航海中水聲通信技術(shù)運(yùn)用分析

摘要：較為常見的航海通信技術(shù)包括探測聲吶、導(dǎo)航聲吶、定位聲吶、激光通信、水聲通信等，本文主要以水聲通信技術(shù)為例，介紹了水聲信道基本特征、技術(shù)的應(yīng)用方式選擇以及在母船與多水下平臺溝通中這一技術(shù)的應(yīng)用，以期通過推動水聲通信技術(shù)高效發(fā)展的方式，為海洋世界深入探索提供支持，希望能夠給讀者帶來啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：水聲通信技術(shù)；基本特征；多雷協(xié)同制導(dǎo)

在信息傳輸過程中，聲波是人們較為常用的信息載體，水聲通信技術(shù)則是在水下移動體與固定體或者移動體與移動體間，通過聲波完成信息傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。現(xiàn)階段，人們海洋探索次數(shù)日漸增加，為更好地滿足人們對航洋信息調(diào)查分析的需要，水聲通信技術(shù)得到了人們的廣泛關(guān)注。

聲波是目前已知的，在水中傳輸信息衰減最小的一種波動形勢，在水下信息傳輸、水下情況探測等領(lǐng)域，聲波因具有穩(wěn)定性與可靠性較高的特點，得到了人們的廣泛應(yīng)用，而水聲通信技術(shù)則是其中極為常見的一種以聲波為載體的水下信息傳遞方式。據(jù)調(diào)查分析可以了解到，在海面附近，聲波的典型傳播速率為150m/s，比電磁波的速率小了5個數(shù)量級，這種情況的存在使得在海水中聲波的傳播衰減比電磁波要小很多。同時，在水聲通信技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，可以了解到這一技術(shù)有著多徑效應(yīng)嚴(yán)重、環(huán)境噪聲影響大、通信速率低等物理特性。舉例來說，多徑效應(yīng)嚴(yán)重指的是聲波在水中傳遞信息的過程中，若水深比傳輸距離小，同一波束內(nèi)的不同路徑的聲波，將會因路徑長短的不同，在不同時間傳輸?shù)叫盘柦邮辗?，在此過程中，受不同路徑傳播的信號能量存在一定差異的影響，導(dǎo)致信號的展寬、波形碼等信息的穩(wěn)定性下降。

自21世紀(jì)以來，為進(jìn)一步提高水聲通信技術(shù)的實用性，相關(guān)工作人員計算機(jī)設(shè)備與信號處理算法，對這一技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，不僅使得水聲通信技術(shù)通信的可靠性有所提升，在應(yīng)用過程中，能夠更好地克服克服水聲通道多途衰落，還能進(jìn)一步提高水聲通訊的速率，更好地滿足當(dāng)前人們對多樣化數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)男枰?/p>

在水聲通信技術(shù)的研究應(yīng)用過程中，單載波調(diào)制水聲通信技術(shù)、多載波調(diào)制水聲通信技術(shù)與通信編碼技術(shù)均得到了廣泛的應(yīng)用。具體來說，首先，由于單載波系統(tǒng)在設(shè)計過程中，更夠更快地實現(xiàn)自適應(yīng)信道的均衡，因此，被廣泛應(yīng)用于信道較為復(fù)雜，并且時變效應(yīng)較為嚴(yán)重的環(huán)境中；其次，由于多載波系統(tǒng)本身自帶部分對信道多途的抵抗力，并且具備均衡算法較為簡單的優(yōu)點，因此，可以被應(yīng)用于信道較為穩(wěn)定并且數(shù)據(jù)率要求相對較高的中近程信息傳輸過程中；再次，隨著各類信道編碼技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，將單載波或多載波系統(tǒng)與信道編碼技術(shù)相結(jié)合，切實提高水聲通信技術(shù)的可靠性，已成為當(dāng)前推動水聲通信技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展的有效方式之一，在這一技術(shù)的應(yīng)用過程中，編碼的主要作用在于，用冗余的方式，完成信息的傳輸，即通過利用不同子頻帶實現(xiàn)信息的發(fā)送或者通過。需要注意的是，盡管將編碼技術(shù)與水聲技術(shù)中的單載波或多載波技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可以有效提升信號輸出工作的潛力，但這一潛力的實現(xiàn)往往需要較為復(fù)雜的信號處理方法，以便對水聲信號傳輸過程中的多徑干擾、異步到達(dá)干擾等問題進(jìn)行處理，現(xiàn)階段，較為常用的檢測信號干擾檢測方式為連續(xù)干擾抵消（SIC），這一技術(shù)是一種性能與復(fù)雜度都較為均衡的檢測方法，并且技術(shù)的應(yīng)用可以在檢測過程中，可以從接收信號中，集中將已經(jīng)檢測到的信號去除，減少后續(xù)信號檢測工作的難度，因此，信號的檢測順序與SIC的檢測結(jié)果間存在直接的聯(lián)系，尋找合適的信號檢測方法，成為提升信號檢測即傳輸質(zhì)量的必要工作之一。最后，考慮到水聲通信環(huán)境較為復(fù)雜，為避免因聲傳播損失、海水吸收損失等因素造成的水聲信道穩(wěn)定性降低，則需要盡量提高水聲通信的帶寬效率、對多途效應(yīng)進(jìn)行抑制、對多普勒移頻加以補(bǔ)償，保證水聲通信可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息穩(wěn)定傳輸。在實際選擇水聲信道技術(shù)的過程中，應(yīng)當(dāng)在明確水聲信道條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)人們對水聲信道信息傳輸?shù)木唧w要求，合理選擇水聲信道技術(shù)方式，切實保證信息傳輸過程中，技術(shù)應(yīng)用的抗噪聲性、設(shè)備復(fù)雜程度等情況，能夠切實滿足信號傳輸人員對技術(shù)的預(yù)期目標(biāo)[1]。

在實際工作過程中，衡量水聲通信質(zhì)量的指標(biāo)主要為水聲通信的誤碼率與數(shù)據(jù)率指標(biāo)，但在水聲通信系統(tǒng)設(shè)計過程中地誤碼率與搞數(shù)據(jù)率無法兼得，此時為切實保證水聲通信的質(zhì)量，主要是指在盡可能保證數(shù)據(jù)率能夠滿足信號傳輸需要的基礎(chǔ)上，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。由于在信號傳輸過程中，不同的傳輸信號對水聲通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)有著不同的設(shè)計需要，因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)在明確水聲通信技術(shù)的發(fā)展水平、實際工作場所的需要等因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計科學(xué)合理的水聲信道系統(tǒng)。同時，可以采用本身具有避免多條效應(yīng)出現(xiàn)的調(diào)制技術(shù)，避免多途效應(yīng)對信號正產(chǎn)傳輸所產(chǎn)生的不利影響，在應(yīng)用這一技術(shù)時，信號體制可以選用非相干或差分相干進(jìn)行解調(diào)操作，避免因信道本身或接收器、發(fā)送器的運(yùn)動，導(dǎo)致相位穩(wěn)定性的降低，此外，為更好地解決和對抗多途效應(yīng)，可以使用擴(kuò)頻技術(shù)，降低多途效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

近年來，在海洋開發(fā)過程中，無人水下航行器、自主式水下航行器等平臺所承擔(dān)的工作任務(wù)數(shù)量與復(fù)雜度不斷提升，在這種情況下，為滿足對水下平臺工作情況的有效管控，水面母船與多平臺聯(lián)合作業(yè)情況的出現(xiàn)概率越來越多?，F(xiàn)階段，為更好地保證母船與水下平臺之間溝通的順利性，提升水下平臺工作的有效性，切實滿足水下平臺的作業(yè)需要，在實際工作過程中，可以通過將融合的單陣元時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)的多平臺水聲通信，應(yīng)用到母船與平臺溝通工作中的方式，進(jìn)一步提升通信工作的可靠性。具體來說，時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，可以實現(xiàn)聲信道特性的自適應(yīng)匹配并且并不需要先驗知識，相較于主動式時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)在使用過程中，陣元功能的實現(xiàn)需要收發(fā)合置與雙向傳輸，這種較為繁瑣的工作方式，被動式時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)只需要平臺具備信息接收功能，就可以實現(xiàn)母船向平臺的信息單向傳輸，同時，這種單陣元的設(shè)置方式，有效降低了信息傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜性，可以滿足當(dāng)前平臺信息接收對于水聲通信節(jié)點結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低的要求。同時，在母船與水下平臺進(jìn)行水生信道信息傳輸?shù)倪^程中，被動式時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)的應(yīng)用可以使得位于不同水平、垂直位置以及不同水下環(huán)境的平臺，都能夠與主節(jié)點間有著關(guān)聯(lián)性較弱的信道沖擊響應(yīng)，這種情況的出現(xiàn)，使得母船在向作業(yè)平臺傳輸信息時，可以通過時間翻轉(zhuǎn)鏡聚焦期望屏蔽其他用戶的干擾，實現(xiàn)母船信號的有效接收，即在實際工作過程中利用水聲通道的特性，母船可以借助時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)實現(xiàn)空分多址。并且通過事件研究可以發(fā)現(xiàn)，在母船移動的過程中，時間翻轉(zhuǎn)鏡技術(shù)在水下通信過程中仍有著良好的聚焦特性，這種情況的出現(xiàn)為多平臺移動水聲通信工作的開展提供了有效的保障。

總而言之，在當(dāng)前的社會發(fā)展過程中，人類征服了天空，卻尚未征服海洋，但受人們對海洋世界認(rèn)知的不斷深入以及海洋開發(fā)利用需要越發(fā)迫切的影響，在航海過程中，合理應(yīng)用水聲通信技術(shù)，成為了一項極為必要的工作。

參考文獻(xiàn)

[1]王海斌，汪俊，臺玉朋，等.水聲通信技術(shù)研究進(jìn)展與技術(shù)水平現(xiàn)狀[J].信號處理，2019，35（9）：1441-1449.

[2]岳玲，樊書宏，馮西安.魚雷協(xié)同制導(dǎo)對水聲通信能力的需求分析[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報，2018，26（5）：427-432.

（作者簡介：蘭海濤，航海技術(shù)，通信技術(shù)方向，工作單位：中國海警局直屬第四局）