作者：金色轰炸机

根据香港《南华早报》的相关报道，此前，美国和北约公开过的最远水下水声通行距离为28公里，但这一纪录最近被中国技术团队所打破。近期，中国科学家使用了华为公司的新技术，在一次实际测试中，使得水下水声通信距离取得了里程碑式的突破，达到了30公里的距离。具体过程为中国科学家在水下1000米位置布置了一个水声水听器，然后在30公里之外的船舶上，使用4千到8千兆赫的频率发送信息，速率为4000比特每秒，最后不仅接收到了信息，而且实现了零误传。要在两年前，浙江大学和中船集团曾进行过类似的实验，但当时只达到了14公里的通信距离，结果两年之后就实现了对美国的超越，这个发展速度属实惊人。



▲水声通信，图片来源：网络

现代战争中，水下兵力兵器完全能够左右战场的胜负，但是要串联起潜艇、蛙人、水雷、鱼雷、潜标、无人潜航器等各个要素，必须有足够强大的水下通讯技术和设备才行。水下通信通常采用4种技术实现，即有线、水声、光、无线电。有线水下通信主要依靠光缆系统实现，如果是潜艇和岸上单位的联系，使用的光缆通常是陆地光缆的延伸。如果是水下单位之间的通讯，那就用的是特制的光缆。光缆既能输电，也能实时通讯，安全性比较高。不过它的使用受到限制，如果距离太远，投入的成本会非常大。所以一般是用在潜艇连接无人潜航器、鱼雷时使用。



▲中国研制的水声通信机，图片来源：网络

水声通信是水下单位之间联系沟通的一种最常用的方式。它和水下有线通讯的区别就好像是有线耳机和蓝牙耳机一样。现代潜艇自带的一些设备使用的也是水声原理，如潜艇的主被动声纳就是是探测水声信号的设备。水声通信不受海水深度限制，声波在水下以球面或柱面的方式传播，过程中衰减很弱，比起无线电根本不在一个层级上。水声通信在上世纪40年代曾是各国潜艇之间，实现水下通讯的主要手段，但是随着水声探测设备的发展，潜艇不会再主动使用水声通信设备向外发送信息了，因为这样做无疑就是把自己当成了一个巨大的声源。

现代潜艇对水声隐蔽性的要求很高，所以就算是绝对安全，水声通信也不会成为水下主要的通讯方式。但水声通信，却是唯一一个能够在水下实现远距离通讯的通讯方式。到了80~90年代，水声通信技术主要用在了无人潜航器上，执行水文数据采集，无人潜航器与无人潜航器之间的通信等。当然，也是海洋监测、水下潜艇警戒网和网络传感器设备的基础原理。美国提出的网络中心战，就要求大量布置水声监听设备，实现对中国潜艇的监视。



▲水声通信，图片来源：网络

光通信一般是指在水下使用蓝绿激光通信、激光致声通信两种技术。但使用光通讯时，水下单位可以接收信息，信息可以由直升机、无人机、固定翼飞机、卫星等携带的蓝绿激光光源设备发出。激光致声通信则是把激光光能转化为声能，但是同样的激光发生器还是位于空中平台上的。它照射水下单位，经过能量转化后，被水下单位接收到。以上这些水下通讯方式，各有各的缺陷和问题，通常来说无线电通信，是目前水下单位与岸上进行信息传递时候，用的最普遍的技术。



▲水下蓝绿激光通信，图片来源：网络

水下通讯的4大技术中中，无线电信号在水里是衰减最厉害的，根本无法实现远距离通信，所以一般只是用于跨介质通讯，即岸上和潜艇之间的通讯。无线电通信根据水下设备采用无线电波的频率不同，可以分为超低频、甚低频、低频、中频、高频、超高频、甚高频等，根据波长不同又可以分为超长波 （也就是超低频）、甚长波（甚低频）、短波、超短、微波等。

一般来说，潜艇处于水下部署状态时，超长波超低频、甚长波甚低频是最常用的和岸上进行通信的波长和频段。超长波超低频的通信距离能达到8000~10000公里，即使潜艇身处远洋，也能够想办法和岸基平台联系上。唯一的问题就是这种通讯的天线发射方向是固定的，一旦潜艇出现在天线辐射盲区，就很难联系上了。而甚长波甚低频通信的距离大约在2000公里左右，一般是潜艇在非远洋状态下，实现和岸上通讯的主要方式。这两种通讯方式，都可以使得潜艇在不上浮的状态下使用。但是短波、超短波、卫星通信就不同了。



▲潜艇无线电通讯，图片来源：网络

而且如果潜艇使用无线电通讯，就必须上浮，至少使通信天线露出水面或者进入天线的收发范围，但这也大大增加了潜艇自身暴露的风险。现代潜艇只能实现无线电单向定时通信，时效性非常差，无法进行大量的信息传输。但这一切，都是为了“安全”考虑。那么，此次中国科学家所取得的30公里水下通讯技术突破，是指的哪一种技术下的水下通讯呢？答案是水声通讯技术。



▲水声通讯系统大致组成，图片来源：网络

水声通讯系统的组成大致如下，即水声信息输入输出设备、编码/译码、调制/解调、换能。当信息以水声的形式在水下传播时，会有大量噪声的干扰，这些噪声来自于海洋生物活动、潮汐、波浪、甚至是水面行船。再加上传播过程中的能量损失，最终水声通讯信号呈现出的是多径扩展和多普勒扩展的特点，导致水声通讯的距离受到限制。

本次，中国的技术专家之所以能够在水声通信领域取得突破，主要是因为改变了水声通讯的信号编码方式，并且创造性的和OFDM信号调制技术结合了起来。这种新的编码方式被称之为极化码（ Polar 码），最早由土耳其大学的一名教授在2008年提出，当时还只是一个理论算法。要把它从理论变为现实，难度非常大。西方的相关技术研究人员当然也知道这项技术，但是并没有实际应用。目前北约创造出的水声通话记录是28米，用的是它们认为最先进的技术编码、信号调制手段，结果现在这个记录已经在中国应用新技术的条件下被打破了。



▲UUV+潜艇的典型作战模式，图片来源：网络

那么说了这么多，水声通讯距离变远，在军事上又有什么意义呢？从之前的描述大家也能看出，水声通讯现在已经不再用于潜艇之间的通讯了，所以它未来就是给无人潜航器用的，实现无人潜航器之间的通讯。无人潜航器对于作战潜艇的作用，几乎就等同于无人僚机对于隐身战斗机的作用。无人潜航器在水下，可以和有人潜艇实现协同作战，作战模式大体上可以分为典型的几个类型。但是不管是警戒也好，还是信息保障也好，都离不开潜艇和无人潜航器之间的通讯，这一点就需要依靠水声通讯来完成了。而潜艇要想控制无人潜航器，就必须要有协同、导航同步、通信、任务部署等工作模块。多个无人潜航器之间要实现通讯，也必须借助水下的水声通讯。而水声通讯设备的先进程度，尤其是通信距离的远近，抗噪声能力的强弱，就决定了这种协同作战模式能否成为现实。



▲国产无人潜航器，图片来源：网络

中国率先在水声通讯技术上取得突破，尤其是通讯距离的突破，可以说就是狠狠地向潜艇+无人潜航器协同作战迈了一步。不过，水声在水下的典型传播速度为1500米每秒，而且在不同深度和不同的海洋条件下，速度还会变化。所以30米的距离应该是在一定的条件下测算出来的，能不能在典型的军事用途场景下实现，现在还不好说。