衛星、聲波、二進制……水下通信究竟有哪些可能?

隨著海洋在各國規劃和發展中越來越占據重要的戰略地位,關于海洋探索的技術也將不斷更新和迭代。

盡管目前對無線電通信的發明人,業界還有所爭議。但不可否認的是,無線電通信確實極大地改變了我們的世界。從之前的車馬郵差到現在的千里傳音,世界正因此而越來越成為一個小小的村莊。

而且,人類還在不斷地擴展著無線通信的范圍。從開始的只有樓上樓下的距離,到現在的地面與太空的距離,甚至我們還在向宇宙深處發射人類信號。無線通信正在成為人類探索宇宙深空的有力工具。

然而,盡管無線通信的觸角已經伸向了外太空,但對地球本身的某些區域而言,它又似乎并沒有達到理想的預期值。比如要想在水中獲得和地面、太空中相似的無線通信效果,難度就很不小。

自帶天線的水下通信“遠古時代”

對人類來說,水下的信號傳播主要集中在海洋里。

與空氣相比,水體對雖然也能進行進行信號傳播,但由于在這個過程中信號會由于水的阻擋、吸收等作用而變得微弱乃至消失。這就令無線信號在水中的呈現出傳播速度慢、通信距離短的特征。

但作為在海底活動最為頻繁的潛艇來說,難道因為無線信號傳輸太難就要一年半載地保持沉默嗎?至少從信息價值的角度來說,半年入港更新一次信息未免黃花菜都涼了。因此,為了應付潛艇的通信,專家們也是想了很多辦法。

1. 自帶天線。既然無線通信不靠譜,那我給弄根線不就完了嗎?上個世紀的很多潛艇頂部都會安裝幾根天線,在需要向外界傳播信息的時候上浮潛艇,將天線送到離海面很近或者完全露出海面,然后再完成發報任務。另外,有的潛艇會采用放出來一個漂浮物,利用上面的天線進行短波通信。

相信即便是對通信技術零接觸的朋友也能讀出來:潛艇就是為了出其不意地進行水下打擊,這樣公開暴露出天線或者漂浮物,那不就明擺著給敵人一個活靶子?所以,這招緊急情況下用用可以,如果頻繁地暴露,估計離被擊沉也不遠了。

2. 長波通信。由于短波的頻率較高,其在水中的衰減也就愈甚。那么,潛艇在通信的時候采用長波就成為了比較可行的辦法之一。長波的優勢是其可以深入到水中20米左右的深度,而經過一系列的配套設施建設,長波的通信距離可達上千公里、深度超過百米。這樣對潛艇在通信時保持安全性是有很大的作用的。

但長波也有長波的問題。要想實現上千公里的潛艇通信,對發信設施的要求是非常高的。一般的長波通信天線可長達數百米,而美國為了進行超長波通信,建設了兩個距離超過200公里的發信基站,天線總長達到了135公里。這個長波電臺的輻射范圍約7000-8000公里,深度達到110,可以說是相當強悍了。

那么,陸地有條件建設這種東西給潛艇發信號,但要想讓潛艇也這么做,看起來顯然是不現實的。一邊游弋一邊拖個幾百米的大尾巴,怎么想怎么覺得太滑稽。

這種聽起來原始而麻煩的水中通信解決方案,正體現了水下通信的難度。但技術不能總是原地徘徊,在各種需求不斷提升過程中,水下通信的方案也越來越多地被提了出來。

從衛星到二進制:為了更迅捷的水下通信

1977年,美國為了應對潛艇通信問題,提出了以衛星和藍綠激光為手段的技術方案。

藍綠光通信屬于激光通信的一種,而海水對這種藍綠波段的可見光吸收是很小的,因此藍綠光在海水中具有極強的穿透力。不僅如此,藍綠光對產生極端天氣的云層等都有很強的穿透力,再加上光束的方向確定性,其成為了海洋激光通信的絕佳載體。

美國海軍提出的計劃就是,在確定潛艇位置之后,利用衛星向其發送藍綠光,由此建立起潛艇、衛星、指揮中樞三位一體的通信結構。并且,為了不占用原有的微型資源,其還要向太空中發射專用的藍綠光通信衛星。然而該計劃在八九十年代興起了一陣之后,漸漸沒有了聲息。或許我們可以將其看做冷戰期間技術比拼的產物,因此隨著冷戰的結束,軍事威脅降低,發射衛星這么大的動作也就被暫時擱置了。

激光之外,傳遞聲信號也是一項各個國家非常重視的技術,這就是水聲通信。

利用聲波傳遞信號,應對的就是無線信號在水中傳播不暢的問題。將文字、語音、圖像等信息進行電信號到聲信號的處理,然后通過水來傳播到目標上的接收器;接收器在接受到聲信號之后,進行反向處理,然后得到原始的語音、文字、圖像等資料。

聲信號的優勢就是其衰減的速度要遠遠小于無線信號,也就具備了遠程傳播的能力。但問題在于,雖然占據了里程優勢,聲信號傳播的速率卻還是值得進一步提升的,比如傳遞的速度太慢。而隨著各國對海洋探測的重視,水聲通信技術也將成為下一個搶占的技術領先點。

而最近麻省理工新開發的一項無線系統,則有可能對海洋通信產生新的積極影響。

研究人員們利用一個水下聲吶發射裝置向水面發送聲波信號,在水面的時候產生與二進制數據傳輸的“0和1”相對應的微小振動。再利用一個接收器對這些二進制振動進行信息解讀,然后就可以達到信息還原的目的。當然,這個接收器必須要特別敏感,否則發現不了信號也是白搭。

這種方法簡單來說就類似于海底設備在海面上敲了個暗語,然后接收器給分析了出來。那么,當風平浪靜的時候,接收器或許還能看得出是什么字;那如果巨浪滔天的話,可能就比較麻煩了。

事實上,研究人員也正在向這方面努力,將海面波浪的影響降到最低。如果技術成熟的話,其產生的價值也是很值得期待的。

通信或是未來海洋探測的先行軍

我們上面的許多水中通信技術的立足點都是基于潛艇的,由此可見,將來有一天海底通信能像陸地的無線通信這樣質量高、速度快、保密性強的話,潛艇將是第一個受益者。但這并不意味著水中通信技術僅限于潛艇的使用。

比如以下幾個應用從場景。

1. 黑匣子尋找。黑匣子作為調查分析飛機失事原因的重要記錄,在設計的時候自然也融入了很多技術以方便搜索。比如匣體被設計為反光材料以便于在陸地尋找,定位信標則主要主要是通過發出超聲波來方便探測,而且只能在1600-3000米的范圍內被檢測到,其中還會受到海洋障礙物的諸多影響。如果在電池用盡之后仍然找不到,可能事故的原因將隨著黑匣子一起永遠埋在海底了。

如果將通信技術移植到黑匣子的身上,在其進入海中的時候自動啟動發射信號的功能,將會大大方便外界探測和接收信號,從而迅速查明事故原因,盡快避免類似情況的發生。

2. 水下機器人研發。目前,越來越多的海洋勘探、海洋考古任務開始使用水下機器人進行功作業。由于通信技術的限制,很多情況下只能在機器人出水之后對資料進行分析處理,局限性很大。水中通信技術的加載可以實現機器人對水底情況的實時反饋,從而對探測內容作出相應的調整。

可以預期的是,隨著海洋在各國規劃和發展中越來越占據重要的戰略地位,關于海洋探索的技術也將不斷更新和迭代。又因海洋資源集中在海底,海底通信技術也成為解決一切問題的前提。在這種需求與競爭之下,水中通信也許即將在不遠的未來產生令人期待的突破。

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