制圖：賀逸舒
浩瀚的“龍宮”雖然神奇，但如何在水下保持與外界的“飛鴻傳書”，依舊是一道尚未完全攻破的世界性難題。除了把低頻電磁波、聲波和光波作為主要水下信息通信載體外，美國麻省理工學院的研究人員日前推出了一套“平移聲學-射頻通信”系統，通過綜合運用聲吶和雷達技術，試圖實現潛艇等“深海巨獸”與水面艦艇乃至飛機、衛星之間的高速通信。
長期以來，制約水下作戰的重要因素，就是無法建立起水下通信的“信息高速路”。信息化戰爭戰場態勢瞬息萬變，戰機稍縱即逝，只有建立高效穩定的水下通信系統，才能充分挖掘出水下作戰的巨大潛能。尤其是伴隨著軍事物聯網的快速發展，未來水下作戰對潛艇、無人潛航器等戰場節點的網絡通信提出了新的更高要求，推動著人們對于水下通信技術不斷進行研究探索。
探秘“龍宮”—
電磁波通信成了“旱鴨子”
水下通信一般是指水上實體與潛艇、無人潛航器等水下目標的通信或水下目標之間的通信。由于海洋環境中各種復雜因素的存在，使得水下通信一直滯后于地面、空中和空間通信的發展，也成為制約信息化戰場水下作戰戰力提升的瓶頸。
說起通信，人們廣泛使用的電磁波在水下衰減很快，穿透海水傳輸數據的能力相對薄弱，是個不折不扣的“旱鴨子”。譬如，我們把手機用防水袋包裹好放入水中，信號就會大幅度衰減，這就是電磁波在水中傳輸能力的簡單驗證。
給航行在大洋深處的潛艇發一封電報，要多久？現有的技術水平大概是30分鐘。目前，世界各國廣泛使用的通信方式，主要是甚低頻和超低頻等長波通信手段。日本是最早實現甚低頻技術實用化的國家，早在1929年就建成了佐佐美通信站。第二次世界大戰期間，德國和英國海軍也相繼建成了甚低頻通信站。從20世紀50年代開始，伴隨著彈道導彈潛艇的誕生，利用超低頻率電磁波面向全球傳播的超低頻通信方案應運而生，為潛艇遠洋隱蔽通信立下了汗馬功勞。從1985年起，美國先后多次完成超低頻通信試驗，各軍事強國也加大了對超低頻通信系統的研究。
即便是目前相對較為成熟的超低頻通信系統，也只能穿透100米深的海水，且系統傳輸速率慢、造價昂貴，限制了長波通信的進一步發展。當長波手段用于對潛通信時，需要超大功率的無線電發射機和大尺寸天線，空間使用“寸土寸金”的潛艇只能配備通信接收機，也就意味著在水下的潛艇只能“聽”。如果潛艇需要向岸上發報，就必須上浮或者施放通信浮標。承擔水下“潛伏”任務的潛艇，如果時不時露出水面獲取信號，極易將自身暴露在先進反潛技術面前。如果不能實現高效穩定的水下通信，根本不知道對手在哪里的潛艇只能蹲守在海里“碰碰運氣”，甚至還會嚴重貽誤戰機。
此外，水下長波通信雖然能實現長距離通信，但信號發射臺往往體型巨大，抗毀能力差。美國1986年建成并投入使用的超長波電臺天線橫亙135千米。對此，美國國防部高級研究計劃局還專門開展了“機械天線”項目研究，旨在為長波通信找尋更加小型化的信號發射裝置。
聲光變換—
駛入水下通信“高速路”
為充分彌補水下通信的技術短板，美、日、俄等國一直致力于水下通信技術的研發，在水聲通信、藍綠激光水下通信等領域相繼取得突破性進展。
聲波在水下傳輸的信號衰減小，傳輸距離遠，使用范圍可從幾百米延伸至幾十公里，因而成為水中信息傳輸的主要載體。目前，水聲通信已經成為較為成熟的水下通信手段，美軍使用的水聲通信設備傳輸距離可達數千米。近年來，研究人員還在編碼技術、信道均衡技術、糾錯及安全傳輸方面取得重大進展，進一步推動了水聲通信技術的快速發展。
水聲通信主要存在著傳輸速率相對較低、傳輸距離不能滿足戰場需求等問題。2017年5月，韓國研究人員成功實現了水深100米、通信距離30千米的水聲通信試驗，將現有水聲通信手段的傳輸距離提高了2倍以上。隨后，美國研究人員借助螺旋聲波多路復用技術，驗證了聲波信號高效并行傳輸的技術可行性，使通信速率提高了8倍，為破解遠距離水聲通信速率低等難題提供了新的解決方案。
要想開啟水下通信的“高速路”，還可以從激光身上找尋靈感。20世紀70年代初，美國研究人員率先發現了藍綠色這一“海水窗口”，藍綠激光水下通信利用的就是波長450-530納米的藍綠色光。研究表明，潛艇在水下700米深仍可接收到藍綠激光信號。
藍綠激光水下通信具有海水穿透能力強、數據傳輸速率快、方向性好、抗截獲和抗核輻射能力好等諸多優點，相當于為水下游弋的潛艇戴上了通信“助聽器”。自從美國海軍提出“衛星-潛艇”通信可行性研究后，藍綠激光水下通信迅速成為美國的戰略性研究計劃，目前美國已基本完成了藍綠激光水下通信的相關試驗。
美國海軍研究人員正計劃使用藍綠激光，實現飛機與潛艇的全雙工通信。英國工程師在此前發布的未來潛艇概念圖中，也明確提出將利用激光開展集群通信。2017年，日本國立海洋研究開發機構在日本防衛省的支持下，成功實現了水深800米移動物體間的藍綠激光無線通信，通信速率達到可實時傳輸視頻畫面水平。
組網互聯—
探尋未來通信的“顛覆者”
當前，隨著無人化與智能化裝備的快速發展，找尋到足以支撐起復雜戰場態勢信息實時傳輸的水下通信技術成為當務之急。長波通信、水聲通信、藍綠激光水下通信依舊存在短板，復雜戰場信息傳輸對水下傳輸速率提出了更高要求。同時，水聲通信和藍綠激光水下通信等方式容易暴露自身目標，人們還必須進一步探尋未來水下通信領域的“顛覆者”。
美國麻省理工學院的研究人員推出的“平移聲學-射頻通信”系統，主要利用水下發射器發送聲吶信號，振動信號被雷達接收后，將轉換成數字信息。這一系統的原理看似并不復雜，但要在波浪的巨大干擾中識別出微小的聲波振幅，依舊需要復雜算法的有力支撐。美國國防部高級研究計劃局于2015年正式啟動“水下戰術網絡體系結構”項目，計劃借助光纜建成水下通信中繼系統。代表著攻擊型核潛艇發展趨勢的美國海軍“弗吉尼亞”級核潛艇則專門配備了光電桅桿，通過光電傳感器對外通信。
近年來得到快速發展的量子通信，也為水下通信提供了新的技術思路。量子通信的傳輸機制不受海洋環境、海洋生物等干擾因素影響，傳輸速率遠遠高于長波通信和水聲通信等技術手段。此前，研究人員就成功實現了海水量子通信實驗，為量子通信技術上天、入地、下海增添了濃墨重彩的一筆。英國科學家還研發出了“量子羅盤”，不僅能使潛艇擺脫數據通信和精確導航之困，更將有效提升潛艇和無人潛航器的水下攻擊和聯合作戰能力。
此外，磁感應通信也是一種新型通信手段。它以磁場作為載體，通過改變磁場強度進行信息傳輸，兼顧了光通信與電磁波通信的優勢，在水下通信時信號延遲幾乎可以忽略，且通信距離長、數據傳輸速率高。在美國國防部高級研究計劃局的支持下，美國研究人員已經初步實現實驗室環境下的水下磁感應通信。
未來，水下通信將向著組網互聯方向加速發展。美國海軍研究總署已經推出了“水下自治采樣網絡”，美國海軍的“海洋萬維網”系統和歐洲的系列化水聲通信網絡計劃等相繼取得階段性成果。伴隨著水下通信技術的發展，未來可通過綜合運用各種水下通信手段，為潛艇、無人潛航器、傳感器等搭建起水下聯合作戰網絡，并與水上作戰網絡實現聯網互通，或將進一步助推水下作戰整體戰力的提升。（張璦敏 玥凡）