水下通信技术及其难点*

韩 东 ，贺 寅 ，陈立军 ，李 利

（1.海军大连舰艇学院 信息系统系，辽宁 大连 116018；2.中国科学院声学研究所，北京 100190；3.中国人民解放军92682 部队，广东 湛江 524002）

1 概述

当前，战争形态已经全面进入信息化时代，掌握制信息权是保证战争获胜的必要条件，从制定作战策略、作战行动指挥，到武器装备控制中的所有军事力量，均离不开信息获取、传输、处理。这其中，通信作为信息化的中枢神经，对各作战力量最大效能发挥起到了关键作用，是作战制胜的根本保证。

海洋与人类生活息息相关，紧密相连。海洋面积占地球总面积的71%，各民族和国家都把海洋作为发展的空间，除了蕴含丰富的资源外，辽阔的海洋还是交通的通道、防御外敌入侵的天然屏障。在陆军、海军、空军、战略支援部队等作战力量中，海军与海洋的关系最为密切，直接涉及海上国土安全。以潜艇、蛙人、鱼雷、水雷等为主的兵力和武器装备，构成了现代海军的主要水下作战力量。以潜标、浮标、无人潜航器（UUV）、水下滑翔机等为主的探测侦查设备构成了水下信息传输保障力量。这些作战力量和保障力量是水下作战的关键要素，水下通信问题就是要在这些装备、设备之间，或者与岸基、天基、空基指挥机构间构建通信链路，实现有效的信息传输。

2 水下通信所涉及的装备和设备

2.1 潜艇及其通信需求

自第一次世界大战后，潜艇得到广泛运用，在海战场上，潜艇作为重要的军事力量，发挥了不可替代的作用，可以执行对敌攻击、近岸保护、突破封锁、侦察巡逻等作战任务。由于工业水平的提升，使得潜艇的发动机噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等逐年下降，这些潜艇的自噪声是影响和制约潜艇隐身性能的重要因素。随着自噪声的降低，潜艇逐渐淹没于海洋环境噪声中，使得潜艇难以被发现，其威慑能力也进一步加大。

潜艇作为重要的武装力量，不论是战略核潜艇，还是常规潜艇，在其执行任务过程中，都需要其他作战单元和各级指挥机构之间保持信息传递。但是，潜艇的隐蔽性是其战斗力发挥的重要保证，通信时，必须确保潜艇自身的安全。目前，潜艇常用的通信手段有长波通信、短波通信、超短波通信、微波通信、水声通信等。

2.2 蛙人

蛙人是担负着水下侦察、爆破和执行特殊作战任务的部队。战史证明，蛙人能够对敌方的舰船构成巨大威胁。二战期间，意大利和英国利用蛙人部队攻击对方战舰。越战期间，越南蛙人部队也使美战舰遭受过多次打击。蛙人在水下执行作战任务时，通常以水声通信手段与母船或基地保持通信联络。

2.3 水雷

水雷具有战斗威力大、隐蔽性好、布设简便、造价低廉的优点，是封锁港口或航道，对敌实施隐蔽攻击较为理想的水下武器。传统的水雷引信主要包括触发引信、压力引信、声引信、磁引信，这些被动性引信在敌方目标触发水雷或航行至引信的作用范围才能引爆，引信的非智能性使水雷的作战效果受到一定的制约，同时也会对己方舰船构成一定的威胁，存在误触发的隐患。为了提高水雷的主动性和可控性，通过有线通信、水声通信或者无线通信与有线通信结合的方式，实现指挥平台对水雷的精确控制，从而避免误伤己方舰船、潜艇，同时增加对敌方目标的攻击能力。

瑞士研制的风暴遥控水雷，通过无线电波和水声遥控方式控制水雷的启动，并通过信号控制水雷的航行和对目标攻击。丹麦研发的线控水雷，可以通过电缆控制水雷的保险启动、保险解除、引爆、自控状态。日本海军研制的声纳浮标水雷，是结合了沉底水雷和浮标的优点，利用浮标收发无线电信号，再通过有线电缆，将浮标收到的控制信号发送至水雷，使水雷受控动作。

2.4 线导鱼雷

线导鱼雷通常属于大型鱼雷，被多国海军潜艇使用，发射台通过导线传输指令控制鱼雷制导。早期的线导鱼雷使用金属导线，可采用单股导线加海水作为完整回路的方式，也可采用双股导线的方式。金属导线占用鱼雷体积大，现多被光纤所代替，传输的信息速率也大幅提高。线导鱼雷发射后，鱼雷通过导线向发射台传回自身的状态、位置、目标的方位、距离等信息，发射台根据鱼雷返回的信息发出遥控指令操纵鱼雷攻击目标。线导鱼雷的主要特点是由于导线传输指令，可以同时通过鱼雷传感器和平台传感器进行目标探测、识别，具有捕捉目标的概率高、发射迅速、抗干扰能力强、攻击效果好、机动灵活等特点。从二次大战中德国研制的“云雀”鱼雷，到上世纪80年代美国研制的第四代鱼雷MK-48 型鱼雷，其制导能力逐步加强、摧毁目标的威力也逐步增大。线导鱼雷需要在发射平台和鱼雷上加装线导设备，在一定程度上影响了鱼雷的运动和平台的机动能力。

2.5 潜标

潜标也被称为水下浮标系统，是一种系泊于海洋水面以下的海洋探测系统，可用于监测水下温度、盐度、海流、噪声等海洋环境要素。它能在恶劣的环境下收集水下情报，具有观测时间长、隐蔽、测量不易受海面气象条件影响的优点，被广泛应用于国防军事、海洋科学研究、海洋开发等领域。

潜标通常安装有通信设备，如水声通信机或无线电通信机，装配的电池能够保证潜标可以长期潜伏于海底。水声通信设备可以与潜艇、无人潜航器等设备通信。当潜标布放于外海，在水下探测到重点威胁目标后，可以通过上浮或释放无线电通信设备的方式，利用微波卫星通信手段，或短波手段与地面指挥机构建立通信链路，从而实现威胁目标信息的回传。

2.6 无人潜航器

无人潜航器在军事上能够用于搜救、情报搜集、监视和侦察任务。大型无人潜航器有足够空间携带武器，可执行对目标攻击、海上拒止、海洋封锁等任务。无人潜航器的智能化是其重要的发展趋势，它的作战能力与推进技术、传感器和信号处理技术、通信和导航技术、攻防作战技术和人工干涉技术息息相关。无人潜航器分为遥控型和自主型两类，这其中遥控型又可分为有线遥控型和无线遥控型两种。有线遥控型无人潜航器，采用线缆将其与控制平台相连，通过有线信号控制其运动并回传信息。无线遥控型通常通过水声通信的方式实时操控。而自主型无人潜航器运行过程中与母船、岸、岛等平台的距离较远，通常是在规定时间或探测到重要情报后上浮至海面，通过短波通信或卫星通信方式回传信息。

3 水下通信技术

目前，水下通信技术主要包括水下有线通信、水声通信、水下激光通信、水下无线电通信。这些技术手段在实施与水下作战力量的通信时，有各自的优点和不足。各类通信技术，具有各自的适用范围，需要结合具体的海洋环境条件和作战使用条件进行选择。

3.1 有线通信

水下有线通信方式，适合于平台和岸基、岛基距离较近范围内的通信。现有的水下有线通信方式，已基本由原始的电缆通信向新型的光缆通信转变。在有线通信方式中，比较典型的应用场景是连接各国的海底光缆系统。通过海底光缆实现沿海国家的信息联通，再由陆地光缆，实现世界范围的互联互通。

除海底光缆外，遥控型水下无人潜航器通常由电缆或光缆与母船或岸上平台相连，既可以通过线缆传输电力，又可以实现实时数据的传输。遥控型无人潜器的线缆通常都能承受一定的拉力，在潜器出现故障时，可以通过线缆将其拽出，从而提高其安全性。

在水下武器中，线导鱼雷是一个比较典型的有线通信应用装备。线导鱼雷通过金属电缆或光纤将鱼雷与潜艇连接，从而可以由潜艇控制线导鱼雷对目标的攻击。先发制人是其较大优点，同时也能保证鱼雷在开启主动搜索声纳时，避免出现误伤己方的情况。

3.2 水声通信

水下信息传输由于受海水的影响，绝大多数的无线电波都被屏蔽。使得水声作为最适宜的能量传输形态，声波能量在水下传播过程中衰减的衰减与电磁波相比小很多，在水下探测、通信领域具有十分重要的地位[1-3]。所有的军用潜艇中，均配备有各型声纳装备。既包含探测水声信号的主动、被动声纳，也包括用于通信的通信声纳。而其他如潜标、浮标等装置，通常也有声探测传感器。采用水声通信的优点是不受海水深度的限制，水下声源以球面波或柱面波方式扩展，向远处传输。这就使得潜艇或者其他类型水下装备、设备在接收水声信号时，可以不必上浮至海面，避免了被敌方侦查到。但是，采用这种通信方式，也存在一定的问题。通常水下武器装备、设备的位置是需要保密的，尤其是潜艇装备，隐蔽性是其第一要求。除非确定安全，否则潜艇不会主动采用水声通信方式向外发送信息。

3.3 无线电通信

无线电波在自由空间环境中，受到了噪声干扰较少，且衰减十分有限。使得以无线电波是路上平台、空中平台、海上平台之间的主要通信手段[7-9]。由于无线电波包含多种频率，如超低频、甚低频、低频、中频、高频、超高频、甚高频等，海水对无线电波有非常强的屏蔽作用，无线电波穿透海水的能力与频率直接相关。频率越低，海水对电磁波的吸收和衰减越小，因此穿透海水的能力越强。

对于潜艇通信而言，当潜艇位于水下时，超低频、甚低频无线电通信是其主要通信手段，潜艇可以保持在水下航行状态，通过释放通信天线接收岸上指挥机构的信息。而短波、超短波、微波卫星通信是辅助手段，选择这些通信频率及相应的装备时，潜艇必须是水面航行状态或潜望状态，即要求将通信天线暴露于空气之中，避免海水对无线电波的吸收和衰减作用，这就不可避免地增加了潜艇暴露的风险。对于其他水下通信设备，如潜标、浮标、水下无人潜航器等，可以上浮至水面，通过短波通信、超短波通信、卫星通信等方式与空中、陆上、舰船平台等进行通信。

3.4 光通信

通过光的方式实现直接对水下目标的通信，有两种途径。第一种途径，是直接采用海水吸收弱的激光，蓝绿激光在海水中穿透能力强，相对其他颜色激光被海水吸收更小。因此，将蓝绿激光作为光源，利用直升机、无人机、飞机、卫星作为载体，实施对潜艇或其他水下装备、设备的通信。利用蓝绿激光通信，激光入水深度与海洋的清澈程度有关。蓝绿激光在远海区域比近岸区域的透射深度更大，具有更大的通信深度和更低通信误码率。

第二种途径，是采用激光致声通信[4-6]。当激光能量足够强，照射水面时，会使水面产生膨胀或气化效应，从而使激光的光能转化为声能。采用该技术对水下目标通信，可以将激光器置放于飞机或卫星上，指挥中心通过无线电波与激光器所在平台建立数据链接，激光器以二进制数字振幅键控的方式控制激光脉冲，激光照射水下目标所在区域的水面激发声波，水下目标通过声纳设备接收声波，从而实现指挥中心与水下目标的信息传输。

4 水下通信的难点

水下通信所涉及的范围既包含岸基指挥机构和水下装备之间的通信，又包含海面、空中平台和水下装备之间的通信。同时，水下装备之间的通信也属于水下通信范畴。相对于陆上通信而言，海水是水下通信面临的天然屏障。无线电波适宜在自由空间（真空或大气）中传播，这是因为自由空间为无线电波提供了适宜于电磁波传输的信道。而海水对无线电波具有较强的吸收和衰减作用，海水信道不利于无线电波传输。正是这个原因，使得水下通信比陆上通信更难以实现，必须采用适宜于水下传输的手段。目前，水下通信的难点总结起来主要有：

4.1 远距离通信

水下航行器通常需要在大洋中执行特定任务，一旦航行器距离海岸线之间的距离超出了一定范围，想要建立岸上指挥机构和水下航行器之间的通信链路就显得尤为困难。我们以潜艇为例，说明这一问题。潜艇是在水下遂行作战任务的海军兵器。它有较大的自给力、续航力和作战半径，具有隐蔽性好，生存力强，突击威力大等特点。它可远离基地，深入大洋和敌方海区进行独立作战。但是潜艇自身的防护能力较差，潜艇战斗力的发挥主要依赖于自身的隐蔽性。潜艇的隐蔽性就是潜艇的生命力，而潜艇通信特别是无线电发信，易被敌方电子侦察兵力探测和定位。随着现代无线电通信无源定位技术的发展，来自敌方的这种威胁更为突出。为保持潜艇作战行动的隐蔽性，潜艇通信必须采取必要的技术和手段。早在第二次世界大战期间，德国潜艇为了对抗同盟国的无线电侦察，已通过缩短发信时间来降低无线电电波被敌方侦听、截获的概率。目前，潜艇通信还依然沿用这种手段，此外，现代潜艇通信还采用扩频通信、卫星通信等多种技术和手段提高潜艇通信的隐蔽性，降低潜艇因通信造成暴露的可能。

当潜艇远航执行特定任务时，通常距离岸基发信台之间的距离达数千甚至上万公里，这个距离不仅对岸基的发信和潜艇的收信带来了较大的挑战，同时对潜艇发信也是一个巨大的挑战。潜艇可用的通信手段主要包括：超长波（超低频）通信、甚长波（甚低频）通信、短波通信、超短波通信、微波通信、水声通信。

采用超长波、甚长波通信时，潜艇需要提前释放拖曳式通信天线，潜艇保持在某个航行深度，在特定方向上做匀速直线运动。超长波天线通常有数十公里到数百公里的长度，通信距离能达到8000 至10000 公里，但是超长波通信的天线通常采用线天线、双线天线或十字天线，这些天线都有一定的方向性，即便其最远通信距离已能够达到地球半周长的程度，但当潜艇处于天线辐射盲区时，也不能够实现有效的对潜通信。甚长波通信距离通常小于2000 公里，适宜于潜艇活动在与岸基发信台较近范围情况下的通信。

当使用短波、超短波、卫星通信手段时，潜艇必须要上浮，至少使通信天线露出水面才能够通信。这种使用方式，不论通信时长多低，都不可避免地存在使潜艇暴露的风险。

当使用水声通信手段时，在近岸、岛屿设置水下声通信发送装置，或者以舰艇作为中转平台，通过舰艇上的水声通信装备发送声信号对潜艇通信，水下潜艇被动接收通信信号时，可以不受水下接收深度的限制，但这种方式也存在较大的不足。首先，近岸、岛屿或者舰艇的水声通信装置不能够实现大范围的通信区域覆盖，不足以实现数百至数千公里的远距离通信的需求。其次，潜艇为了隐蔽，通常只收不发，使得这种通信实质上仅能使用单工方式，潜艇是否收到了岸基的指挥信息不得而知，只有潜艇反馈相应的收报信息才能确认，而潜艇通常不会采用水声通信方式反馈收报情况。

4.2 大深度通信

海洋一般分为四层。第一层是照光层，深度是200 米以内。第二层是弱光层，深度是200-1000 米。第三层是深海层，深度1000-6000 米。第四层是深渊层，深度6000-11000 米及以下。水下航行器通常的使用深度位于照光层和弱光层，做科学研究的深潜器使用深度可达深渊层。

如何在水下航行器航行于大深度时，依旧可以实现对它的通信，这是一个非常困难的问题。通常，深潜器下潜过程中，有辅助船只配合，船只通过电缆和光缆供电和通信，这是采用有线通信的方式。由于船只通常位于深潜器的正上方，船只与深潜器的直线距离与作业海域的最大海深相当，此时也可以采用水声通信的方式，不需要考虑暴露深潜器位置的问题。如果是潜艇、UUV、水下滑翔机等水下航行器单独执行任务，没有辅助船只的配合，深入大洋之中，通过近程水声通信或者有线通信的方式显然不适合。基于电磁波的无线电通信手段，受海水屏蔽作用，穿透海水的深度有限。即便是使用超长波（超低频）的核潜艇，航行深度也通常限于150 米以内。通信天线距离海面的距离更远小于这一深度。能够实现远距离条件下的大深度通信，虽然可以加长通信天线，使潜艇巡航与正常作业深度时实现，但这一方式的前提是通信电缆的抗拉能力必须足够，不会在使用过程中被拉断。同时，潜艇上也要有预留足够的空间保证不使用通信天线时，能够收回天线。但并不是说，满足了这些就足够了。当潜艇释放通信天线后，潜艇必须以一个固定的航向和固定的航速行驶，这样才能保证通信天线保持一个良好的形状，避免天线在潜艇不规则运动时与螺旋桨缠绕，通信天线所承受的拉力也可以保持均匀，但这对潜艇的机动是不利的。通常情况下，在潜艇不收信时，是不会释放通信天线的。不释放通信天线，就不能接收岸上指挥机构的信息。所以对于潜艇来说，它所能接收到的信息非常匮乏。

4.3 高速率通信

根据信息传输的香农定理，我们知道，在高斯白噪声条件下，信道中信息传输的最大速率也就是信道容量。信道容量受信息传输的带宽、信号发射功率、噪声功率三个因素共同影响。通过香农定理，很容易得出一个简单的结论，即信息传输所使用的频率越高，对应的信息传输速率越大。对于潜艇而言，前面所说的超低频、甚低频通信，其通信频率都非常低，自然其通信速率也非常低。在此通信速率下，对潜通信也只能传输一些指令性信息，不适用于传输图像、视频等。而在实际作战时，潜艇也有掌握战场态势的需求，复杂战场态势所对应的信息量是巨大的。基于超低频、甚低频的对潜通信手段，并不能满足这一需求。当水下航行器采用水声通信手段时，水声通信设备可以提供大约数k bit/s 的通信速率。但这一通信方式的达成，是建立在收发双方处于相对近程的基础上。蓝绿激光通信手段目前处于实验阶段，这种手段的通信速率非常高，足以满足语音、图像，甚至视频通信的需求。但是使用这种手段，必须要收发双方都知道对方的准确位置，而且水下航行器航行深度必须要小于200 米，否则激光也不能穿透海水。当潜艇或者其他类型的水下航行器出航执行任务，为了保密的要求，受航行器自身导航定位设备的限制，以及海流的制约，航行器在水下时，并不能准确知道自身的位置。因此，采用蓝绿激光的通信方式，面临的问题不仅仅是技术方面的问题，还有使用方面的问题。

4.4 双向通信

与水下航行器之间的通信，不仅仅局限于单向的信息传输，岸上的指挥中心需要实时掌握水下航行器的状态和位置信息。因此，建立二者之间的双向通信是非常必要的。但是，当水下航行器位于水下一定深度，海水对电磁波具有天然的屏障作用，此时对于水下航行器而言，收发都存在较大的难度。即便是巡航能力和装备配置齐全的潜艇，也仅能做到在一定深度的收信，而在巡航深度是不能实现无线电发信的。目前，水下航行器要想实现双向通信，必须在航行器处于水面状态或接近于水面的潜浮状态，通过将天线伸出水面以上，利用短波、超短波、卫星通信方式，实现从潜艇向岸上指挥中心的发信。此时，通信是双向的。但是，水下航行器处于水下时，通常无法实现对岸通信。

4.5 隐蔽通信

不同的水下航行器，具有不同的通信密级。对于执行一般科学环境研究考察的民用水下航行器，其通信内容通常不涉密。但对于水下滑翔机、潜艇等装备，其涉密程度高，通信内容也应严格保密。在岸基指挥机构和这些装备之间必须要实现信号级和信息级的保密，这就要求水下装备收发信号应严格保密，信号的内容应做加密处理。一旦信号收发泄露，敌方就可以通过多基阵交叉定位的方式，确定信号的发射位置，从而对己方潜艇等装备构成威胁[10]。

当潜艇采用超长波通信手段时，巡航深度大约在百米左右，通信天线在海水中悬浮，末端深度大致约十米左右。这时，通信天线在日间容易被敌方的侦查卫星截获。当潜艇采用甚长波通信手段时，巡航深度大约五十米左右，通信天线深度小于采用超长波通信时天线的深度，因此，这时通信天线更容易暴露。不仅如此，由于潜艇深度不深，对于远海，在日光良好的情况下，极有可能被敌方卫星观察到。潜艇航行过程中会引起尾流，潜艇的尾流与舰艇尾流形状不同，可以通过尾流的方式判断是否为潜艇，潜艇航行深度越浅，尾流越明显。

当潜艇采用短波、超短波、微波通信时，潜艇必须上浮至少至潜望状态，此时不论是白天还是晚上，被敌方侦查飞机、侦查卫星、岸上侦查设备截获的可能性都非常大，既存在无线电信号暴露的风险，同时也存在潜艇的视觉特征和红外特征暴露的风险，所以这时的隐蔽性很难保障。

当潜艇采用水声通信手段时，保持潜艇隐蔽性这一问题就更为突出。通常潜艇为了隐蔽，并不主动发射声信号，而是会采取各种各样的手段，尽量避免自身机械设备以及人员产生噪声，从而保证在水下时，不被敌方的主动声纳或被动声纳检测到。除非能够确认自身的安全性，否则不会使用这一手段。当潜艇和舰艇、航母等构成编队出航，由于水面舰艇能够保障水面以上的安全性，此时水声通信手段才是可选的方式。

当使用蓝绿激光通信手段时，在白天，这种光源通过视觉很难发现，但是在夜晚，蓝绿激光会从海面至天空，在收发两端之间产生非常明显的光柱，很显然这种通信方式不可避免地会产生暴露水下航行器位置的问题。

4.6 实时通信

战场环境、战场态势瞬息万变，对水下装备的指挥控制需要靠实时的通信才能达成，时效性是通信必须满足的基本要求。而这一要求对于水下通信而言，具有较大的难度。对于潜艇来说，当潜艇出航执行作战任务，通常与岸上指挥机构之间会约定收信的时间，以便提前释放通信天线，在水下接收岸上指挥机构的指令信息，除非必要，不会上浮回信。这种通信方式，决定了潜艇作为战略性武器，考虑到隐蔽性和安全性，不能够做到实时接收岸上指挥机构的信息。岸上指挥机构和潜艇能够实现实时通信，基本上是潜艇处于潜望状态或水面航行状态，短波、超短波、卫星通信等天线设备露出水面，可以依靠这些通信手段实现双向实时通信。当采用水声通信手段时，只能是潜艇通信设备和岸基、岛基或船基水声通信设备能同时相互覆盖，才能实现双向水声通信，但此时潜艇位置有暴露的风险。

5 结束语

本文全面梳理了水下通信所涉及的装备、设备，以及水下通信的四种技术，即有线通信、水声通信、无线电通信和光通信。从技术应用层次出发，分析了依靠这些水下通信技术实现远距离、大深度、高速率、双向、隐蔽、实时的难点。水下信息传输体系和水下探测体系的发展完善与水下通信技术息息相关，技术的进步对于军事领域和民用领域的应用起到重要的推动作用。