前几天南华早报又在知网论文上发现了中国一个新的军事科技进展,说中国实现105公里外接收到200米深水下的声音通信,引起了大家的广泛兴趣。但我发现,很多人对此的解读都是人云亦云,没有搞清楚其中的原理,比如有人说这个技术还模仿鲸鱼的声音等等。为了研究这个技术究竟怎么回事,我特地找来了哈尔滨工程大学刘凇佐教授的论文拜读了一下。

首先说鲸鱼的事情,这是刘凇佐教授另外一篇论文,与这篇100公里水声通信的论文分别发表于今年5月和6月,不是一回事,而且论文也不是把声音信号变成鲸鱼叫声,而是变成海豚哨声,可见网上以讹传讹的厉害。对于广大军迷来说,最关心的还是远距离水下通信。

因为在水中,潜艇是很难接收到外界信号的。为了跟潜艇通信,各国不惜巨资建立长波电台,但这种通信方式也有很大问题,一个是通信速率低的令人发指,几个字的信息能发一个小时。另外一个是潜艇收信时深度不能超过50米,通常只有30米。这种状态下极易被发现。所以,通常情况下,长波通信只是作为电话振铃,通知潜艇赶紧上浮,然后放出通信浮标进行快速通信。但这样的情况,极其容易被无线电定位侦查。二战中,英国就利用无线电定位技术,对德国狼群潜艇进行过针对性的打击。

那么其他通信方式呢?目前常见的,还有蓝绿激光通信和水下声学通信。蓝绿激光是在水中能传播最远的激光波段,在纯净水中能传几百米,但在较为浑浊的水中,可能就只有几十米了。通常被作为航空反潜或扫雷手段,也有人试验过用来对潜通信,但这个事情成立的前提是空中的飞机需要精确地知道潜艇在哪,才能向那个位置打出激光,而现实是,飞机往往并不知道潜艇的精确位置。

所以,目前这种方式没有实用价值。而声波是在水下传播最远的信息载体了。所以,很多国家都把水声通信作为重要的研究课题。远距离水声通信的主要问题是,信道复杂多变,噪声干扰大,信号带宽受限。因此导致了通信速率也不高。

比如,西北工业大学在2005年实现了80公里20bps水下通信,美国海军和海军陆战队联合研究团队在2013年实现了550公里6.5bps的水下通信,此外,利用ofdm技术,美国加州大学圣地亚哥分校团队还实现了550公里15bps以及700公里7.5bps的传输能力。后来经过改进,他们最终实现了550公里50bps的传输能力。看起来,美国实现大幅度的领先,毕竟几年前美国已经实现了550公里的传输距离,而我们今年才实现了100公里的传输。但其实,这完全是两个概念。

由于海水中声波传输速度跟海水深度温度盐度等都有关系,因此,随着深度加深,海水温度特性的变化,使得海水中声波总是弯曲的。而在某个深度,向上发散的声波会向下弯曲,向下发散的声波会向上弯曲,因此,声波会围绕某个深度来回震荡,这个深度就叫深海声学通道。

在这个深度上,声波能量的传输类似于光纤中激光的传输,损耗极小,因此可以被非常远的声呐探测到。而美国实现的550公里的传输距离就是这么实现的。美国在海底的声呐阵列sosus也是利用了深海声学通道,才能在上千公里外探测到敌方潜艇。但这个深度在南海大约1100米深,地中海、黑海和日本海以及温带太平洋中,声道轴位于100~300m深度范围,到了北冰洋,这个声道轴就贴近海面了。

但显然,潜艇是下沉不到1000米深度的,所以其利用价值就很小。我们这次的声学传输实验是在没有利用深海声学通道的情况下实现的。而是利用了另外一种水声效应叫水声汇聚区。由于声波在水下会弯曲,因此,浅海发射的声波会在某个距离上聚焦,这个距离通常是35公里,这个距离叫第一汇聚区,第一汇聚区的声波再次经过海面反射就会在70公里处再次聚焦,这叫第二汇聚区,显然,105公里的地方是第三汇聚区。通常声波到这里就已经非常混乱了,所以一般没有第四汇聚区。

但我们这次实验是在200米深处进行的,这是潜艇能达到的深度,所以,虽然我们的传输距离没那么远,但我们的实用性非常强,更何况我们的传输速率达到了200bps,已经能用来发短信了。这就是我们这次在南海进行试验的主要意义。

通过查阅论文,我还发现了其他一些有趣的跨介质传输方法,比如空中的飞机用激光脉冲在海面引发海水连续炸裂,从而产生有规律的声波信号,潜艇就可以收到空中的的信息。而潜艇则可以用高频声波照射海面,使得的海面产生不同于正常海浪的波动,空中的飞机用激光照射海面后,通过判读波纹,可以解码潜艇发射的信号。

此外,还有用大型例子加速器产生中微子进行通信等科幻手段,都在各国实验室中进行研发。所以,对潜通信在未来将有更丰富的手段,潜艇的作战性能因为这些手段也将变的更强。