水下無人潛航器無線通信技術研究?

姜 艷 鄒雨澤 朱平杰 葉發新

（1.91404部隊 秦皇島 066001）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

隨著海洋開發的不斷深入，各型無人潛航器在水下作業、水下勘察、海洋監測等領域逐漸得到應用和推廣，產生了實質性的經濟效益。軍事方面，隨著作戰概念的變革和發展，無人潛航器作為新型水下作戰體系的重要組成部分得到各國的高度重視和大力發展［1］。隨著無人潛航器航程、工作時長、智能化等各方面能力的提升，其作戰應用范圍不斷拓展，逐步形成了無人集群、有無人平臺協作等跨域作戰模式，將對未來的戰爭模式產生深遠影響。

無人潛航器具有廣闊的軍事用途，如監視和偵察，反水雷，反潛等。這些軍事需求下產生的指令控制、數據通信、圖像傳輸以及跨域組網能力要求均離不開通信保障，尤其是水下通信。目前，水下通信傳輸速率、帶寬、距離等因素制約了無人潛航器的廣闊應用前景。水下通信方式主要可分為“聲光電”三類，即水聲、激光與電磁波通信。任意單一的通信手段均不足以滿足上述需求，故綜合采用多種通信方式是無人潛航器的必然發展方向。隨著水下通信技術的突破與發展，無人潛航器的應用場景必將大大拓展。因此，梳理與研究水下通信技術將對無人潛航器的發展起到重要推動作用。

2 水下無線通信信道特征

無線信道特征，如：信號傳播模型、噪聲水平等是影響各類通信方式傳輸距離、傳輸速率的關鍵因素之一。電磁波、激光、聲波等通信方式在水下呈現出截然不同的信道特征，將直接影響無人潛航器通信方式的性能指標。

2.1 電磁波

電磁波通信方式利用電磁波的輻射傳遞信息。不同于在空氣中的傳播，電磁波在水下的傳播因介質的導電性帶來的趨膚效應而存在顯著的衰減，且試驗表明該衰減與電磁波的頻率正相關。衰落系數 α(f )可表示如下［2］：

其中 f表示電磁波頻率，單位為Hz；σ表示電導率，海水因存在大量鹽類形成的離子而具有良好的導電性，該典型值為4.3S/m，遠高于純水的0.001S/m～0.01S/m。真空磁導率表示為μ0≈4π?10-7H/m，海水與純水的磁導率則基本一致。因此電磁波在水下信道的衰落系數主要受到電導率與頻率的影響，相應地，電磁波在水下隨距離的衰落模型可表示如下［2］：

其中PLEM表示以dB為單位的信道衰落，d表示傳輸距離，單位為米；e為自然常數。從式（2）中可以看出，信道衰落隨距離指數增加，且電磁波頻率越高衰落越快。以50dB衰減為例，可計算出幾種典型頻段電磁波在水下的最大傳輸距離如表1所示。

從表1中可以看出，對于短波、超短波及以上高頻電磁波幾乎不具備穿透海水的能力，僅極低頻、甚低頻才具備一定的穿透海水能力。

表1 典型頻段電磁波水下傳播50dB衰落對應的傳輸距離/m

2.2 激光

不同于電磁波通信，在激光通信方式下，水從良導體變為了電介質［3］，故在水中因趨膚效應造成的衰減相比于電磁波通信大大降低。激光通信方式下波束主要的衰減來源于吸收效應和散射。吸收效應是指光信號在水中容易被水媒質、溶解物及懸浮物吸收，而造成強度減弱，衰減系數以a(λ)表示，其中λ表示激光波長。此外，水中的離子、懸浮顆粒及浮游生物將對激光波束產生顯著的散射，根據波長與顆粒物的尺寸關系分別可以通過瑞利散射與米式散射建模散射造成的衰減，表示為b(λ)。激光波束在水中的衰落整體可表示為散射與吸收效應之和，即：c(λ)=a(λ)+b(λ)，單位為m-1。相應地，可以定義激光在水下隨距離的衰落模型如下［2］：

該公式與式（2）的區別主要在于衰落因子c(λ)，其值在不同的水質下具有較大差異。例如：在四類海水水質：純海水、清澈海水、沿海海水以及混濁海水下，波長為532nm的激光對應的衰減因子c(λ)分別為 0.056，0.150，0.305，2.170［4］。以相對優質的兩種水質，即純海水和清澈海水為例，通過式（3）計算可知：同樣在50dB信號衰減條件下，激光方式的通信距離分別可達205m和77m，具有一定的穿透海水能力，但傳輸距離有限。

2.3 聲波

水聲通信方式利用聲波進行水下通信，其典型傳播速率為1520m/s，遠遠低于電磁波與激光通信的傳播速率。水聲通信的優勢主要在于聲波可在水下遠距離傳輸，其能量衰減遠低于電磁波與激光。水聲通信方式下聲波的傳播損失主要來源于擴展損失與衰減損失。擴展損失是指聲信號從聲源向外擴展時有規律減弱的幾何效應，衰減系數（k）與選取的傳播模型有關，一般可取1.5［5］；衰減損失包括吸收、散射等，主要為吸收，即由于介質的粘滯、熱傳導等導致部分能量耗散為熱量，該損失與聲波頻率、傳播距離正相關。綜合以上分析，可定義聲波在水下的傳播損失模型如下［5］：

其中d表示傳播距離，單位為km；而lga(f)表示吸收造成的衰減損失系數，單位為dB/km。在50dB信號衰減條件下，對于15kHz的聲波，根據文獻［5］中的式（3）計算可得，其傳輸距離可達13.5km，遠高于電磁波與激光。因此，水聲通信是目前無人潛航器水下通信采取的主要方式。

3 無人潛航器通信方式

3.1 電磁波通信

電磁波通信方式在水下與空氣中的實現原理并無區別。但根據2.1節中對電磁波信號在水下傳播的信道特征可知，傳輸速率與穿透海水能力不可兼得。高頻信號雖然帶寬大、傳輸速率高，但幾乎不具備穿透海水能力；低頻信號具有一定穿透海水能力，但帶寬小、傳輸速率低。因此，無人潛航器所采用的電磁波通信方式可以分為以短波為代表的水面通信和以甚低頻為代表的水下通信。

3.1.1 水面通信

水面電磁波通信，顧名思義，要求天線處于水面以上，一般采用短波、超短波、衛星等幾乎不具備穿透海水能力的頻段，具有通信距離遠、傳輸速率高、接收裝置功耗小、體積小等優勢，是目前無人潛航器標配的通信方式［6］。裝備方面的代表有，挪威的Hugin 3000水下無人潛航器采用400MHz特高頻，可實現通信距離2km～3km；美國的海上無人系統采用WiFi 2.4GHz特高頻；由Dataradio公司制造的400MHz特高頻電臺，通信速率可達9600bps。

3.1.2 水下通信

水下電磁波通信的需求主要來源于軍事上對無人潛航器隱蔽性的要求，這與潛艇類似。水面電磁波通信雖然具有傳輸速率高的優勢，但因需浮出水面導致容易被敵方發現。利用甚低頻、超低頻等可以穿透海水的頻段通信，水下電磁波通信則可以為無人潛航器提供一定的隱蔽性。受潛航器的尺寸限制，潛艇上使用的數百米拖曳天線方案并不適用，相應催生了若干接收天線小型化的技術，如：超導量子干涉器、磁性天線等［7］。

3.2 激光通信

水下激光通信利用光波傳遞信息，根據2.2節對激光在水下信道的特征分析，波長為450nm～550nm藍綠激光在海水中為低損耗窗口，被用于實現無人潛航器的水下激光通信，因此也稱為藍綠激光通信。藍綠激光通信有很高的傳輸速率，在近距離通信中，其通信速率可達到100Mbps，遠遠高于聲波和低頻電磁波在水下環境中所能達到的通信速率［8］。據了解，目前尚無無人潛航器裝備了激光通信設備，但業界已取得了突破性的進展。最具代表性的是日本國立海洋研究院開發機構于2017年完成了水深700m～800m海洋環境水下移動物體間藍綠激光通信，通信距離超過100m，速率達20Mbps。

3.3 水聲通信

水聲通信利用聲波進行水下通信：發射機將電信號調制為聲波后在水中傳播，接收機將聲波解調為電信號實現信息傳遞。由2.3節的分析可知，水聲通信因其傳輸距離遠的特性是目前無人潛航器所采用的主要水下通信方式。裝備方面的代表有：美國AN/BLQ-11采用LinkQuest公司研制的UW4000型水聲通信系統，該調制解調器的最大工作范圍為4000m，最大傳輸速率為3.13kbps；美國的Bluefin和Remus系列無人潛航器均采用WHOI研究所研制的低功耗水聲通信調制解調器Micro?modem，傳輸速率為80bps～5400bps。

3.4 磁感應通信

無線磁感應通信技術是近年來新興的一項無線通信技術，依靠小尺寸耦合線圈感應出磁場分量進行通信，磁場信號比電磁波更能有效地穿透有損耗的水下介質。水下無線磁感應通信具有穩定的信道狀態，因為其信道狀態主要取決于信號傳輸介質的磁導率大小，而水下環境中的傳輸介質具有相同的磁導率。磁感應信號在傳輸介質中以光速傳播，所以磁感應通信的傳輸時延可以忽略。磁感應通信的線圈可通過普通銅導線制作，結構簡單、造價低廉［9］。現有有關水下磁感應通信技術的研究主要還停留于理論分析與仿真實驗階段，存在水下環境信道模型研究不夠充分、傳輸距離有限等問題，距離實用還存在較大差距。

4 無人潛航器通信關鍵技術

4.1 電磁波通信

根據3.1節中的介紹，電磁波通信應用于無人潛航器主要為水面和水下兩種方式，針對無人潛航器尺寸受限的特點，這兩種電磁波通信方式對應的關鍵技術分別是天線集成化與天線小型化。水面電磁波通信方式一般包含短波、超短波、衛星通信等多種高頻通信手段，若為每一種通信手段配備獨立的天線將占用大量的空間，擠占無人潛航器有限的空間。因此天線集成化是高頻通信手段的關鍵技術之一。在美海軍2020年發布的小企業創新研究指南（Navy SBIR）中明確給出了適用于PMS 406型剃刀鯨（Razorback）中型無人潛航器的集成天線設計指標：a）覆蓋高頻到L波段，b）具備伸縮功能，c）尺寸不大于24×2.9×3英寸，且與無人潛航器殼體共型。該指南由美國PSI公司中標，實現多波段天線的集成，替換了多型現役天線，大大節省了無人潛航器通信載荷占用的空間與重量。

另一方面，對于水下電磁波通信手段，具備一定海水穿透能力的長波是唯一適用的方式。但潛艇中采用的長達數百米的拖曳天線方案與無人潛航器的尺寸不符。因此，長波接收天線的小型化也是關鍵技術之一。水下接收天線小型化技術主要包括超導量子干涉器以及磁性天線。超導量子干涉器的磁場靈敏度可達10-14T，其作為長波信號接收裝置體積小、靈敏度高，但裝置的低溫保存技術、三軸傳感器的正交性設計、后續信號處理電路設計等較為復雜，距離實用仍有距離［7］。相比較而言，磁性天線的可靠性與技術成熟度更高，是目前無人潛航器長波接收天線的可行方案。張楊勇等采用納米晶疊片磁芯、低噪聲電子對管等技術降低各類噪聲，提高了磁性天線靈敏度，設計了長度為500mm的磁性天線，滿足無人潛航器長波接收天線性能指標下的小型化需求［10］。

4.2 水聲通信

水聲通信面臨的主要挑戰來源于水聲信道引起的頻率選擇性衰落以及多徑傳播引起的碼間串擾。為解決這些問題，非相干水聲通信技術、相干水聲通信技術以及正交頻分復用（OFDM）技術取得了長足的發展［11］。其中非相干水聲通信技術用不同頻率信號的能力變化或其組合傳輸信息，典型方式為多頻移鍵控信號（MFSK）加編碼以及保護間隔和循環前綴技術克服多經引起的碼間串擾和頻率選擇性衰落，但帶寬利用率較低。而相干水聲通信技術則利用信號的相位變化傳輸信息，帶寬利用率較非相干技術提高了一個數量級，在此基礎上，結合與水聲信道特性相匹配的自適應均衡器技術自動修正信道對相位畸變的影響，極大地發展了相干水聲通信技術。OFDM技術是一種多載波的相干通信技術，進一步發展了相干水聲通信技術，頻帶利用效率高，已在電磁波通信中得到廣泛應用；但由于水聲信道的復雜性，OFDM技術在水下仍存在諸多問題，距離實用還有一定距離。

4.3 激光通信

激光通信系統由發送端、接收端以及水下信道構成。激光通信方式的關鍵技術貫穿三個環節［12］。其中發送端關鍵技術體現在光源與調制技術。典型的激光通信系統一般采用半導體LED光源和半導體激光二極管光源；而調制技術一般采用強度調制/直接監測（IM/DD）系統或相干調制方案，常用調制方式為OOK調制、脈沖位置調制（PPM）、脈沖快讀調制（PWM）、二進制相移鍵控（BPSK）、正交相移鍵控（QPSK）、QAM及OFDM調制等。接收端由光學接收系統、濾波器和光電探測器等構成，關鍵技術可分解為光電探測器和信道均衡。其中光電探測器負責光電轉換，影響系統靈敏度，一般有PIN型光電二極管（PIN-PD）、雪崩二極管（APD）和光電倍增管（PMT）等；信道均衡技術則通過在接收端信號判決前加上均衡器以消除符號間干擾，常用的均衡器有迫零監測、最小均方誤差和最小二乘等。此外，通過信道編碼技術在低信噪比下保障較低的誤碼率，關鍵技術包括RS碼、Turbo碼、LDPC碼和FEC碼等。

4.4 磁感應通信

磁感應通信方式的發展與應用目前主要受限于其相對有限的傳播距離和較窄的帶寬。為此，磁感應通信的關鍵技術在于采用波導中繼技術拓展傳輸距離以及采用多頻段擴展、多輸入多輸出（MI?MO）的頻率復用技術提升帶寬利用率［13］。波導中繼技術中在收發線圈間插入若干具有相同半徑、匝數，采用相同導體材料繞制而成的中繼線圈，使所有線圈處于共軸平行狀態，利用中繼線圈對磁信號的感應傳遞作用延長通信距離。多頻段擴展技術為多路數據流分配不同的頻段，而MIMO技術通過發射端與接收端的多對線圈在可用頻段內協同傳輸數據流，實現帶寬利用率的提升。

5 結語

無人潛航器具有多種現役或在研的無線通信方式，包括電磁波通信、水聲通信、激光通信和磁感應通信等。現階段，無人潛航器通信手段主要由水下的水聲通信與水面的電磁波通信組成。這兩種通信手段可以優勢互補：水下水聲通信可提供隱蔽通信，水面電磁波通信可提供較高的傳輸速率。但僅此兩種通信手段仍制約了無人潛航器的應用前景，尤其是軍事應用模式。若集成小尺寸的低頻水下電磁波通信接收天線，可具備低時延的數據接收能力；激光通信可為無人潛航器提供超高速率的隱蔽通信能力；磁感應通信也可提供短距離內的超高速率的雙向通信能力。多種通信手段以集成化、小型化的方式適配于無人潛航器將是大勢所趨，可大大拓展無人潛航器的應用前景。