下通信的應用正在逐漸增多。有纜通信方式使目標的活動區域大大受到限制,且安裝、使用、維護繁瑣昂貴,因此不適于水下節點間的動態通信。

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

①潛水員、無人潛航器(AUV)、水下機器人等水下運動單元平臺間的信息交換。

②海岸檢測、水下節點的數據采集、導航與控制、水下生態保護監測等三維分布式傳感網應用。

③水下傳感網、水下潛航單元與水面及陸上控制或中轉平臺間的通信。

由此可見,水下無線通信技術在民用、科研及軍事領域中前景廣闊。由于水下復雜的時空環境,通信系統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以上的數據率,水下傳感組網的數據率需求將超過8kps,而傳輸聲音、圖像信息則需要更高的數據傳輸速率。由于傳播媒質的不同采用陸地、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,成為水下通信研究領域的核心目標之一,對于國民經濟函具意義。

五、結語

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穩定。水下電磁波通信的發展趨勢為:既要提高發射天線輻射效率,又要增加發射天線的等效帶寬,使之在增加輻射場強的同時提高傳輸速率;應用微弱信號放大和檢測技術抑制和處理內部和外部的噪聲干擾,優選調制解調技術和編譯碼技術來提高接收機的靈敏度和可靠性。

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

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間內,水聲通信是水下傳感器網絡當中主要的水下無線通信方式,但是水聲通信技術的數據傳輸率較低,因此通過克服多徑效應等不利因素的手段,達到提高帶寬利用效率的目的將是未來水聲通信技術的發展方向。

水下光通信具有數據傳輸率高的優點,但是水下光通信受環境的影響較大,克服環境的影響是將來水下光通信技術的發展方向。