水下无人潜航器无线通信技术研究

1 引言

随着海洋开发的不断深入，各型无人潜航器在水下作业、水下勘察、海洋监测等领域逐渐得到应用和推广，产生了实质性的经济效益。军事方面，随着作战概念的变革和发展，无人潜航器作为新型水下作战体系的重要组成部分得到各国的高度重视和大力发展［1］。随着无人潜航器航程、工作时长、智能化等各方面能力的提升，其作战应用范围不断拓展，逐步形成了无人集群、有无人平台协作等跨域作战模式，将对未来的战争模式产生深远影响。

无人潜航器具有广阔的军事用途，如监视和侦察，反水雷，反潜等。这些军事需求下产生的指令控制、数据通信、图像传输以及跨域组网能力要求均离不开通信保障，尤其是水下通信。目前，水下通信传输速率、带宽、距离等因素制约了无人潜航器的广阔应用前景。水下通信方式主要可分为“声光电”三类，即水声、激光与电磁波通信。任意单一的通信手段均不足以满足上述需求，故综合采用多种通信方式是无人潜航器的必然发展方向。随着水下通信技术的突破与发展，无人潜航器的应用场景必将大大拓展。因此，梳理与研究水下通信技术将对无人潜航器的发展起到重要推动作用。

2 水下无线通信信道特征

无线信道特征，如：信号传播模型、噪声水平等是影响各类通信方式传输距离、传输速率的关键因素之一。电磁波、激光、声波等通信方式在水下呈现出截然不同的信道特征，将直接影响无人潜航器通信方式的性能指标。

2.1电磁波

电磁波通信方式利用电磁波的辐射传递信息。不同于在空气中的传播，电磁波在水下的传播因介质的导电性带来的趋肤效应而存在显著的衰减，且试验表明该衰减与电磁波的频率正相关。衰落系数α(f)可表示如下［2］：

2.2 激光

不同于电磁波通信，在激光通信方式下，水从良导体变为了电介质［3］，故在水中因趋肤效应造成的衰减相比于电磁波通信大大降低。激光通信方式下波束主要的衰减来源于吸收效应和散射。吸收效应是指光信号在水中容易被水媒质、溶解物及悬浮物吸收，而造成强度减弱，衰减系数以 a(λ) 表示，其中 λ 表示激光波长。此外，水中的离子、悬浮颗粒及浮游生物将对激光波束产生显著的散射，根据波长与颗粒物的尺寸关系分别可以通过瑞利散射 与 米 式 散 射 建 模 散 射 造 成 的 衰 减 ，表 示 为b(λ) 。激光波束在水中的衰落整体可表示为散射与吸收效应之和，即：c(λ)= a(λ)+ b(λ) ，单位为m-1。相应地，可以定义激光在水下随距离的衰落

模型如下［2］：

该公式与式（2）的区别主要在于衰落因子c(λ)，其值在不同的水质下具有较大差异。例如：在四类海水水质：纯海水、清澈海水、沿海海水以及混浊海水下，波长为532nm的激光对应的衰减因子c(λ)分别为0.056，0.150，0.305，2.170［4］。以相对优质的两种水质，即纯海水和清澈海水为例，通过式

其中f表示电磁波频率，单位为Hz；σ表示电导率，海水因存在大量盐类形成的离子而具有良好的 导 电 性 ，该 典 型 值 为4.3S/m，远 高 于 纯 水 的0.001S/m~0.01S/m。真 空 磁 导 率 表 示 为μ0≈4π⋅10-7 H/m，海水与纯水的磁导率则基本一致。因此电磁波在水下信道的衰落系数主要受到电导率与频率的影响，相应地，电磁波在水下随距离的衰落模型可表示如下［2］：

其中PLEM表示以dB为单位的信道衰落，d表示传输距离，单位为米；e为自然常数。从式（2）中可以看出，信道衰落随距离指数增加，且电磁波频率越高衰落越快。以50dB衰减为例，可计算出几种典型频段电磁波在水下的最大传输距离如表1所示。从表1中可以看出，对于短波、超短波及以上高频电磁波几乎不具备穿透海水的能力，仅极低频、甚低频才具备一定的穿透海水能力。

（3）计算可知：同样在50dB信号衰减条件下，激光方式的通信距离分别可达205m和77m，具有一定的穿透海水能力，但传输距离有限。

2.3声波

水声通信方式利用声波进行水下通信，其典型传播速率为 1520m/s，远远低于电磁波与激光通信的传播速率。水声通信的优势主要在于声波可在水下远距离传输，其能量衰减远低于电磁波与激光。水声通信方式下声波的传播损失主要来源于扩展损失与衰减损失。扩展损失是指声信号从声源向外扩展时有规律减弱的几何效应，衰减系数（k）与选取的传播模型有关，一般可取1.5［5］；衰减损失包括吸收、散射等，主要为吸收，即由于介质的粘滞、热传导等导致部分能量耗散为热量，该损失与声波频率、传播距离正相关。综合以上分析，可定义声波在水下的传播损失模型如下［5］：

其中d表示传播距离，单位为km；而lg a(f)表示吸收造成的衰减损失系数，单位为dB/km。在50dB信号衰减条件下，对于15kHz的声波，根据文献［5］中的式（3）计算可得，其传输距离可达13.5km，远高于电磁波与激光。因此，水声通信是目前无人潜航器水下通信采取的主要方式。

3 无人潜航器通信方式

3.1电磁波通信

电磁波通信方式在水下与空气中的实现原理并无区别。但根据2.1节中对电磁波信号在水下传播的信道特征可知，传输速率与穿透海水能力不可兼得。高频信号虽然带宽大、传输速率高，但几乎不具备穿透海水能力；低频信号具有一定穿透海水能力，但带宽小、传输速率低。因此，无人潜航器所采用的电磁波通信方式可以分为以短波为代表的水面通信和以甚低频为代表的水下通信。

3.1.1水面通信

水面电磁波通信，顾名思义，要求天线处于水面以上，一般采用短波、超短波、卫星等几乎不具备穿透海水能力的频段，具有通信距离远、传输速率高、接收装置功耗小、体积小等优势，是目前无人潜航器标配的通信方式［6］。装备方面的代表有，挪威的Hugin 3000水下无人潜航器采用400MHz特高频，可实现通信距离2km~3km；美国的海上无人系统采用WiFi 2.4GHz特高频；由Dataradio公司制造的400MHz特高频电台，通信速率可达9600bps。

3.1.2水下通信

水下电磁波通信的需求主要来源于军事上对无人潜航器隐蔽性的要求，这与潜艇类似。水面电磁波通信虽然具有传输速率高的优势，但因需浮出水面导致容易被敌方发现。利用甚低频、超低频等可以穿透海水的频段通信，水下电磁波通信则可以为无人潜航器提供一定的隐蔽性。受潜航器的尺寸限制，潜艇上使用的数百米拖曳天线方案并不适用，相应催生了若干接收天线小型化的技术，如：超导量子干涉器、磁性天线等［7］。

3.2激光通信

水下激光通信利用光波传递信息，根据2.2节对激光在水下信道的特征分析，波长为450nm~550nm蓝绿激光在海水中为低损耗窗口，被用于实现无人潜航器的水下激光通信，因此也称为蓝绿激光通信。蓝绿激光通信有很高的传输速率，在近距离通信中，其通信速率可达到100Mbps，远远高于声波和低频电磁波在水下环境中所能达到的通信速率［8］。据了解，目前尚无无人潜航器装备了激光通信设备，但业界已取得了突破性的进展。最具代表性的是日本国立海洋研究院开发机构于2017年完成了水深700m~800m海洋环境水下移动物体间蓝绿激光通信，通信距离超过100m，速率达20Mbps。

3.3水声通信

水声通信利用声波进行水下通信：发射机将电信号调制为声波后在水中传播，接收机将声波解调为电信号实现信息传递。由2.3节的分析可知，水声通信因其传输距离远的特性是目前无人潜航器所采用的主要水下通信方式。装备方面的代表有：美 国AN/BLQ-11采 用LinkQuest公 司 研 制 的UW4000型水声通信系统，该调制解调器的最大工作范围为4000m，最大传输速率为3.13kbps；美国的Bluefin和Remus系列无人潜航器均采用WHOI研究所研制的低功耗水声通信调制解调器Micro⁃modem，传输速率为80bps~5400bps。

3.4磁感应通信

无线磁感应通信技术是近年来新兴的一项无线通信技术，依靠小尺寸耦合线圈感应出磁场分量进行通信，磁场信号比电磁波更能有效地穿透有损耗的水下介质。水下无线磁感应通信具有稳定的信道状态，因为其信道状态主要取决于信号传输介质的磁导率大小，而水下环境中的传输介质具有相同的磁导率。磁感应信号在传输介质中以光速传播，所以磁感应通信的传输时延可以忽略。磁感应通信的线圈可通过普通铜导线制作，结构简单、造价低廉［9］。现有有关水下磁感应通信技术的研究主要还停留于理论分析与仿真实验阶段，存在水下环境信道模型研究不够充分、传输距离有限等问题，距离实用还存在较大差距。

4 无人潜航器通信关键技术

4.1电磁波通信

根据3.1节中的介绍，电磁波通信应用于无人潜航器主要为水面和水下两种方式，针对无人潜航器尺寸受限的特点，这两种电磁波通信方式对应的关键技术分别是天线集成化与天线小型化。水面电磁波通信方式一般包含短波、超短波、卫星通信等多种高频通信手段，若为每一种通信手段配备独立的天线将占用大量的空间，挤占无人潜航器有限的空间。因此天线集成化是高频通信手段的关键技术之一。在美海军2020年发布的小企业创新研究指南（Navy SBIR）中明确给出了适用于PMS 406型剃刀鲸（Razorback）中型无人潜航器的集成天线设计指标：

a）覆盖高频到L波段，

b）具备伸缩功能，

c）尺寸不大于24×2.9×3英寸，且与无人潜航器壳体共型。该指南由美国PSI公司中标，实现多波段天线的集成，替换了多型现役天线，大大节省了无人潜航器通信载荷占用的空间与重量。

另一方面，对于水下电磁波通信手段，具备一定海水穿透能力的长波是唯一适用的方式。但潜艇中采用的长达数百米的拖曳天线方案与无人潜航器的尺寸不符。因此，长波接收天线的小型化也是关键技术之一。水下接收天线小型化技术主要包括超导量子干涉器以及磁性天线。超导量子干涉器的磁场灵敏度可达10-14T，其作为长波信号接收装置体积小、灵敏度高，但装置的低温保存技术、三轴传感器的正交性设计、后续信号处理电路设计等较为复杂，距离实用仍有距离［7］。相比较而言，磁性天线的可靠性与技术成熟度更高，是目前无人潜航器长波接收天线的可行方案。张杨勇等采用纳米晶叠片磁芯、低噪声电子对管等技术降低各类噪声，提高了磁性天线灵敏度，设计了长度为500mm的磁性天线，满足无人潜航器长波接收天线性能指标下的小型化需求［10］。

4.2水声通信

水声通信面临的主要挑战来源于水声信道引起的频率选择性衰落以及多径传播引起的码间串扰。为解决这些问题，非相干水声通信技术、相干水声通信技术以及正交频分复用（OFDM）技术取得了长足的发展［11］。其中非相干水声通信技术用不同频率信号的能力变化或其组合传输信息，典型方式为多频移键控信号（MFSK）加编码以及保护间隔和循环前缀技术克服多经引起的码间串扰和频率选择性衰落，但带宽利用率较低。而相干水声通信技术则利用信号的相位变化传输信息，带宽利用率较非相干技术提高了一个数量级，在此基础上，结合与水声信道特性相匹配的自适应均衡器技术自动修正信道对相位畸变的影响，极大地发展了相干水声通信技术。OFDM技术是一种多载波的相干通信技术，进一步发展了相干水声通信技术，频带利用效率高，已在电磁波通信中得到广泛应用；但由于水声信道的复杂性，OFDM技术在水下仍存在诸多问题，距离实用还有一定距离。

4.3激光通信

激光通信系统由发送端、接收端以及水下信道构成。激光通信方式的关键技术贯穿三个环节［12］。其中发送端关键技术体现在光源与调制技术。典型的激光通信系统一般采用半导体LED光源和半导体激光二极管光源；而调制技术一般采用强度调制/直接监测（IM/DD）系统或相干调制方案，常用调制方式为OOK调制、脉冲位置调制（PPM）、脉冲快读调制（PWM）、二进制相移键控（BPSK）、正交相移键控（QPSK）、QAM及OFDM调制等。接收端由光学接收系统、滤波器和光电探测器等构成，关键技术可分解为光电探测器和信道均衡。其中光电探测器负责光电转换，影响系统灵敏度，一般有PIN型光电二极管（PIN-PD）、雪崩二极管（APD）和光电倍增管（PMT）等；信道均衡技术则通过在接收端信号判决前加上均衡器以消除符号间干扰，常用的均衡器有迫零监测、最小均方误差和最小二乘等。此外，通过信道编码技术在低信噪比下保障较低的误码率，关键技术包括RS码、Turbo码、LDPC码和FEC码等。

4.4磁感应通信

磁感应通信方式的发展与应用目前主要受限于其相对有限的传播距离和较窄的带宽。为此，磁感应通信的关键技术在于采用波导中继技术拓展传输距离以及采用多频段扩展、多输入多输出（MI⁃MO）的频率复用技术提升带宽利用率［13］。波导中继技术中在收发线圈间插入若干具有相同半径、匝数，采用相同导体材料绕制而成的中继线圈，使所有线圈处于共轴平行状态，利用中继线圈对磁信号的感应传递作用延长通信距离。多频段扩展技术为多路数据流分配不同的频段，而MIMO技术通过发射端与接收端的多对线圈在可用频段内协同传输数据流，实现带宽利用率的提升。

5 结语

无人潜航器具有多种现役或在研的无线通信方式，包括电磁波通信、水声通信、激光通信和磁感应通信等。现阶段，无人潜航器通信手段主要由水下的水声通信与水面的电磁波通信组成。这两种通信手段可以优势互补：水下水声通信可提供隐蔽通信，水面电磁波通信可提供较高的传输速率。但仅此两种通信手段仍制约了无人潜航器的应用前景，尤其是军事应用模式。若集成小尺寸的低频水下电磁波通信接收天线，可具备低时延的数据接收能力；激光通信可为无人潜航器提供超高速率的隐蔽通信能力；磁感应通信也可提供短距离内的超高速率的双向通信能力。多种通信手段以集成化、小型化的方式适配于无人潜航器将是大势所趋，可大大拓展无人潜航器的应用前景。

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