未来水下作战,如何在水下保持与外界“飞鸿传书”

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发布时间:2019-03-01 09:39

制图:贺逸舒

  浩瀚的“龙宫”虽然神奇,但如何在水下保持与外界的“飞鸿传书”,依旧是一道尚未完全攻破的世界性难题。除了把低频电磁波、声波和光波作为主要水下信息通信载体外,美国麻省理工学院的研究人员日前推出了一套“平移声学-射频通信”系统,通过综合运用声呐和雷达技术,试图实现潜艇等“深海巨兽”与水面舰艇乃至飞机、卫星之间的高速通信。

  长期以来,制约水下作战的重要因素,就是无法建立起水下通信的“信息高速路”。信息化战争战场态势瞬息万变,战机稍纵即逝,只有建立高效稳定的水下通信系统,才能充分挖掘出水下作战的巨大潜能。尤其是伴随着军事物联网的快速发展,未来水下作战对潜艇、无人潜航器等战场节点的网络通信提出了新的更高要求,推动着人们对于水下通信技术不断进行研究探索。

  探秘“龙宫”—

  电磁波通信成了“旱鸭子”

  水下通信一般是指水上实体与潜艇、无人潜航器等水下目标的通信或水下目标之间的通信。由于海洋环境中各种复杂因素的存在,使得水下通信一直滞后于地面、空中和空间通信的发展,也成为制约信息化战场水下作战战力提升的瓶颈。

  说起通信,人们广泛使用的电磁波在水下衰减很快,穿透海水传输数据的能力相对薄弱,是个不折不扣的“旱鸭子”。譬如,我们把手机用防水袋包裹好放入水中,信号就会大幅度衰减,这就是电磁波在水中传输能力的简单验证。

  给航行在大洋深处的潜艇发一封电报,要多久?现有的技术水平大概是30分钟。目前,世界各国广泛使用的通信方式,主要是甚低频和超低频等长波通信手段。日本是最早实现甚低频技术实用化的国家,早在1929年就建成了佐佐美通信站。第二次世界大战期间,德国和英国海军也相继建成了甚低频通信站。从20世纪50年代开始,伴随着弹道导弹潜艇的诞生,利用超低频率电磁波面向全球传播的超低频通信方案应运而生,为潜艇远洋隐蔽通信立下了汗马功劳。从1985年起,美国先后多次完成超低频通信试验,各军事强国也加大了对超低频通信系统的研究。

  即便是目前相对较为成熟的超低频通信系统,也只能穿透100米深的海水,且系统传输速率慢、造价昂贵,限制了长波通信的进一步发展。当长波手段用于对潜通信时,需要超大功率的无线电发射机和大尺寸天线,空间使用“寸土寸金”的潜艇只能配备通信接收机,也就意味着在水下的潜艇只能“听”。如果潜艇需要向岸上发报,就必须上浮或者施放通信浮标。承担水下“潜伏”任务的潜艇,如果时不时露出水面获取信号,极易将自身暴露在先进反潜技术面前。如果不能实现高效稳定的水下通信,根本不知道对手在哪里的潜艇只能蹲守在海里“碰碰运气”,甚至还会严重贻误战机。

  此外,水下长波通信虽然能实现长距离通信,但信号发射台往往体型巨大,抗毁能力差。美国1986年建成并投入使用的超长波电台天线横亘135千米。对此,美国国防部高级研究计划局还专门开展了“机械天线”项目研究,旨在为长波通信找寻更加小型化的信号发射装置。

  声光变换—

  驶入水下通信“高速路”

  为充分弥补水下通信的技术短板,美、日、俄等国一直致力于水下通信技术的研发,在水声通信、蓝绿激光水下通信等领域相继取得突破性进展。

  声波在水下传输的信号衰减小,传输距离远,使用范围可从几百米延伸至几十公里,因而成为水中信息传输的主要载体。目前,水声通信已经成为较为成熟的水下通信手段,美军使用的水声通信设备传输距离可达数千米。近年来,研究人员还在编码技术、信道均衡技术、纠错及安全传输方面取得重大进展,进一步推动了水声通信技术的快速发展。

  水声通信主要存在着传输速率相对较低、传输距离不能满足战场需求等问题。2017年5月,韩国研究人员成功实现了水深100米、通信距离30千米的水声通信试验,将现有水声通信手段的传输距离提高了2倍以上。随后,美国研究人员借助螺旋声波多路复用技术,验证了声波信号高效并行传输的技术可行性,使通信速率提高了8倍,为破解远距离水声通信速率低等难题提供了新的解决方案。

  要想开启水下通信的“高速路”,还可以从激光身上找寻灵感。20世纪70年代初,美国研究人员率先发现了蓝绿色这一“海水窗口”,蓝绿激光水下通信利用的就是波长450-530纳米的蓝绿色光。研究表明,潜艇在水下700米深仍可接收到蓝绿激光信号。

  蓝绿激光水下通信具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好、抗截获和抗核辐射能力好等诸多优点,相当于为水下游弋的潜艇戴上了通信“助听器”。自从美国海军提出“卫星-潜艇”通信可行性研究后,蓝绿激光水下通信迅速成为美国的战略性研究计划,目前美国已基本完成了蓝绿激光水下通信的相关试验。

  美国海军研究人员正计划使用蓝绿激光,实现飞机与潜艇的全双工通信。英国工程师在此前发布的未来潜艇概念图中,也明确提出将利用激光开展集群通信。2017年,日本国立海洋研究开发机构在日本防卫省的支持下,成功实现了水深800米移动物体间的蓝绿激光无线通信,通信速率达到可实时传输视频画面水平。

  组网互联—

  探寻未来通信的“颠覆者”

  当前,随着无人化与智能化装备的快速发展,找寻到足以支撑起复杂战场态势信息实时传输的水下通信技术成为当务之急。长波通信、水声通信、蓝绿激光水下通信依旧存在短板,复杂战场信息传输对水下传输速率提出了更高要求。同时,水声通信和蓝绿激光水下通信等方式容易暴露自身目标,人们还必须进一步探寻未来水下通信领域的“颠覆者”。

  美国麻省理工学院的研究人员推出的“平移声学-射频通信”系统,主要利用水下发射器发送声呐信号,振动信号被雷达接收后,将转换成数字信息。这一系统的原理看似并不复杂,但要在波浪的巨大干扰中识别出微小的声波振幅,依旧需要复杂算法的有力支撑。美国国防部高级研究计划局于2015年正式启动“水下战术网络体系结构”项目,计划借助光缆建成水下通信中继系统。代表着攻击型核潜艇发展趋势的美国海军“弗吉尼亚”级核潜艇则专门配备了光电桅杆,通过光电传感器对外通信。

  近年来得到快速发展的量子通信,也为水下通信提供了新的技术思路。量子通信的传输机制不受海洋环境、海洋生物等干扰因素影响,传输速率远远高于长波通信和水声通信等技术手段。此前,研究人员就成功实现了海水量子通信实验,为量子通信技术上天、入地、下海增添了浓墨重彩的一笔。英国科学家还研发出了“量子罗盘”,不仅能使潜艇摆脱数据通信和精确导航之困,更将有效提升潜艇和无人潜航器的水下攻击和联合作战能力。

  此外,磁感应通信也是一种新型通信手段。它以磁场作为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,兼顾了光通信与电磁波通信的优势,在水下通信时信号延迟几乎可以忽略,且通信距离长、数据传输速率高。在美国国防部高级研究计划局的支持下,美国研究人员已经初步实现实验室环境下的水下磁感应通信。

  未来,水下通信将向着组网互联方向加速发展。美国海军研究总署已经推出了“水下自治采样网络”,美国海军的“海洋万维网”系统和欧洲的系列化水声通信网络计划等相继取得阶段性成果。伴随着水下通信技术的发展,未来可通过综合运用各种水下通信手段,为潜艇、无人潜航器、传感器等搭建起水下联合作战网络,并与水上作战网络实现联网互通,或将进一步助推水下作战整体战力的提升。(张瑷敏 ?凡)  

(责编:刘金波(实习生)、芈金)

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