什么都能谈,就是水声通信不能谈!

2016-10-11 来源:环球专网通信作者:寒若 我要评论(0) 字号:

对讲机通信

或许我们对上面的这种通信场景已经司空见惯;对下面的这种通信场景,也不再感到陌生。

卫星通信示意图

但是对于大洋中的潜艇、载人潜水器等是如何通信的,我们可能反而知之甚少。陆海空通信中,对于以海洋为典型代表的水下通信,是人类至今仍在努力探索的通信领域,其难度甚至超过了“上九天揽月”。

载人潜水器

近日,环球专网通信发布的《水下通信有望告别“对讲机”时代》一文,引起很多通信技术控的热烈讨论和关注,纷纷向小编打听更多的消息。为此我们特做相关跟踪报道,以飨读者。

众所周知,人类赖以生息繁衍的地球,其实是颗蓝色星球,海洋约占地球表面积的71%,陆地仅为29%。

海洋陆地比例图

由于海洋蕴藏了丰富的资源,包含了无数的科研价值,对于科技、经济、军事、环境和政治等的发展起着越来越重要的作用,因此它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。当前世界大国、强国都纷纷推行自己的海洋发展战略,加快对海洋的探索和开发。

而人类高效地研究、利用和保护海洋则离不开水下通信技术和装备,尤其是水下无线通信技术。一般而言,水下无线通信主要可以分成三大类:水下电磁波通信、水下量子通信和水声通信。

(一)水下电磁波通信

电磁波作为最常用的信息载体和探知手段,广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。但由于海水本身的特性以及海水运动的影响,导致电磁波在海水中衰减极其严重,且频率越高衰减越大。水下实验表明:MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50~120cm。低频长波无线电波水下实验可以达到6~8m的通信距离。30~300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米,但需要很长的接收天线,这在体积较小的水下节点上无法实现。因此,无线电波只能实现短距离的高速通信,不能满足远距离水下组网的要求,陆地通信倚靠的“利器“到了水中特别是深海中却没了用武之地。

(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。由于激光只能进行视距通信,两个通信点间随机的遮挡都会影响通信性能,容易受到散射、背景辐射的干扰;而且在浅水近距离通信时,高精度瞄准与实时跟踪比较困难,导致激光通信目前主要应用于卫星对潜通信,水下收发系统的研究滞后。中微子通信的发展前景极其广阔,但由于技术比较复杂,目前主要停留在实验室阶段。

量子通信

(三)水声通信

水声通信是一项在水下收发信息的技术。它的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后,由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质,将信息传递到远方的接收换能器,这时声信号又转换为电信号,经过放大、滤波和数字化后,数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理,还原成声音、文字及图片。

声波通信是水下远程无线信息传输的唯一有效和成熟的手段。声波是水中信息的主要载体,广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波(纵波),在水下传输的信号衰减小(其衰减率为电磁波的千分之一),传输距离远,使用范围可从几百米延伸至几十公里,适用于温度稳定的深水通信。

水声通信系统示意图

据了解,由于水声通信是唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式,其自身的技术特点和独特优势,使其成为海洋资源开发和海洋环境立体监测系统中的重要技术之一,在海洋技术与海洋工程、灾害预防和环境保护、航海等领域具有重要的应用价值。有了水声通信技术,浩瀚无垠、深不可测的海洋立即就变得“透明”起来,大洋的各种观测数据可以实时地呈现在我们的面前,帮助我们认识和研究海洋。

但由于水下复杂环境和水声信道的限制,水下声波通信在质量、效率等方面远落后于当前飞速发展的无线电通信,难以满足人们探索海洋和拓展水下空间的需求,所以对于水声通信技术的探索和利用是当今海洋高技术领域最前沿的技术之一。同时,由于水声通信技术的敏感性以及巨大应用价值,国外长期将之列为禁止出口中国的高技术产品,目前仍严格控制。上世纪90年代初,我国863计划访问团在法国考察,有一次当中国专家谈起水声通信技术时,法国人却声称“什么都能谈,就是水声通信不能谈。”

法国人的这句话,让朱维庆等人一直难以忘怀,从那时起,把中国的水声通信技术搞上去便成了朱维庆等水声研究人员的一大心愿。而朱维庆后来就是中国首台载人深潜器——“蛟龙”号专项总体组成员、中科院声学所的研究员。其弟子朱敏为“蛟龙”号副总设计师、声学团队负责人。中科院声学所经过攻关,研发了用于“蛟龙”号深潜器的高速数字水声通信系统。这套系统的作用距离几乎覆盖了所有海洋深度,水声相干和非相干通信可以在正负50度宽广的范围内工作,而扩频和语音通信的工作范围更广。载人潜水器母船可以准实时的观测到潜水器的工作状态,7秒或者14秒传输一幅光图或声图。

“蛟龙”号深潜器

在“蛟龙”号的第四次深潜试验中,首次突破7000米大关,位于大洋深处的试航员通过水声通信系统向当时正在天空遨游的神舟九号航天员发出了最诚挚的祝福:叶聪、杨波、刘开周三名潜航员祝福景海鹏、刘旺、刘洋三位航天员与天宫一号对接顺利!祝福我国载人航天、载人深潜事业取得辉煌成就!这种通信的实现,想必只有通信人才能明白其间所经历的痛苦,也只有通信人才能享受到这种来之不易的喜悦!

为密切配合我国海洋战略,提高海洋信息科学技术前沿基础研究能力,我国的科研人员并没有停歇科研脚步。他们明白,高速数字水声通信系统在“蛟龙”号上的技术应用范围还相对较窄,需要开展更为前沿的技术研发和海洋工程应用。

就在去年,国家自然科学基金委信息学部在西北工业大学国际会议中心召开了水下通信与探测重点项目群技术研讨会。国家自然基金委信息科学部的相关领导以及多位国内外著名学者及国内近30所大学、科研院所的100余名水声领域专家代表参加了此次研讨会。

国家自然科学基金委水下通信与探测重点项目群研讨会

会上,马远良院士作了“水声信号处理中的科学问题和发展展望”的专题报告。中科院声学所、西北工业大学、华南理工大学、哈尔滨工程大学和浙江大学的重点项目负责人分别汇报了项目进展、组织管理与研究计划情况。全国多个高校知名教授和中船重工研究所的专家作了19个专题报告,并就水声通信与探测技术前沿和数据、软件共享进行了热烈的讨论。国家自然科学基金委相关负责人就水声领域的十三五发展规划提出了意见和建议,期待水声领域研究范围继续延伸、研究水平不断提高。

而今年的5月24日,哈尔滨工程大学水声学院乔钢教授所在的科研团队顺利完成了承担的“远程、矢量、全双工水声通信技术”国家“863”计划项目,发明了水下多用户、全双工的声波通信方法,并研制了国际上首创的具有全双工通信能力和组网能力的水声通信机,解决了过去水下声通信中收发不能同时工作的问题,取得了水下声通信领域的重大技术进步。

全双工水声通信样机

近日,科研人员在对样机的实验中,成功实现了5公里距离的双向同步数据传输。这一水下声通信领域的重大技术突破,意味着未来水下通信有望告别“对讲机”时代,实现像在陆地上打电话一样的体验。

科研人员在海南陵水回收设备

乔钢教授科研团队所攻克的水下声波通信技术,能克服目前水下有缆通信的弱点,大大提高获取数据的灵活性、时效性,降低风险和费用,同时也是对目前无缆半双工水下通信设备的创新和提升。在国际上首次实现了单传感器的水下定向通信和双用户通信,极大提高了网络效率和信息吞吐量,攻克了超宽带通信中非一致性多普勒补偿的难题,提高了水声通信系统的稳定性。应用该项目,可实现多参数、多站位同步联合观测,大幅提升“海洋感知网”的观测能力。哈工程的这一科研成果,无疑使我国在水声通信领域获得了飞跃性的进展。此外,科研团队在项目的研发过程中,提出了多项原始创新性技术,目前已经在行业中获得应用。

我们预计,水声通信的发展,将会对以下应用方向产生重要影响:潜水员、无人潜航器、水下机器人等水下运动单元平台间的信息交换;海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护监测等三维分布式传感网应用;水下传感器、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的通信。由此可见,水声通信技术在民用、科研及军事领域的应用前景将十分广阔,我国将继续独立自主地发展水声通信!

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