PDF《水声通信技术进展》

院刊

289 水声通信技术进展 朱敏*武岩波

1 中国科学院声学研究所 北京

100190 2 北京市海洋声学装备工程技术研究中心 北京

100190 摘要 水声通信技术是海洋领域中具有重要地位的核心技术,对水下观测、作业和军事活动具有重要的支撑 作用.

水声信道的复杂性使得水声通信的通信速率、通信距离和通信的稳定性受到极大限制.非相干通信技 术对信道适应性更强,目前得到广泛应用;

相干通信技术通信速率比非相干通信技术提高一个数量级,但受 信道限制更大,目前还在发展完善;

为了进一步改善通信的性能,正在不断完善自适应均衡算法、纠错编码 算法等,也在开展时反技术、多输入多输出技术等新方法的研究.国内中国科学院声学研究所等研究机构开 展了水声通信与组网技术各个方面的理论研究,样机研制和湖海试验发展迅速.特别是近

15 年来,国家加大 了对水声通信和组网技术的支持力度,缩短了我国和国外的技术差距.但就总体而言,我国在理论研究和产 品两方面仍滞后于美国等国家

5 年左右,需要继续大力发展水声通信算法研究、网络协议研究、试验与应用 研究、换能器和数字系统等硬件的研制、水声通信产品开发等方面. 关键词 水声通信,水声通信网,发展现状 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.03.006 *通讯作者 资助项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0300300),国家自然科学基金面上项目(61471351) 修改稿收到日期:2019年3月1日 专题:水声信号处理和声呐技术 ・ 发展现状和展望 Special Issue on Underwater Acoustical Signal Processing and Sonar Technology 今天是信息的时代,网络的时代.不断升级换代 的网络技术把全球联结在一起,催生出了电子商务、 智能家居、远程医疗、云计算、云存储等新型的产 业,而万物互联将深刻地改变每个人的生活和工作方 式.支撑这些的是快速发展的通信技术,以5G 为代表 的无线通信技术可以达到

10 Gbps,低廉的成本使得通 信网络可以覆盖全球. 但在海洋中,水下通信却面临着巨大的障碍.水 下电缆、光缆布设困难、成本高昂、易被破坏等难 题,使得水下有线通信的应用范围非常有限.除极低 频率外,电磁波在水中的衰减很快,穿透能力较强的 超长波也仅能穿透水面约

100 米左右 ;

光波在水中受 吸收和散射影响,只能进行短距离传输,传输最远的 蓝绿激光也只能实现水下几百米的传输.由于声波可 以在水中传播比较远的距离,水声通信是水下无线信 息传输的主要手段,但也面临可用带宽窄、信道复杂 多变等难题. 随着人类在海洋中的活动越来越频繁,需要在水

290 2019 年.第34 卷.第3期下传输信息的应用需求也越来越多,水声通信技术的 应用也越来越广泛,在科学考察、海洋工程建设、海 底矿产资源调查与开发以及军事领域等方面水声通信 技术都有着广泛的应用,这些应用也对水声通信的速 率和可靠性提出了更高的要求. 在科学考察活动中,以前放置在海底的海洋考察 仪器都是将采集的数据存储在仪器内,到预定的日期 由母船去回收,取出数据后再重新布放下去.这样周 期长、费用高,而且经常出现回收失败导致无法弥补 的数据缺失.如果应用水声通信技术,则可以将数据 传输至水面,不必回收海洋考察仪器,降低了风险和 费用.如果水面有长期值守的浮标,那么就可以实现 数据的实时回传. 在海上石油开采工业中,水声通信设备被广泛用 于海洋石油平台的环境参数监测、立管和局部管路的 振动,以及姿态监测、一些阀门的控制等.在无缆自 治水下机器人(AUV)和无人水下机器人(UUV)等 水下潜器中,水声通信机广泛用于遥控、遥测、数据 回传、协同作业等.对深海载人潜水器来说,水声通 信设备更是其关键设备之一,深海考察是一项具有危 险性的活动,保障潜水器中的科学家的生命安全是设 计深海载人潜水器要考虑的首要问题.与水面支持、 控制母船的及时通信联络可以极大提高载人潜水器中 的科学家处理突发事件的能力,对保障其生命安全起 着不可替代的作用.水声通信系统还可以实时传输载 人潜水器采集的数据信息,供水面科学家实时分析, 以便及时调整使命.实时的通信还有助于潜水器中的 科学家保持平静心态,顺利完成科研任务. 在军事上,水声通信是水面舰船和水下的载体 (潜艇和水下传感器等)间实现双向信息传输最为有 效的手段,如潜艇与指挥舰之间的联系等.美国、法国、英国等国家的海军都有很多这方面的研究计划. 在用于侦察、救捞、布雷与扫雷的水下机器人中,水 声通信也是关键技术之一.正是由于水声通信技术在 军事上的巨大应用价值,水声通信被列为高度敏感的 技术,美国一直限制其高性能水声通信产品对中国的 出口. 本文主要介绍非军事领域的水声通信技术进展.