蛙人水下通信技术现状与发展趋势

王南

（海装驻杭州地区军事代表室，杭州，310023）

当前，海洋军事斗争日益复杂化，水下特种作战在未来海战中的作用进一步增强。蛙人部队作为海军战斗序列的“尖刀”兵种，是近岸港口、岛礁、军事要地执行渗透、侦察和破坏任务的主角，肩负极其隐蔽和危险的任务。蛙人部队能“以小博大”、“以弱击强”地取得骄人战绩，其中协同作战的信息传输技术十分关键[1]。由于蛙人在水下往往不能建立目视或语言接触，受限于海水能见度，战术手势的传讯距离十分有限。早期蛙人采用最为原始的时间协同方式，严重制约协同作战效能。随着技术发展，蛙人通过水下通信技术进行战术协同，从而大幅提升蛙人编队的整体作战能力。

目前蛙人水下通信技术发展了多个类型。按照信息传输介质划分，蛙人水下通信可分成水下激光通信和水下声通信两类。水下激光通信[2]速率很高，但海水对光吸收衰减很大，导致传输距离近，且激光通信对指向性要求较高，需要收发双方严格控制通信的方向，才能达到好的通信效果。水下声通信的传输距离较远[3]，考虑水声通信机的便携性，通信频率为几十 kHz，该频率的换能器较容易设计为水平全向或垂直具有一定波束开角的指向性。就通信信号覆盖范围而言，水下声通信比激光通信具有明显优势。按照信息传输业务类型划分，蛙人水下通信可分成水下语音通信和指令通信。语音通信是人类最自然和最便捷的信息交互方式，也是最常用的蛙人通信方式。指令通信通常用于指挥平台对蛙人单工指令传输，实现指战员对水下蛙人下达作战指令的功能，蛙人携带的水声通信机很少具有指令发信功能，一般蛙人间采用语音通信进行信息交互。

1 技术研究现状

国内外对蛙人水下通信技术开展了大量研究，由于水下声传播距离远大于光传播，蛙人水声通信技术一直为研究的热点，其中水声语音通信技术研究起步早，应用最广，指令通信在某些特殊场合作为语音通信的补充，也获得研究者的一定关注。

1.1 蛙人水声语音通信

国外对蛙人水下通信的研究较早，主要从模拟调制和数字调制的水声语音通信技术两方面展开。水声模拟语音通信技术较数字语音通信技术成熟，并形成了谱系化装备。该技术利用听觉的抗掩蔽效应，可以从严重的掩蔽噪声下，选择想要听的声音，在信噪比只有0 dB时，人耳仍能保持一定的语言可懂度。此外，人耳对原声和回声的反应时间为0.1 s左右，浅海水声信道多途扩展通常为几十ms量级，多途效应对语音通信质量影响也较小。模拟语音通信制式有调幅、调频、双边带调制和单边带调制等几类，其中单边带调制占用带宽最小，当发射机功率一定时，可获得最大的功率增益。由于水声信道带宽受限和水下能源有限，单边带调制技术较为适用水下通信应用场合，最早用于对潜通信，典型的有美国的AN/WQC-2A、英国的G732MKII和俄罗斯的“沙拉达”潜艇通信声呐，这些声呐在几kHz附近工作，声源级200 dB以上，语音通信距离可达几十至上百km。

随着水下特种作战在局部战争的大量使用，蛙人水声语音通信技术得到快速发展。上世纪 70年代，美国成功研制了蛙人语音通信装备，采用模拟单边带调制，实现可听清70%内容的语音通信[4]。随后日本、俄罗斯、加拿大也相继开始进行蛙人通信装备研制。典型的有美国OTS公司的SSB系列产品，具备小巧轻便、低功耗等特点，具有多达 8个通话频道，工作频率范围25～33 kHz，通信距离最远3000 m。经过多年持续发展，OTS公司在2020年又推出了新一代的 3000D/5000D/6000D系列产品，如图1所示，其中的军用版本发射功率70 W，最远通信距离达6000 m，具有语音通信加密功能，装备于美国海军海豹突击队。民用产品广泛用于潜水训练、专业搜救和打捞作业，发射功率25～35 W，最远通信距离达5000 m。加拿大Dive Link公司也推出类似蛙人水下语音通信产品，如图2所示。该公司产品涵盖了蛙人通信中继浮标，用于拓展蛙人水下作业范围，表1给出这些蛙人水声语音通信装备的性能参数。在蛙人保密水声语音通信方面，出于军事竞争和保密需要，国外对该技术进行严格封锁，很少对外公布有关资料。

图1 OTS公司的水下语音通信产品

图2 Dive Link公司的水下语音通信产品

表1 国外蛙人水下语音通信产品性能

上世纪末，数字水声通信技术取得长足进步[5]，水声语音通信技术研究由模拟式逐步转入数字式。由于水声信道的带宽受限和传输条件复杂，高速率水声通信的误码率较高，因此数字水声语音通信往往结合了语音压缩技术，通过语音信源压缩编码降低语音通信速率，从而降低复杂水声信道下语音通信的误码率。英国Bryan Woodward大学研制的“话音通信系统”，采用数字脉冲移位调制技术和线性预测编码的语音压缩技术[6]，以2.4 kbps通信速率，实现蛙人高清晰通话。法国研制的CELP试验系统采用4-DPSK调制方式，结合基于线性最小均方误差的判决反馈均衡器，传输速率为6 kbps，实现数字语音通信。目前，水声数字语音通信技术还在持续不断的发展中。

二十世纪 90年代中后期，我国进行了水声语音通信技术研究，主要包括模拟单边带/正交频分复用 OFDM/正交相移键控 QPSK等调制、语音压缩编码、信道编码和信道均衡等技术，并开展了水声语音通信样机研制。哈尔滨工程大学采用QPSK调制方式，结合语音压缩编码和自适应均衡技术，进行了语音通信的湖试，实现高清晰语音通话。中科院声学所采用单边带调制技术研制的水声通信系统，装备到了我国自主研发的深海载人潜水器“蛟龙号”上，实现了“蛟龙号”与母船之间水声语音通信。中国船舶第七一五研究所研制的蛙人水声语音通信样机，最大工作深度60 m，良好水文条件时，在海湾内通信距离达到2000 m。中电三所研制的水下语音通信样机，3级海况以下，通话距离达1500 m。国内其他科研单位，如厦门大学、西北工业大学、苏州桑泰科技有限公司等，都在此技术领域开展了深入研究，并取得相当丰富的研究成果。

1.2 蛙人水声指令通信

在水下40 m深度，由于呼吸高压氦氧混合气体，蛙人话音发生很大变化，清晰度比浅潜时明显降低，语音通信效果变得很差，水声指令通信可作为蛙人通信重要补充。指令通信持续时间比语音通信短，容易形成猝发式通信，在隐蔽性和抗截获性方面优于语音通信，因此蛙人指令通信技术也逐渐成为重点研究的技术。

由于指令通信的速率较低，误码率也较低。其关键问题不在于水声通信本身，而在于蛙人水下行动受限条件下如何便捷快速产生指令。近年来，随着人工智能技术的迅猛发展，国外一些机构开始研究基于手势识别的蛙人指令通信技术。该技术主要通过智能穿戴手套的手势产生指令，可解决蛙人水下产生指令的难题。美军特种作战司令部为海豹突击队建立战术优势，研制了水下小型数字式智能手套通信设备。这将成为蛙人水下通信有军事价值的一项新兴技术。

在智能手势识别技术研究方面，美国麻省理工大学使用三轴加速计设计了一个可穿戴在手指上的数据采集和识别系统，采用基于预分类的改进型隐马尔科夫算法作为分类器，16个手势动作的平均识别率为85%。加拿大西蒙大学基于表面肌肉电信号和陀螺仪识别技术，通过8通道电极片紧贴皮肤表面，结合陀螺仪测量手臂空间移动动作数据，实现6个动态手势识别[7]，但8通道电极片必须紧贴在特定手臂皮肤表面，舒适度较低，不适合水下环境。总的来说，智能手套的舒适性有待提高，距离实际应用还有改进空间。为此，德国慕尼黑工业大学利用基于机器视觉的图像识别技术开发了水下手势识别系统[8]，并首次开展了水下测试，达到94.81%的识别率，该技术有望为蛙人指令通信提供新的技术途径。

图3 慕尼黑大学水下手势识别测试

在国内，中电大宇卫星应用技术研究所采用人工智能手势识别算法和微传感器技术，研制了用于手势识别的手套装置，重量150 g，可识别30个以上手势。

2 关键技术

蛙人活动水域为海湾、港口和岛礁，这些水域的信道传输条件异常复杂，存在高噪声背景、严重的多途与多普勒效应，并具有时-空-频变特性，蛙人水声通信主要问题在于复杂信道条件及噪声干扰问题。对于军事通信，通信隐蔽性和保密性也是重点考虑的问题。

2.1 多模自适应水声通信技术

针对复杂水域的信道条件，可采用多模水声通信技术。多模通信技术旨在通过多模式的编码调制和自适应接收机算法来匹配不同尺度变化的水声信道，从而提高通信可靠性和环境适应性。水声语音通信可兼容模拟单边带通信和数字相干通信模式。信道多途扩展较大时，一般相干通信的信道均衡器收敛困难，此时选择模拟单边带通信技术；多途扩展较小时，选择数字相干通信技术，通过自适应信道估计与跟踪、信道均衡与译码迭代接收处理，降低数字通信的误码率，提高语音通信的质量。

2.2 隐蔽、保密水声通信技术

蛙人水声指令通信由于速率低，通过采用扩频通信技术比较容易保证水声通信的隐蔽性和保密性。对于保密水声语音通信，需要重点突破保密语音通信体制设计、密钥产生与传输等关键技术。水声保密语音通信体制应具备加密语音的剩余可懂度低、密钥空间大和对水声信道不敏感等特点。密钥作为保密通信的第二道关卡，在保密通信技术中发挥举足轻重的作用。密钥设计可充分利用蛙人水下语言交流时具有较多和较长语音间隙的特点，采用话音激活检测技术，在话音间隙插入密钥信号，形成“一句一钥”的密钥机制，这将大幅提升破译难度。密钥信号的传输可采用扩频通信方式。

2.3 蛙人呼吸噪声抑制技术

除海洋环境背景噪声之外，蛙人在密闭面罩内呼吸会产生很大的呼吸声和气泡声。这些声音会被水声通信机的换能器拾取，作为强噪声干扰影响水下通话质量。可从两个方面来减轻噪声对通话质量影响：其一，结合换能器信号前置预滤波器设计和自适应噪声干扰抵消技术，提高通信信噪比；其二，研究密闭面罩环境的语音增强技术，从而提高语音恢复的清晰度。

3 发展趋势

未来海战将演化成联合各军兵种的信息化、网络化和智能化的高科技战争。蛙人水下特种作战也将从重视单兵作战素养逐步转向提升编队综合作战能力方向发展，这对蛙人水下信息传输提出新的要求，发展蛙人水下通信技术已经成为一种趋势。

3.1 蛙人水下隐蔽、保密通信技术发展

水下探测技术日益精进，探测蛙人的能力不断提升，给蛙人水下活动的隐蔽性带来巨大挑战。反蛙人声呐是蛙人探测的利器，水声语音通信作为主动声源，在反蛙人声呐面前，蛙人将无处遁形，尤其是模拟水声语音通信，还存在易窃听的突出问题。为满足蛙人作战的隐蔽性，未来必将强化蛙人水下隐蔽、保密通信技术研究，综合采用信源加密、保密通信体制以及低截获的水声通信等多种技术，提高蛙人水下信息传输的隐蔽性和安全性。

3.2 蛙人水下通信装备向智能化发展

单兵装备数字化、智能化是士兵从事信息化战争的必然趋势。应用智能穿戴技术设计出的智能手套、腕表、头盔等与蛙人水下通信机将有机整合，形成一体化、智能化信息终端，打破分立装备的自身局限，拓展蛙人在水下的身体机能。这将大幅提升蛙人单兵信息感知、获取和传输能力。智能手套将手势指令化，指令通过水声通信远距离传输，指令语音化，进一步基于人工智能的语义分割技术，可形成一种比手势指令通信更为有效的手语通信技术，将有效提升蛙人水下信息传输的技术水平。智能腕表将获取蛙人心率、血氧、血压等生命体征数据，智能头盔的声光传感器实时感知战场的环境信息。这些信息通过水声通信共享至编队每个成员，使蛙人及时掌握作战态势，也将大幅提高协同化作战水平。

3.3 蛙人水下网络通信技术发展

随着水下无人装备快速发展，无人装备在执行“枯燥、恶劣、危险、纵深”等作战任务的效果显著，无人系统通过联合、集群作战模式，并与有人装备形成特异化的对抗样式，互为补充，提升体系作战能力。蛙人水下协同作战从有人编队逐渐延伸至无人集群系统将成为必然趋势，目前大部分蛙人水下通信为点对点方式，还未形成网络的高效信息传输，限制了信息传输范围，因此蛙人编队与无人系统的水下网络通信技术也将成为未来研究重点。

4 结语

本文通过对国内外蛙人水下通信技术研究现状的梳理与分析，表明目前在该技术领域还存在一些待攻克的难题，提出了其中要研究的关键技术，结合当前人工智能和网络技术的进展，给出了蛙人水下通信技术的研究方向与发展趋势，对促进我国在此技术领域的发展具有参考价值。随着该技术不断发展与完善，必定将给我国蛙人水下特种作战能力提升提供有力的信息保障。