为什么声波是海底通信的最佳选择?

       陆地通信我们已经司空见惯,然而海洋中的通信场景,我们可能知之甚少。人类高效地研究、利用和保护海洋离不开水下通信技术和装备,尤其是水下无线通信技术。随着国家海洋战略的快速发展,海洋信息高性能获取、传输和处理更成为海洋工程、资源勘探、环境监测、国防安全等领域倍受各方关注的技术制高点。

       一般而言,水下无线通信主要可以分成三大类:水下电磁波通信、水下量子通信和水声通信。



水下电磁波通信


电磁波作为最常用的信息载体和探知手段,广泛应用于陆上通信、电视、雷达、导航等领域。但由于海水本身的特性,导致电磁波在海水中衰减极其严重,且频率越高衰减越大,不能满足远距离水下组网的要求。加上海水运动对水下电磁波通信造成很大的影响,因此,无线电波只能实现短距离的高速通信,不能满足远距离水下组网的要求。


水下量子通信


水下量子通信主要包括水下激光通信和水下中微子通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高的传输速率,在超近距离下,蓝绿激光通信方向性好,接收天线较小,但由于激光只能进行视距通信,两个通信点间容易受到散射、背景辐射的干扰,导致高精度瞄准与实时跟踪困难,加上光信号在水中的吸收效应严重,因此激光通信目前主要应用于卫星对潜通信。中微子通信由于技术比较复杂,目前主要停留在实验室阶段。


水声通信


        水声通信 (Underwater acoustic communication ) 是一项在水下通过声波作载体的信息传输技术,己广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波(纵波),在水下传输的信号衰减小(其衰减率为电磁波的千分之一),传输距离远,适用于深水通信。

水声通信的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后,由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质,将信息传递到远方的接收换能器,这时声信号又转换为电信号,经过放大、滤波和数字化后,数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理,还原成声音、文字及图片,在水中进行传播,完成系统的数据传输。


        水,尤其是海水,电导率大,对光波的吸收量也大,因此电磁波或光波在水下的传播损耗都很大,无法远距离传输,作为海底通信载体存在一定局限性。声波传输距离远,使用范围可从几十至上百公里,加上水声通信成本低、灵活性高、传输较稳定,因此声波通信是目前水下中、远程双向无线通信的唯一有效和成熟的手段,并可进行广泛的推广与应用。


       水声信道一个十分复杂的多径传输的信道,而且环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输的时延大。为了克服这些不利因素,并尽可能地提高带宽利用效率,已经出现多种水声通信技术。


       智慧海洋科技的水下无线通信控制网络系统突破了水下高速无线通信、定位与同步技术,智能感知与前端数据处理技术,智能数据集成分析与呈现技术,海底管线自主巡检与对接补给技术,水下常驻作业网络化智能监控技术等关键技术,其网络系统可灵活处于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度、网络结构等情景,广泛地应用于海洋环境中,实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互,解决了水下无线通信和组网的世界性难题。


       21世纪开启了人类全面开发、利用海洋资源的新纪元,世界各国始终高度重视此领域的研究。作为当今最为复杂的通信技术之一,水声通信技术目前还存在着诸多有待攻克的难题,通信的算法和可靠性也有了更高的要求,因此水声通信和组网技术在很长时间内都将会是海洋领域的研究热点。