燒腦的“水下通信”

杭蘇

據美國的《國家利益》報道稱，中國量子技術領先世界，近期又解決了水下量子通信的一大關鍵性世界難題，成功實現了水下量子通信的實驗。但水下通信一直以來是困擾各國科學家的世界性難題，這種技術突破本身潛藏著劃時代的意義，一旦突破對于人類的水下救援、水下勘探、水下作業等具有革命性意義。

水下通信遇難題

正如聲吶分析人員所熟知的那樣，向水下發送信號只能通過聲波，聲波信號不僅會在水中發生彎曲和擴散，還會在水底和水面發生折射（也會在不同的水層之間發生折射，既會在水平方向上發生折射，也多少會在垂直方向上發生折射），信號在傳播過程中也在不斷衰減，失真嚴重，吸收性也差。

20世紀80年代，隨著新型高速計算機的快速發展，人們開始有了一些新的想法：計算機不斷地測試傳輸過程，通過信息對比就可以確定哪些脈沖是在同一條路徑中傳輸的，從而在相對較高傳輸數據率的信號中提取出最有效的信息。美國雷神公司宣稱，通過在通信系統中嵌入高速計算機，可以解決水下通信問題。盡管最終證明這種系統遠沒有達到成熟的地步，但是利用高速計算機解決水下通信問題的理念卻得到廣泛認可。

20世紀90年代末，美軍潛艇艇員可以在水下傳輸潛艇潛望鏡捕獲的視頻影像。此后不久，其他國家也做到了這一點。很明顯，這需要在兩個方面實現平衡。首先，是距離和數據率的平衡，因為通信距離變長，就只能用頻率較低的信號。其次，就是隱蔽性與數據率的平衡。數據率低的聲音信號會被隨機噪聲所掩蓋，而承載高數據率的信號則不會。這一點很重要，因為水下作戰經常是依靠隱蔽性才取得最終勝利的。

像光一樣傳輸

科學家發現了一個很重要的規律：在近乎垂直的“可靠聲波路徑”下，聲音信號在傳輸過程中不會丟失或失真。這就像光在具有不同折射率的一摞玻璃中的傳輸：如果以一定角度投射光束，就會在玻璃板之間產生各種折射和反射；如果光線垂直（或者不超過某個角度）投向這堆玻璃，就會產生一個清晰的影像。也就是說要超過一個臨界角度后，才會出現光的扭曲和失真，聲學也有類似的現象。

冷戰期間，蘇聯人使用過水下水聲通信，他們使用的長脈沖信號與鯨魚發出的聲音十分相像。之后人們發現，蘇聯所有的綜合一體化聲吶系統都含有通信功能，就此推測蘇聯開始構想潛艇集群作戰。由于長脈沖能承載的信息量非常有限，只能用來保障相對簡單的協同作戰。比如，兩艘潛艇可分別對一個已知目標進行被動測向，之后利用測距設備通過三角測算來知道對方的位置。

20世紀60年代，英軍熱衷于把他們的新型高速核動力攻擊潛艇當作一部巨大的“可變深度聲吶”，與護航艦艇相互配合實施反潛。潛艇在水下時，總會有機會正好處于護航艦艇的正下方，這時它們就可以利用“可靠聲波路徑”進行水下電傳或數據鏈傳輸。但只要潛艇一離開艦艇正下方，這種數據鏈的可靠性就大打折扣。如同美軍長尾鯊級潛艇的艦載作戰系統可為水面艦艇提供支援，英軍早期潛艇的“戰斗方向系統原本也應安裝數字化的水下通信系統，但這項工作卻以失敗告終。

提升潛艇作戰能力

當計算機剛剛應用于水下通信時，各主要國家海軍的潛艇數目依然龐大。希望潛艇能像水面艦艇一樣協同作戰，成為推動水下通信發展的重要因素。然而，這需要解決兩個問題。

首先，需要一個可靠且隱蔽的水下敵我識別系統。冷戰期間，很多國家雖然都宣稱實現了水下敵我識別，但這一問題從未被真正解決過。當時出于隱蔽的考慮，采用偽隨機碼進行敵我識別，使得接收機不得不“磨磨蹭蹭”地綜合接收到的信息，這就帶來了時間延遲問題。而反潛戰斗通常十分緊急，只要敵方潛艇暴露的程度滿足開火條件，就要立即發射魚雷，一個緩慢的敵我識別過程是無法解決這一戰術問題的。

英美海軍都要求其攻擊型核潛艇能與水面艦艇相互配合，共同對付敵方潛艇，不過，這需要執行支援任務的潛艇和受援的水面力量，如航母特混編隊般建立起可靠的通信。美軍洛杉磯級潛艇就被專門設計用來執行直接支援任務。雷神公司為此做了大量工作，但都以失敗告終。它們取得的最重要成果，就是把水聲通信和無線電通信結合起來。比如，潛艇可以把它們發出的聲波信號，當作移動無線電浮標或其他形式天線進入位置的信號。無線電浮標系留在潛艇上，可直接傳輸信號；換能器則將收到的無線電信號轉變成在相對較近距離內能識別的聲學信號。如此一來，潛艇就可以利用衛星通信終端。

新型水下通信的出現，令上述作戰設想得以實現，特別是在通信系統包含可靠的水下敵我識別系統的情況下。例如德國的數字水下通信系統，通過按動幾個按鈕，就可以完成識別友軍潛艇的傳輸過程。2008年9月，一艘德國潛艇在波羅的海淺水區進行了一次識別友軍潛艇的測試，在距離5.6千米、速度2.3節的條件下，潛艇實現了無差錯傳輸。

未來水下戰爭

想象一下這種戰斗場景：己方艦隊在淺水的濱海地區活動時，聲吶的工作環境非常差，無法進行遠距離探測，敵方潛艇利用這一點，找機會滲透進來。對此，己方執行支援任務的潛艇派出多艘無人潛航器，無人潛航器將探測器分散部署在海床上，探測器依次通過水聲通信與無人潛航器相連接。組成一個無人潛航器網絡，并最終與潛艇相連。對無人潛航器的最基本要求，就是它能自主返回母艇，這就需要良好的水下導航能力。理想的導航方式應該是隱蔽的。然而，如果沒有良好的水下通信，無人潛航器不得不間歇性地伸出天線，依賴全球定位等無線電系統。對于一些短時間的任務，這可能不是問題，但無人潛航器要執行的諸多任務如水雷偵察，理論上要持續數個小時甚至好幾天，沒有良好的通信，即便無人潛航器知道自己在哪里，其返回母艇也只能按照預設程序行動。這就極大限制了母艇在無人潛航器活動期間的行動自由，母艇不得不在一個區域內長時間待命。

美英兩國海軍在二戰前和二戰中就已開始遠距離空中作戰，其中電子返航導航系統扮演了關鍵角色。飛行員原本需要知道5小時至10小時后航母的大概位置，而返航導航系統出現后，一切就變得簡單了。但對于潛艇，如果沒有良好的水下通信，無人潛航器使用返航導航系統，也只能依賴無線電通信，從而間歇性地將天線伸出水面。同樣，母艇也不得不伸出天線而暴露自己。可以說，未來水下戰爭潛艇更多的是充當無人潛航器的母艇，而不是作為一個獨特的獵手。endprint