摘要：简介：中国在水下潜艇水声传输领域实现里程碑式突破，30公里距离以4000比特每秒速率完成零误传通信，超越美国北约纪录。本文揭秘水声传输原理、国际技术困局及中国突破如何为无人潜航器编队作战开辟新可能。

简介：中国在水下潜艇水声传输领域实现里程碑式突破，30公里距离以4000比特每秒速率完成零误传通信，超越美国北约纪录。本文揭秘水声传输原理、国际技术困局及中国突破如何为无人潜航器编队作战开辟新可能。

深海千米之下，一艘船舶正在向30公里外的水下目标发送信息。没有无线电波的踪影，只有声波在海水中穿梭——这不是科幻场景，而是中国科学家完成的水下潜艇水声传输实验。实验中，他们在水下1000米布置水声水听器，用4千到8千兆赫的频率发送信息，速率达到4000比特每秒，还实现了零误传。这组数据背后，是中国在水下通信领域对美国和北约保持的28公里纪录的超越，更是一场改写水下作战规则的技术革命。

为什么水下通信要抛弃无线电波选择声波？这得从电磁波和声波在水中的“待遇”说起。无线电波进了海水就像遇到天敌，频率1GHz的无线电波在海水中每米衰减约80dB，能量直接降到百万分之一，连几厘米深度都穿不透。就算是极低频无线电波，也只能穿透10到20米海水，还只能传点简单指令，想传语音数据根本不可能。可声波在水里就不一样了，虽然传播速度约1500米/秒，比电磁波的30万公里/秒慢太多，但胜在衰减少。低频声波能传数千公里，中高频声波在数十公里范围内也能派上用场，用较小功率就能实现远距离传输，这对需要隐蔽的潜艇来说再合适不过。

中国这次实验的突破关键在哪？在于把极化码和OFDM调制技术结合起来改进了信号编码方式。打个比方，这就像给声波信息修了条更顺畅的“高速公路”。以前美国和北约在28公里距离的通信，没说速率是多少，可咱们在30公里距离不仅距离更远，还做到了4000比特每秒的速率还零误传，这就是实打实的技术跨越。

4000比特每秒的速率在水下算快吗？要是跟陆地4G网络数十Mbps的速率比，确实有差距。1Mbps等于1000kbps，4000比特每秒也就是4kbps，换算成字节的话，每秒能传约500字节。这大概是什么概念呢？就像对讲机说话的音质，传点简单文字指令、低分辨率图像没问题。可要是想传高清视频、大规模数据文件，这速率就不够用了。但在水下通信里，这已经是相当不错的成绩了。要知道，水下通信天生就有“短板”，声波传播速度慢，信号带宽还受限，能在30公里距离做到这样，对无人潜航器编队指挥、水下传感器数据回传这些场景来说，已经能满足基础需求了。

国际上为了攻克水下潜艇通信难题，试过不少办法。先说水下通信方式，主流的是水声通信，分主动声呐通信和被动声呐监听。主动声呐就是自己发射声波信号让对方接收，像咱们这次实验用的就是这种；被动声呐则是只听不发，靠接收环境里的声波来侦察，可没法主动通信。另一种是极低频无线电通信，发射30到300Hz的极低频无线电波，能穿透10到20米海水，不过只能传点简单的数字信号，而且发射天线规模特别大，美国威斯康星州的ELF天线阵列占地好几平方公里呢。

跨介质通信手段也有不少。浮标天线通信是潜艇释放带天线的浮标到水面，通过短波、超短波或卫星通信，能传速率较高的数据，可浮标容易被敌方发现，安全性不高。卫星通信有两种方式，一种是潜艇上浮到水面用卫星电话，风险太大；另一种是在较浅深度拖曳细长天线，能达到数十kbps的速率，但天线长度会限制潜艇机动性，还得依赖卫星覆盖，深潜的时候用不了。光纤通信是铺设海底光缆连接潜艇和岸上基站，速率高、延迟低，可铺设成本极高，还只能在固定路线用，没法满足潜艇机动需求，一般就在基地附近用。

还有一些在实验阶段的技术，像蓝绿激光通信，利用450到550nm波长的蓝绿色激光在水中衰减相对小的特点来传输，美国和欧盟做过实验，能在数十米深度达到Mbps级速率，可受海水透明度影响大，还得精确对准，实用性还得验证。磁异通信则是通过改变局部磁场的微小变化来传递信号，还在实验室阶段，传输距离和速率都有限。

说了这么多，水下潜艇水声传输到底是怎么个过程呢？其实就是“电-声-电”的转换。信号生成发射阶段，先把要传的信息转化成数字信号，通过编码算法调制为特定波形的电信号，比如用不同频率代表“1”和“0”，然后把电信号输入水声换能器，通过压电效应或磁致伸缩效应，把电信号变成机械振动，在水中激发出声波。

声波在水中传播时，速度约1500米/秒，路径会受海水温度、盐度、压力和海底地形影响，发生折射、反射和散射。在1000米左右深度，还有深海声道效应，能让声波传得更远。不过传播过程中也会遇到干扰和损耗，海洋噪声、多径效应和吸收衰减都会让信号质量下降。

到了接收处理阶段，水听器捕捉到声波振动，转换成电信号，再经过放大、滤波，通过解调算法还原成数字信号。要是信号受干扰了，就用纠错编码恢复原始信息，最后把解码后的数字信号转化成指令或数据，完成通信。举个例子，A潜艇要给B潜艇发信息，先选好频段，把信息编码成声波信号，定向发射出去，声波传10公里大概需要6.7秒，B潜艇接收后解调解码，要是需要回应，就按同样流程反过来操作。

当然，水下水声传输还有不少技术难点，像速率低，通常就是kbps级别，多径干扰严重，还有隐蔽性问题，声波容易被敌方监听。不过现在也有优化手段，在信号处理上用自适应滤波、分集接收技术减少多径失真；编码优化上用更高效的调制方式提升速率；还能模仿鲸鱼、海豚的声波通信模式，降低被探测的概率。

中国这次的突破，不只是把通信距离从28公里提到30公里，更重要的是为未来水下作战体系打开了新可能。随着无人潜航器在现代海战里的作用越来越重要，可靠的远程水下通信是协同作战的关键。30公里的通信距离，让无人潜航器编队作战有了更多可能性。而且这技术不只用在军事上，海洋探测等民用领域也能受益。虽然现在4000比特每秒的速率还有提升空间，但这已经是朝着深海通信自由迈出的一大步。未来，随着量子声学、智能信号处理等技术的发展，说不定咱们真能看到潜艇在深海里“畅快聊天”的那一天。

来源：悠闲的治水大禹