水聲通信技術(shù)進(jìn)展

朱 敏 武巖波

1 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190

2 北京市海洋聲學(xué)裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100190

今天是信息的時代，網(wǎng)絡(luò)的時代。不斷升級換代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)把全球聯(lián)結(jié)在一起，催生出了電子商務(wù)、智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療、云計(jì)算、云存儲等新型的產(chǎn)業(yè)，而萬物互聯(lián)將深刻地改變每個人的生活和工作方式。支撐這些的是快速發(fā)展的通信技術(shù)，以 5G 為代表的無線通信技術(shù)可以達(dá)到 10 Gbps，低廉的成本使得通信網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋全球。

但在海洋中，水下通信卻面臨著巨大的障礙。水下電纜、光纜布設(shè)困難、成本高昂、易被破壞等難題，使得水下有線通信的應(yīng)用范圍非常有限。除極低頻率外，電磁波在水中的衰減很快，穿透能力較強(qiáng)的超長波也僅能穿透水面約 100 米左右 ；光波在水中受吸收和散射影響，只能進(jìn)行短距離傳輸，傳輸最遠(yuǎn)的藍(lán)綠激光也只能實(shí)現(xiàn)水下幾百米的傳輸。由于聲波可以在水中傳播比較遠(yuǎn)的距離，水聲通信是水下無線信息傳輸?shù)闹饕侄?，但也面臨可用帶寬窄、信道復(fù)雜多變等難題。

隨著人類在海洋中的活動越來越頻繁，需要在水下傳輸信息的應(yīng)用需求也越來越多，水聲通信技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，在科學(xué)考察、海洋工程建設(shè)、海底礦產(chǎn)資源調(diào)查與開發(fā)以及軍事領(lǐng)域等方面水聲通信技術(shù)都有著廣泛的應(yīng)用，這些應(yīng)用也對水聲通信的速率和可靠性提出了更高的要求。

在科學(xué)考察活動中，以前放置在海底的海洋考察儀器都是將采集的數(shù)據(jù)存儲在儀器內(nèi)，到預(yù)定的日期由母船去回收，取出數(shù)據(jù)后再重新布放下去。這樣周期長、費(fèi)用高，而且經(jīng)常出現(xiàn)回收失敗導(dǎo)致無法彌補(bǔ)的數(shù)據(jù)缺失。如果應(yīng)用水聲通信技術(shù)，則可以將數(shù)據(jù)傳輸至水面，不必回收海洋考察儀器，降低了風(fēng)險和費(fèi)用。如果水面有長期值守的浮標(biāo)，那么就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時回傳。

在海上石油開采工業(yè)中，水聲通信設(shè)備被廣泛用于海洋石油平臺的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、立管和局部管路的振動，以及姿態(tài)監(jiān)測、一些閥門的控制等。在無纜自治水下機(jī)器人（AUV）和無人水下機(jī)器人（UUV）等水下潛器中，水聲通信機(jī)廣泛用于遙控、遙測、數(shù)據(jù)回傳、協(xié)同作業(yè)等。對深海載人潛水器來說，水聲通信設(shè)備更是其關(guān)鍵設(shè)備之一，深?？疾焓且豁?xiàng)具有危險性的活動，保障潛水器中的科學(xué)家的生命安全是設(shè)計(jì)深海載人潛水器要考慮的首要問題。與水面支持、控制母船的及時通信聯(lián)絡(luò)可以極大提高載人潛水器中的科學(xué)家處理突發(fā)事件的能力，對保障其生命安全起著不可替代的作用。水聲通信系統(tǒng)還可以實(shí)時傳輸載人潛水器采集的數(shù)據(jù)信息，供水面科學(xué)家實(shí)時分析，以便及時調(diào)整使命。實(shí)時的通信還有助于潛水器中的科學(xué)家保持平靜心態(tài)，順利完成科研任務(wù)。

在軍事上，水聲通信是水面艦船和水下的載體（潛艇和水下傳感器等）間實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸最為有效的手段，如潛艇與指揮艦之間的聯(lián)系等。美國、法國、英國等國家的海軍都有很多這方面的研究計(jì)劃。在用于偵察、救撈、布雷與掃雷的水下機(jī)器人中，水聲通信也是關(guān)鍵技術(shù)之一。正是由于水聲通信技術(shù)在軍事上的巨大應(yīng)用價值，水聲通信被列為高度敏感的技術(shù)，美國一直限制其高性能水聲通信產(chǎn)品對中國的出口。

本文主要介紹非軍事領(lǐng)域的水聲通信技術(shù)進(jìn)展。

1 水聲通信技術(shù)的難點(diǎn)

水聲通信技術(shù)在發(fā)送端把信息添加到聲波中，讓聲波把信息帶到遠(yuǎn)方的接收端去。聲波會穿透海水，被海水吸收、折射、散射，被海底和海面反射[1]，被噪聲干擾，聲波從發(fā)送端到接收端所經(jīng)歷的環(huán)境稱之為水聲信道。信道對水聲通信的影響有以下 5 點(diǎn)。

（1）吸收衰減。海水對聲波的吸收衰減是隨頻率指數(shù)上升的，這一方面導(dǎo)致水聲通信的帶寬很窄，通信速率低；另一方面導(dǎo)致頻率越高通信距離越短。1 kHz 的聲波可以傳幾十甚至上百公里，10 kHz 的聲波可以傳十來公里，100 kHz 的只能傳幾百米，1 MHz 的就只能傳幾米。通信速率和通信距離基本上呈現(xiàn)反比的關(guān)系，為了對比不同工作頻率的通信機(jī)的性能，一般用通信速率和通信距離的乘積來表征一個通信系統(tǒng)的性能。

（2）多途傳播。發(fā)射端發(fā)射的聲波會沿著多條不同的路徑傳播，接收端將先后收到同一個信號經(jīng)過不同路徑后到達(dá)的多個信號，這種現(xiàn)象被稱為“多途傳播”，簡稱“多途”。水聲信道決定了多途傳播路徑的數(shù)目以及各到達(dá)信號的強(qiáng)度及時延，在深海信道時延可達(dá)幾秒，在淺海信道一般是毫秒量級，長的可達(dá)百毫秒量級。多途一方面會造成信號拖尾，前面的信號干擾后面的信號——信號傳輸速率越高，單個符號的持續(xù)時間越短，相同多途時延擴(kuò)展影響到的符號數(shù)目越多，接收信號質(zhì)量越差，系統(tǒng)性能越差；另一方面，多途還會造成某些頻率的信號被增強(qiáng)而另一些頻率的信號被削弱，這種現(xiàn)象被稱為頻率選擇性衰落，這種強(qiáng)弱變化還和空間位置有關(guān)系，稱為空間選擇性衰落。

（3）多普勒頻移。當(dāng)水聲通信的發(fā)射端與接收端做相對運(yùn)動時，接收信號的頻率將會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，而頻率的變化稱為多普勒頻移。除了通信設(shè)備相對運(yùn)動之外，起伏的海面對聲波的反射、水中湍流對聲波的折射等現(xiàn)象也會引入多普勒頻移，使得接收端的多普勒偏離變化不是單一的，而是一種不連續(xù)的分布，這被稱為多普勒頻移擴(kuò)散。由于聲波的傳播速度低，使得同樣運(yùn)動速度時水聲通信中多普勒效應(yīng)比無線電通信中嚴(yán)重 10 萬倍。

（4）時變性。水聲信道具有時變性，因此水聲信道被稱為時變的時延-多普勒頻移雙擴(kuò)散信道。由于聲波的傳播速度低、通信的符號周期較長，使得信道的時變性對通信的影響更加明顯，對時延擴(kuò)散和多普勒頻移擴(kuò)散的處理變得更加困難。

（5）環(huán)境噪聲。天然的和人工因素造成的環(huán)境噪聲對水聲通信有嚴(yán)重的影響。

水聲通信信道是非常復(fù)雜多變的時延-多普勒頻移雙擴(kuò)散信道，帶寬窄、傳播速度慢、噪聲嚴(yán)重，聲波在信道中傳輸時發(fā)生各種失真，到接收端的時候聲波信號已經(jīng)面目全非了。如何在發(fā)送端往聲波中添加更多的信息并且能夠在接收端從變形的聲波中準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)出發(fā)送端添加的信息是水聲通信技術(shù)的核心，主要技術(shù)包括調(diào)制解調(diào)和糾錯技術(shù)等。

2 國外水聲通信技術(shù)的發(fā)展

最早的水聲通信系統(tǒng)是采用模擬技術(shù)的水聲電話，二戰(zhàn)期間就已在潛艇上裝備，目前仍廣泛應(yīng)用于潛艇以及潛水員的通話。但其明顯的缺點(diǎn)是功能相對單一，即主要傳輸語音，也有的在語音基礎(chǔ)上增加了低速的數(shù)傳功能。

（1）非相干水聲通信技術(shù)。首先發(fā)展起來的數(shù)字式水聲通信系統(tǒng)采用非相干水聲通信技術(shù)。非相干水聲通信技術(shù)用不同頻率信號的能量變化或其組合來傳輸信息。當(dāng)前多采用多頻移鍵控信號（MFSK）加編碼以及保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的技術(shù)克服多途引起的符號間干擾和頻率選擇性衰落，其帶寬利用率較低，傳輸速率一般為數(shù)百 bits/s。這種技術(shù)在 20 世紀(jì) 90 年代中期已發(fā)展得比較完善。代表性產(chǎn)品是美國 Datasonics公司（后被 Benthos 公司收購）的 ATM 系列水聲通信機(jī)。由于其魯棒性好，得到了廣泛應(yīng)用。

（2）相干水聲通信技術(shù)。該技術(shù)是利用信號的相位變化來傳輸信息，帶寬利用率比非相干技術(shù)提高了一個數(shù)量級。由于聲波信號失真嚴(yán)重，相位的畸變比頻率和幅度要嚴(yán)重得多。直到自適應(yīng)技術(shù)發(fā)展起來，能夠自動修正信道的影響，相干水聲通信技術(shù)才成為可能。與水聲信道特性相匹配的自適應(yīng)均衡器技術(shù)是相干水聲通信的核心技術(shù)。20 世紀(jì) 90 年代美國 Scripps 海洋研究所率先發(fā)展出了單載波相干通信技術(shù)[2]，采用多相移鍵控信號（MPSK）、空間分集、自適應(yīng)均衡器、糾錯編碼和多普勒補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。目前單載波通信技術(shù)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，在一些商業(yè)產(chǎn)品上已經(jīng)支持單載波通信模式，用于高速傳輸。但其成熟度還比不上非相干通信技術(shù)，對信道條件的依賴性相對較高，技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展完善中。

（3）正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。這是一種多載波的相干通信技術(shù)，頻帶利用效率高，在無線電通信中得到了廣泛的應(yīng)用。從 20 世紀(jì) 90 年代中后期開始，才逐漸有人開始將 OFDM 技術(shù)應(yīng)用于水下通信的研究。由于水聲信道的復(fù)雜性，OFDM 技術(shù)在水下遇到了很多問題，目前距離實(shí)用還有一定距離。

（4）其他技術(shù)。美國 Scripps 海洋研究所從 1999 年起進(jìn)行了時反水聲通信技術(shù)的研究[3]。在 2000 年前后，美國麻省理工學(xué)院等單位開展了基于空間調(diào)制的多輸入多輸出（MIMO）水聲通信技術(shù)研究[4]。這些技術(shù)的思路都是利用了聲波在水聲信道中的多途傳播特性來實(shí)現(xiàn)高速、可靠、多用戶通信。目前這些技術(shù)還處于原理性研究階段，距離實(shí)用還有較大差距。

在點(diǎn)對點(diǎn)水聲通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，20 世紀(jì) 90 年代起美國①Rice J, Creber B, Fletcher C, etc. Evolution of seaweb underwater acoustic networking. IEEE Oceans 2000 MTS/IEEE Conference,2000： 2007-2018.、歐盟等國家和地區(qū)開展了水聲通信網(wǎng)技術(shù)研究，目的是實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備間的互聯(lián)互通，以用于海洋觀測、水下偵查預(yù)警、潛艇協(xié)同作戰(zhàn)等方面。受水聲通信速率和距離之間矛盾的限制，目前還主要在科學(xué)研究方面有所應(yīng)用，沒有軍事上實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的報(bào)道。

3 國內(nèi)水聲通信技術(shù)進(jìn)展

3.1 國內(nèi)水聲通信技術(shù)的起步

20 世紀(jì) 70 年代，中國船舶重工集團(tuán)公司第 715 所（以下簡稱“715 所”）和 612 廠就共同開發(fā)了我國的第一代模擬通信聲吶。我國是在 20 世紀(jì) 80 年代中期開展數(shù)字水聲通信技術(shù)研究的，但當(dāng)時國家的支持力度不大，只有一些零星的原理性的研究。

20 世紀(jì) 90 年代初，我國“863”計(jì)劃訪問團(tuán)在法國考察，作為中方團(tuán)長的中國科學(xué)院聲學(xué)研究所（以下簡稱“聲學(xué)所”）老所長汪德昭院士在和法方討論時，法國人明確表示“什么都能談，就是水聲通信不能談!”。此事對汪院士觸動很大。汪院士回國后，大力推動國內(nèi)開展水聲通信技術(shù)的研究，促成了國家在“863”計(jì)劃自動化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題中立項(xiàng)予以支持（當(dāng)時“863”計(jì)劃還沒有設(shè)立海洋領(lǐng)域）。

“七五”計(jì)劃期間“863”自動化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題重點(diǎn)項(xiàng)目“探索者號 1 000 米水下機(jī)器人”中支持了非相干水聲通信機(jī)的研制，聲學(xué)所朱維慶團(tuán)隊(duì)研制了水聲通信機(jī)試驗(yàn)裝置，中心頻率 17.5 kHz，工作帶寬 5 kHz，傳輸速率 0.6 kbps。進(jìn)行了水池和海上試驗(yàn)，在淺水 2.5 km 距離接收信號和聲像聲吶的記錄，位誤差概率為 10-4，試驗(yàn)結(jié)果良好，與當(dāng)時美國 Woods Hole 海洋研究所的結(jié)果相近。在此基礎(chǔ)上該團(tuán)隊(duì)于“八五”計(jì)劃期間研制出了與美國的 ATM850 水聲通信機(jī)性能相近的非相干水聲通信機(jī)。

“八五”計(jì)劃期間國家“863”計(jì)劃自動化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題于 1995 年支持了“空間分集相關(guān)-自適應(yīng)均衡-糾錯編碼在水聲通信技術(shù)中的應(yīng)用”（863-512-26-02）課題，1998 年支持了“用于作業(yè)型 AUV 高速水聲通信自適應(yīng)快速信號處理方法關(guān)鍵技術(shù)”（863-512-9804-04）課題，研究水聲相干通信技術(shù)。朱維慶團(tuán)隊(duì)提出了快速自優(yōu)化最小均方算法（FOLMS）和快速自最佳最小均方相位估計(jì)算法（FOLMSPE）聯(lián)合工作的自最佳自適應(yīng)判決反饋均衡器技術(shù)，樣機(jī)中心頻率 17.5 kHz，工作帶寬 5 kHz，在湖試中作用距離 4 km，傳輸速率 10 kbps，位誤碼率為10-4—10-5，達(dá)到了當(dāng)時國際先進(jìn)水平。

2000 年聲學(xué)所在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程二期中對水聲相干通信技術(shù)研究給予了支持，主要研究水下載體運(yùn)動引起的多普勒頻移的補(bǔ)償技術(shù)。通過研究，提出了多普勒頻移估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)，通過多普勒頻移粗補(bǔ)償和自適應(yīng)均衡器相位跟蹤相結(jié)合，很好地解決了多普勒頻移的問題。

3.2 載人潛水器水聲通信系統(tǒng)的跨越發(fā)展

在上述工作的基礎(chǔ)上，2002 年在國家“十五”計(jì)劃期間的“863”重大專項(xiàng)“7 000 米載人潛水器”中聲學(xué)系統(tǒng)的論證過程中，聲學(xué)所提出了采用相干通信技術(shù)高速傳輸圖像的和采用非相干通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)中速傳輸傳感器等數(shù)據(jù)的中程高速數(shù)字化水聲通信技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)在 8—10 km 距離內(nèi)以最高 10 kbits/s 的速率傳輸數(shù)據(jù)、語音和圖像，目標(biāo)是在研制完成時仍具有國際先進(jìn)水平。在研制過程中完善和發(fā)展了空間分集-多普勒頻移補(bǔ)償-自最佳自適應(yīng)判決反饋均衡器技術(shù)，研究并應(yīng)用了 Turbo-TCM 碼編解碼技術(shù)、基于小波變換的抗誤碼圖像傳輸技術(shù)、低碼率的語音編解碼技術(shù)等[5]。在經(jīng)過 2009 年“蛟龍”號載人潛水器第一次海試后，聲學(xué)所對海試中暴露出來的問題進(jìn)行了改進(jìn)，重點(diǎn)是克服了母船噪聲的干擾，提高了設(shè)備的可靠性和操作便利性；在后續(xù)的海試中水聲通信效果良好，母船和潛水器之間信息交流順暢，語音清晰，傳回了大量數(shù)據(jù)和水下作業(yè)照片，綜合性能優(yōu)于同類國際載人潛水器水聲通信系統(tǒng)[6]。2012 年 6 月 24 日，“蛟龍”號在 7 000 米深的海底通過水聲通信系統(tǒng)與在太空的“天宮一號”航天員實(shí)現(xiàn)了海天對話，這在國際上也是一次創(chuàng)舉（圖 1）。

在“蛟龍”號海試與 2013 年以來的試驗(yàn)性應(yīng)用中，“蛟龍”號成功下潛了 150 多次，水聲通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了母船對潛水器的實(shí)時監(jiān)控，保障了母船與潛水器之間順暢的通信聯(lián)系，傳回了大量現(xiàn)場照片（圖 2），為“蛟龍”號的成功下潛發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

在“蛟龍”號水聲通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，聲學(xué)所又為“深海勇士”號 4 500 米載人潛水器研制了水聲通信系統(tǒng)，其最核心的改進(jìn)在于改進(jìn)了相干和非相干通信算法以及糾錯編碼技術(shù)，降低了對信噪比的要求，使得在自噪聲較高的母船上使用船載換能器成為可能[7]。海試結(jié)果表明，在 4 500 米海試中，采用船載換能器的水聲通信系統(tǒng)可靠實(shí)現(xiàn)了全部通信功能，得到了專家組的高度評價。

當(dāng)前聲學(xué)所正在為全海深載人潛水器研制水聲通信系統(tǒng)，需要克服的主要問題是需要在通信功能和通信速率指標(biāo)不變的前提下把通信距離由“蛟龍”號的 7 km 延拓到 12 km。2018 年底，聲學(xué)所已經(jīng)完成了設(shè)備研制，2019 年將開展海試驗(yàn)證。研制完成后該套水聲通信系統(tǒng)將是國際上最先進(jìn)的水聲通信系統(tǒng)之一。

3.3 水聲通信網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

圖1 “蛟龍”號通過水聲通信機(jī)與“天宮一號”進(jìn)行海天對話

圖2 “蛟龍”號通過水聲通信機(jī)傳回的部分海底照片

在水聲通信網(wǎng)技術(shù)方面，國內(nèi)很多單位都開展了跟蹤研究，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)、仿真分析方面做得比較多，受經(jīng)費(fèi)支持限制，海試研究一直比較薄弱?！笆晃濉庇?jì)劃期間的“863”重點(diǎn)項(xiàng)目“水聲通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”是我國當(dāng)時支持力度最大的水聲通信網(wǎng)項(xiàng)目，由聲學(xué)所、哈爾濱工程大學(xué)、715 所、浙江大學(xué)等單位聯(lián)合承擔(dān)。該項(xiàng)目開展了面向不同應(yīng)用的水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真研究，并主要針對海洋調(diào)查應(yīng)用制定完成了一套水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，利用項(xiàng)目組研制的半物理仿真平臺完成了實(shí)驗(yàn)室測試后，在海南近海開展了持續(xù) 45 天的海上試驗(yàn)（圖 3），實(shí)現(xiàn)了對海區(qū)水溫、壓力和流場的連續(xù)、實(shí)時觀測（圖 4），驗(yàn)證了水聲通信節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的功能和性能，展示了水聲通信網(wǎng)在組網(wǎng)觀測方面的能力[8]。

3.4 國內(nèi)各單位的研究工作

在“863”計(jì)劃、軍方、國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱“基金委”）等支持下，哈爾濱工程大學(xué)、715 所、廈門大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)等單位均開展了擴(kuò)頻通信、非相干通信、單載波相干通信、多載波相干通信、時反技術(shù)、MIMO 技術(shù)、糾錯編碼技術(shù)、水聲通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等水聲通信領(lǐng)域各方面的研究工作，并開展了樣機(jī)研制和湖海試驗(yàn)。

3.5 水聲通信機(jī)產(chǎn)品化

在產(chǎn)品化方面，國內(nèi)尚未形成得到國內(nèi)用戶廣泛認(rèn)可的水聲通信產(chǎn)品。聲學(xué)所研制了 ACN 系列水聲通信機(jī)產(chǎn)品，在 AUV 遙測遙控、科研教學(xué)等方面有少量應(yīng)用；廈門大學(xué)研制 AMLink 系列水聲 Modem 在國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)、海洋工程單位得到應(yīng)用；715 所也在做產(chǎn)品化方面的工作；其他單位的水聲通信產(chǎn)品多是科研樣機(jī)。

4 結(jié)束語

圖3 水聲通信海上試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（連線表示通信鏈路）

水聲通信與組網(wǎng)技術(shù)是海洋領(lǐng)域中具有重要地位的核心技術(shù)，對未來水下觀測、作業(yè)和軍事活動具有重要的支撐作用。國內(nèi)聲學(xué)所、715 所、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)等研究單位在“863”計(jì)劃、軍方、基金委等支持下開展了水聲通信與組網(wǎng)技術(shù)各個方面的理論研究、樣機(jī)研制和湖海試驗(yàn)，發(fā)展迅速。特別是近 15 年來，國家加大了對水聲通信和組網(wǎng)技術(shù)的支持力度，縮短了我國和國外的技術(shù)差距。但就總體而言，我國在理論研究和產(chǎn)品兩方面仍滯后于美國等國家 5 年左右，需要繼續(xù)大力發(fā)展水聲通信算法研究、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究、試驗(yàn)與應(yīng)用研究、換能器和數(shù)字系統(tǒng)等硬件的研制、水聲通信產(chǎn)品開發(fā)等方面。

圖4 通過水聲通信網(wǎng)回傳的45天連續(xù)觀測數(shù)據(jù)