水下通信技術及其難點*

韓 東 ，賀 寅 ，陳立軍 ，李 利

（1.海軍大連艦艇學院 信息系統系，遼寧 大連 116018；2.中國科學院聲學研究所，北京 100190；3.中國人民解放軍92682 部隊，廣東 湛江 524002）

1 概述

當前，戰爭形態已經全面進入信息化時代，掌握制信息權是保證戰爭獲勝的必要條件，從制定作戰策略、作戰行動指揮，到武器裝備控制中的所有軍事力量，均離不開信息獲取、傳輸、處理。這其中，通信作為信息化的中樞神經，對各作戰力量最大效能發揮起到了關鍵作用，是作戰制勝的根本保證。

海洋與人類生活息息相關，緊密相連。海洋面積占地球總面積的71%，各民族和國家都把海洋作為發展的空間，除了蘊含豐富的資源外，遼闊的海洋還是交通的通道、防御外敵入侵的天然屏障。在陸軍、海軍、空軍、戰略支援部隊等作戰力量中，海軍與海洋的關系最為密切，直接涉及海上國土安全。以潛艇、蛙人、魚雷、水雷等為主的兵力和武器裝備，構成了現代海軍的主要水下作戰力量。以潛標、浮標、無人潛航器（UUV）、水下滑翔機等為主的探測偵查設備構成了水下信息傳輸保障力量。這些作戰力量和保障力量是水下作戰的關鍵要素，水下通信問題就是要在這些裝備、設備之間，或者與岸基、天基、空基指揮機構間構建通信鏈路，實現有效的信息傳輸。

2 水下通信所涉及的裝備和設備

2.1 潛艇及其通信需求

自第一次世界大戰后，潛艇得到廣泛運用，在海戰場上，潛艇作為重要的軍事力量，發揮了不可替代的作用，可以執行對敵攻擊、近岸保護、突破封鎖、偵察巡邏等作戰任務。由于工業水平的提升，使得潛艇的發動機噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲等逐年下降，這些潛艇的自噪聲是影響和制約潛艇隱身性能的重要因素。隨著自噪聲的降低，潛艇逐漸淹沒于海洋環境噪聲中，使得潛艇難以被發現，其威懾能力也進一步加大。

潛艇作為重要的武裝力量，不論是戰略核潛艇，還是常規潛艇，在其執行任務過程中，都需要其他作戰單元和各級指揮機構之間保持信息傳遞。但是，潛艇的隱蔽性是其戰斗力發揮的重要保證，通信時，必須確保潛艇自身的安全。目前，潛艇常用的通信手段有長波通信、短波通信、超短波通信、微波通信、水聲通信等。

2.2 蛙人

蛙人是擔負著水下偵察、爆破和執行特殊作戰任務的部隊。戰史證明，蛙人能夠對敵方的艦船構成巨大威脅。二戰期間，意大利和英國利用蛙人部隊攻擊對方戰艦。越戰期間，越南蛙人部隊也使美戰艦遭受過多次打擊。蛙人在水下執行作戰任務時，通常以水聲通信手段與母船或基地保持通信聯絡。

2.3 水雷

水雷具有戰斗威力大、隱蔽性好、布設簡便、造價低廉的優點，是封鎖港口或航道，對敵實施隱蔽攻擊較為理想的水下武器。傳統的水雷引信主要包括觸發引信、壓力引信、聲引信、磁引信，這些被動性引信在敵方目標觸發水雷或航行至引信的作用范圍才能引爆，引信的非智能性使水雷的作戰效果受到一定的制約，同時也會對己方艦船構成一定的威脅，存在誤觸發的隱患。為了提高水雷的主動性和可控性，通過有線通信、水聲通信或者無線通信與有線通信結合的方式，實現指揮平臺對水雷的精確控制，從而避免誤傷己方艦船、潛艇，同時增加對敵方目標的攻擊能力。

瑞士研制的風暴遙控水雷，通過無線電波和水聲遙控方式控制水雷的啟動，并通過信號控制水雷的航行和對目標攻擊。丹麥研發的線控水雷，可以通過電纜控制水雷的保險啟動、保險解除、引爆、自控狀態。日本海軍研制的聲納浮標水雷，是結合了沉底水雷和浮標的優點，利用浮標收發無線電信號，再通過有線電纜，將浮標收到的控制信號發送至水雷，使水雷受控動作。

2.4 線導魚雷

線導魚雷通常屬于大型魚雷，被多國海軍潛艇使用，發射臺通過導線傳輸指令控制魚雷制導。早期的線導魚雷使用金屬導線，可采用單股導線加海水作為完整回路的方式，也可采用雙股導線的方式。金屬導線占用魚雷體積大，現多被光纖所代替，傳輸的信息速率也大幅提高。線導魚雷發射后，魚雷通過導線向發射臺傳回自身的狀態、位置、目標的方位、距離等信息，發射臺根據魚雷返回的信息發出遙控指令操縱魚雷攻擊目標。線導魚雷的主要特點是由于導線傳輸指令，可以同時通過魚雷傳感器和平臺傳感器進行目標探測、識別，具有捕捉目標的概率高、發射迅速、抗干擾能力強、攻擊效果好、機動靈活等特點。從二次大戰中德國研制的“云雀”魚雷，到上世紀80年代美國研制的第四代魚雷MK-48 型魚雷，其制導能力逐步加強、摧毀目標的威力也逐步增大。線導魚雷需要在發射平臺和魚雷上加裝線導設備，在一定程度上影響了魚雷的運動和平臺的機動能力。

2.5 潛標

潛標也被稱為水下浮標系統，是一種系泊于海洋水面以下的海洋探測系統，可用于監測水下溫度、鹽度、海流、噪聲等海洋環境要素。它能在惡劣的環境下收集水下情報，具有觀測時間長、隱蔽、測量不易受海面氣象條件影響的優點，被廣泛應用于國防軍事、海洋科學研究、海洋開發等領域。

潛標通常安裝有通信設備，如水聲通信機或無線電通信機，裝配的電池能夠保證潛標可以長期潛伏于海底。水聲通信設備可以與潛艇、無人潛航器等設備通信。當潛標布放于外海，在水下探測到重點威脅目標后，可以通過上浮或釋放無線電通信設備的方式，利用微波衛星通信手段，或短波手段與地面指揮機構建立通信鏈路，從而實現威脅目標信息的回傳。

2.6 無人潛航器

無人潛航器在軍事上能夠用于搜救、情報搜集、監視和偵察任務。大型無人潛航器有足夠空間攜帶武器，可執行對目標攻擊、海上拒止、海洋封鎖等任務。無人潛航器的智能化是其重要的發展趨勢，它的作戰能力與推進技術、傳感器和信號處理技術、通信和導航技術、攻防作戰技術和人工干涉技術息息相關。無人潛航器分為遙控型和自主型兩類，這其中遙控型又可分為有線遙控型和無線遙控型兩種。有線遙控型無人潛航器，采用線纜將其與控制平臺相連，通過有線信號控制其運動并回傳信息。無線遙控型通常通過水聲通信的方式實時操控。而自主型無人潛航器運行過程中與母船、岸、島等平臺的距離較遠，通常是在規定時間或探測到重要情報后上浮至海面，通過短波通信或衛星通信方式回傳信息。

3 水下通信技術

目前，水下通信技術主要包括水下有線通信、水聲通信、水下激光通信、水下無線電通信。這些技術手段在實施與水下作戰力量的通信時，有各自的優點和不足。各類通信技術，具有各自的適用范圍，需要結合具體的海洋環境條件和作戰使用條件進行選擇。

3.1 有線通信

水下有線通信方式，適合于平臺和岸基、島基距離較近范圍內的通信。現有的水下有線通信方式，已基本由原始的電纜通信向新型的光纜通信轉變。在有線通信方式中，比較典型的應用場景是連接各國的海底光纜系統。通過海底光纜實現沿海國家的信息聯通，再由陸地光纜，實現世界范圍的互聯互通。

除海底光纜外，遙控型水下無人潛航器通常由電纜或光纜與母船或岸上平臺相連，既可以通過線纜傳輸電力，又可以實現實時數據的傳輸。遙控型無人潛器的線纜通常都能承受一定的拉力，在潛器出現故障時，可以通過線纜將其拽出，從而提高其安全性。

在水下武器中，線導魚雷是一個比較典型的有線通信應用裝備。線導魚雷通過金屬電纜或光纖將魚雷與潛艇連接，從而可以由潛艇控制線導魚雷對目標的攻擊。先發制人是其較大優點，同時也能保證魚雷在開啟主動搜索聲納時，避免出現誤傷己方的情況。

3.2 水聲通信

水下信息傳輸由于受海水的影響，絕大多數的無線電波都被屏蔽。使得水聲作為最適宜的能量傳輸形態，聲波能量在水下傳播過程中衰減的衰減與電磁波相比小很多，在水下探測、通信領域具有十分重要的地位[1-3]。所有的軍用潛艇中，均配備有各型聲納裝備。既包含探測水聲信號的主動、被動聲納，也包括用于通信的通信聲納。而其他如潛標、浮標等裝置，通常也有聲探測傳感器。采用水聲通信的優點是不受海水深度的限制，水下聲源以球面波或柱面波方式擴展，向遠處傳輸。這就使得潛艇或者其他類型水下裝備、設備在接收水聲信號時，可以不必上浮至海面，避免了被敵方偵查到。但是，采用這種通信方式，也存在一定的問題。通常水下武器裝備、設備的位置是需要保密的，尤其是潛艇裝備，隱蔽性是其第一要求。除非確定安全，否則潛艇不會主動采用水聲通信方式向外發送信息。

3.3 無線電通信

無線電波在自由空間環境中，受到了噪聲干擾較少，且衰減十分有限。使得以無線電波是路上平臺、空中平臺、海上平臺之間的主要通信手段[7-9]。由于無線電波包含多種頻率，如超低頻、甚低頻、低頻、中頻、高頻、超高頻、甚高頻等，海水對無線電波有非常強的屏蔽作用，無線電波穿透海水的能力與頻率直接相關。頻率越低，海水對電磁波的吸收和衰減越小，因此穿透海水的能力越強。

對于潛艇通信而言，當潛艇位于水下時，超低頻、甚低頻無線電通信是其主要通信手段，潛艇可以保持在水下航行狀態，通過釋放通信天線接收岸上指揮機構的信息。而短波、超短波、微波衛星通信是輔助手段，選擇這些通信頻率及相應的裝備時，潛艇必須是水面航行狀態或潛望狀態，即要求將通信天線暴露于空氣之中，避免海水對無線電波的吸收和衰減作用，這就不可避免地增加了潛艇暴露的風險。對于其他水下通信設備，如潛標、浮標、水下無人潛航器等，可以上浮至水面，通過短波通信、超短波通信、衛星通信等方式與空中、陸上、艦船平臺等進行通信。

3.4 光通信

通過光的方式實現直接對水下目標的通信，有兩種途徑。第一種途徑，是直接采用海水吸收弱的激光，藍綠激光在海水中穿透能力強，相對其他顏色激光被海水吸收更小。因此，將藍綠激光作為光源，利用直升機、無人機、飛機、衛星作為載體，實施對潛艇或其他水下裝備、設備的通信。利用藍綠激光通信，激光入水深度與海洋的清澈程度有關。藍綠激光在遠海區域比近岸區域的透射深度更大，具有更大的通信深度和更低通信誤碼率。

第二種途徑，是采用激光致聲通信[4-6]。當激光能量足夠強，照射水面時，會使水面產生膨脹或氣化效應，從而使激光的光能轉化為聲能。采用該技術對水下目標通信，可以將激光器置放于飛機或衛星上，指揮中心通過無線電波與激光器所在平臺建立數據鏈接，激光器以二進制數字振幅鍵控的方式控制激光脈沖，激光照射水下目標所在區域的水面激發聲波，水下目標通過聲納設備接收聲波，從而實現指揮中心與水下目標的信息傳輸。

4 水下通信的難點

水下通信所涉及的范圍既包含岸基指揮機構和水下裝備之間的通信，又包含海面、空中平臺和水下裝備之間的通信。同時，水下裝備之間的通信也屬于水下通信范疇。相對于陸上通信而言，海水是水下通信面臨的天然屏障。無線電波適宜在自由空間（真空或大氣）中傳播，這是因為自由空間為無線電波提供了適宜于電磁波傳輸的信道。而海水對無線電波具有較強的吸收和衰減作用，海水信道不利于無線電波傳輸。正是這個原因，使得水下通信比陸上通信更難以實現，必須采用適宜于水下傳輸的手段。目前，水下通信的難點總結起來主要有：

4.1 遠距離通信

水下航行器通常需要在大洋中執行特定任務，一旦航行器距離海岸線之間的距離超出了一定范圍，想要建立岸上指揮機構和水下航行器之間的通信鏈路就顯得尤為困難。我們以潛艇為例，說明這一問題。潛艇是在水下遂行作戰任務的海軍兵器。它有較大的自給力、續航力和作戰半徑，具有隱蔽性好，生存力強，突擊威力大等特點。它可遠離基地，深入大洋和敵方海區進行獨立作戰。但是潛艇自身的防護能力較差，潛艇戰斗力的發揮主要依賴于自身的隱蔽性。潛艇的隱蔽性就是潛艇的生命力，而潛艇通信特別是無線電發信，易被敵方電子偵察兵力探測和定位。隨著現代無線電通信無源定位技術的發展，來自敵方的這種威脅更為突出。為保持潛艇作戰行動的隱蔽性，潛艇通信必須采取必要的技術和手段。早在第二次世界大戰期間，德國潛艇為了對抗同盟國的無線電偵察，已通過縮短發信時間來降低無線電電波被敵方偵聽、截獲的概率。目前，潛艇通信還依然沿用這種手段，此外，現代潛艇通信還采用擴頻通信、衛星通信等多種技術和手段提高潛艇通信的隱蔽性，降低潛艇因通信造成暴露的可能。

當潛艇遠航執行特定任務時，通常距離岸基發信臺之間的距離達數千甚至上萬公里，這個距離不僅對岸基的發信和潛艇的收信帶來了較大的挑戰，同時對潛艇發信也是一個巨大的挑戰。潛艇可用的通信手段主要包括：超長波（超低頻）通信、甚長波（甚低頻）通信、短波通信、超短波通信、微波通信、水聲通信。

采用超長波、甚長波通信時，潛艇需要提前釋放拖曳式通信天線，潛艇保持在某個航行深度，在特定方向上做勻速直線運動。超長波天線通常有數十公里到數百公里的長度，通信距離能達到8000 至10000 公里，但是超長波通信的天線通常采用線天線、雙線天線或十字天線，這些天線都有一定的方向性，即便其最遠通信距離已能夠達到地球半周長的程度，但當潛艇處于天線輻射盲區時，也不能夠實現有效的對潛通信。甚長波通信距離通常小于2000 公里，適宜于潛艇活動在與岸基發信臺較近范圍情況下的通信。

當使用短波、超短波、衛星通信手段時，潛艇必須要上浮，至少使通信天線露出水面才能夠通信。這種使用方式，不論通信時長多低，都不可避免地存在使潛艇暴露的風險。

當使用水聲通信手段時，在近岸、島嶼設置水下聲通信發送裝置，或者以艦艇作為中轉平臺，通過艦艇上的水聲通信裝備發送聲信號對潛艇通信，水下潛艇被動接收通信信號時，可以不受水下接收深度的限制，但這種方式也存在較大的不足。首先，近岸、島嶼或者艦艇的水聲通信裝置不能夠實現大范圍的通信區域覆蓋，不足以實現數百至數千公里的遠距離通信的需求。其次，潛艇為了隱蔽，通常只收不發，使得這種通信實質上僅能使用單工方式，潛艇是否收到了岸基的指揮信息不得而知，只有潛艇反饋相應的收報信息才能確認，而潛艇通常不會采用水聲通信方式反饋收報情況。

4.2 大深度通信

海洋一般分為四層。第一層是照光層，深度是200 米以內。第二層是弱光層，深度是200-1000 米。第三層是深海層，深度1000-6000 米。第四層是深淵層，深度6000-11000 米及以下。水下航行器通常的使用深度位于照光層和弱光層，做科學研究的深潛器使用深度可達深淵層。

如何在水下航行器航行于大深度時，依舊可以實現對它的通信，這是一個非常困難的問題。通常，深潛器下潛過程中，有輔助船只配合，船只通過電纜和光纜供電和通信，這是采用有線通信的方式。由于船只通常位于深潛器的正上方，船只與深潛器的直線距離與作業海域的最大海深相當，此時也可以采用水聲通信的方式，不需要考慮暴露深潛器位置的問題。如果是潛艇、UUV、水下滑翔機等水下航行器單獨執行任務，沒有輔助船只的配合，深入大洋之中，通過近程水聲通信或者有線通信的方式顯然不適合。基于電磁波的無線電通信手段，受海水屏蔽作用，穿透海水的深度有限。即便是使用超長波（超低頻）的核潛艇，航行深度也通常限于150 米以內。通信天線距離海面的距離更遠小于這一深度。能夠實現遠距離條件下的大深度通信，雖然可以加長通信天線，使潛艇巡航與正常作業深度時實現，但這一方式的前提是通信電纜的抗拉能力必須足夠，不會在使用過程中被拉斷。同時，潛艇上也要有預留足夠的空間保證不使用通信天線時，能夠收回天線。但并不是說，滿足了這些就足夠了。當潛艇釋放通信天線后，潛艇必須以一個固定的航向和固定的航速行駛，這樣才能保證通信天線保持一個良好的形狀，避免天線在潛艇不規則運動時與螺旋槳纏繞，通信天線所承受的拉力也可以保持均勻，但這對潛艇的機動是不利的。通常情況下，在潛艇不收信時，是不會釋放通信天線的。不釋放通信天線，就不能接收岸上指揮機構的信息。所以對于潛艇來說，它所能接收到的信息非常匱乏。

4.3 高速率通信

根據信息傳輸的香農定理，我們知道，在高斯白噪聲條件下，信道中信息傳輸的最大速率也就是信道容量。信道容量受信息傳輸的帶寬、信號發射功率、噪聲功率三個因素共同影響。通過香農定理，很容易得出一個簡單的結論，即信息傳輸所使用的頻率越高，對應的信息傳輸速率越大。對于潛艇而言，前面所說的超低頻、甚低頻通信，其通信頻率都非常低，自然其通信速率也非常低。在此通信速率下，對潛通信也只能傳輸一些指令性信息，不適用于傳輸圖像、視頻等。而在實際作戰時，潛艇也有掌握戰場態勢的需求，復雜戰場態勢所對應的信息量是巨大的。基于超低頻、甚低頻的對潛通信手段，并不能滿足這一需求。當水下航行器采用水聲通信手段時，水聲通信設備可以提供大約數k bit/s 的通信速率。但這一通信方式的達成，是建立在收發雙方處于相對近程的基礎上。藍綠激光通信手段目前處于實驗階段，這種手段的通信速率非常高，足以滿足語音、圖像，甚至視頻通信的需求。但是使用這種手段，必須要收發雙方都知道對方的準確位置，而且水下航行器航行深度必須要小于200 米，否則激光也不能穿透海水。當潛艇或者其他類型的水下航行器出航執行任務，為了保密的要求，受航行器自身導航定位設備的限制，以及海流的制約，航行器在水下時，并不能準確知道自身的位置。因此，采用藍綠激光的通信方式，面臨的問題不僅僅是技術方面的問題，還有使用方面的問題。

4.4 雙向通信

與水下航行器之間的通信，不僅僅局限于單向的信息傳輸，岸上的指揮中心需要實時掌握水下航行器的狀態和位置信息。因此，建立二者之間的雙向通信是非常必要的。但是，當水下航行器位于水下一定深度，海水對電磁波具有天然的屏障作用，此時對于水下航行器而言，收發都存在較大的難度。即便是巡航能力和裝備配置齊全的潛艇，也僅能做到在一定深度的收信，而在巡航深度是不能實現無線電發信的。目前，水下航行器要想實現雙向通信，必須在航行器處于水面狀態或接近于水面的潛浮狀態，通過將天線伸出水面以上，利用短波、超短波、衛星通信方式，實現從潛艇向岸上指揮中心的發信。此時，通信是雙向的。但是，水下航行器處于水下時，通常無法實現對岸通信。

4.5 隱蔽通信

不同的水下航行器，具有不同的通信密級。對于執行一般科學環境研究考察的民用水下航行器，其通信內容通常不涉密。但對于水下滑翔機、潛艇等裝備，其涉密程度高，通信內容也應嚴格保密。在岸基指揮機構和這些裝備之間必須要實現信號級和信息級的保密，這就要求水下裝備收發信號應嚴格保密，信號的內容應做加密處理。一旦信號收發泄露，敵方就可以通過多基陣交叉定位的方式，確定信號的發射位置，從而對己方潛艇等裝備構成威脅[10]。

當潛艇采用超長波通信手段時，巡航深度大約在百米左右，通信天線在海水中懸浮，末端深度大致約十米左右。這時，通信天線在日間容易被敵方的偵查衛星截獲。當潛艇采用甚長波通信手段時，巡航深度大約五十米左右，通信天線深度小于采用超長波通信時天線的深度，因此，這時通信天線更容易暴露。不僅如此，由于潛艇深度不深，對于遠海，在日光良好的情況下，極有可能被敵方衛星觀察到。潛艇航行過程中會引起尾流，潛艇的尾流與艦艇尾流形狀不同，可以通過尾流的方式判斷是否為潛艇，潛艇航行深度越淺，尾流越明顯。

當潛艇采用短波、超短波、微波通信時，潛艇必須上浮至少至潛望狀態，此時不論是白天還是晚上，被敵方偵查飛機、偵查衛星、岸上偵查設備截獲的可能性都非常大，既存在無線電信號暴露的風險，同時也存在潛艇的視覺特征和紅外特征暴露的風險，所以這時的隱蔽性很難保障。

當潛艇采用水聲通信手段時，保持潛艇隱蔽性這一問題就更為突出。通常潛艇為了隱蔽，并不主動發射聲信號，而是會采取各種各樣的手段，盡量避免自身機械設備以及人員產生噪聲，從而保證在水下時，不被敵方的主動聲納或被動聲納檢測到。除非能夠確認自身的安全性，否則不會使用這一手段。當潛艇和艦艇、航母等構成編隊出航，由于水面艦艇能夠保障水面以上的安全性，此時水聲通信手段才是可選的方式。

當使用藍綠激光通信手段時，在白天，這種光源通過視覺很難發現，但是在夜晚，藍綠激光會從海面至天空，在收發兩端之間產生非常明顯的光柱，很顯然這種通信方式不可避免地會產生暴露水下航行器位置的問題。

4.6 實時通信

戰場環境、戰場態勢瞬息萬變，對水下裝備的指揮控制需要靠實時的通信才能達成，時效性是通信必須滿足的基本要求。而這一要求對于水下通信而言，具有較大的難度。對于潛艇來說，當潛艇出航執行作戰任務，通常與岸上指揮機構之間會約定收信的時間，以便提前釋放通信天線，在水下接收岸上指揮機構的指令信息，除非必要，不會上浮回信。這種通信方式，決定了潛艇作為戰略性武器，考慮到隱蔽性和安全性，不能夠做到實時接收岸上指揮機構的信息。岸上指揮機構和潛艇能夠實現實時通信，基本上是潛艇處于潛望狀態或水面航行狀態，短波、超短波、衛星通信等天線設備露出水面，可以依靠這些通信手段實現雙向實時通信。當采用水聲通信手段時，只能是潛艇通信設備和岸基、島基或船基水聲通信設備能同時相互覆蓋，才能實現雙向水聲通信，但此時潛艇位置有暴露的風險。

5 結束語

本文全面梳理了水下通信所涉及的裝備、設備，以及水下通信的四種技術，即有線通信、水聲通信、無線電通信和光通信。從技術應用層次出發，分析了依靠這些水下通信技術實現遠距離、大深度、高速率、雙向、隱蔽、實時的難點。水下信息傳輸體系和水下探測體系的發展完善與水下通信技術息息相關，技術的進步對于軍事領域和民用領域的應用起到重要的推動作用。