本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第2期
作者：劉新宇，周恒，葛錫雲，焦慧鋒
來源：水下無線通信裝備發展研究[J].中國工程科學,2024,26(2):38-49..
編者按
開展目标海洋區域的環境觀察與監測、擷取并傳輸大範圍海洋環境資料，是實作海洋進入、保護、開發等目标任務的關鍵環節。水下無線通信（UWC）裝備可以提供水下環境中資訊傳遞和資料交換的能力，是支撐海洋科學研究、水下組網監測、水下協同作業、海洋安全維護等應用的重要裝備類型。
中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第2期刊發了中國船舶科學研究中心焦慧鋒研究員研究團隊的《水下無線通信裝備發展研究》一文。文章介紹了本文從水聲通信、水下光通信、水下電磁波通信、水下磁感應通信4類主要的UWC裝備出發，深入剖析了各自面臨的技術難點，全面梳理了相關裝備的國内外發展現狀，進而凝練了UWC裝備未來發展趨勢。着眼大陸UWC行業發展，辨識了整體差距、底層共性問題、頂層體系等方面的發展困境，提出了攻關基礎機理與共性問題、聚焦突破行業核心方向、明晰裝備頂層體系架構、完善保障措施與扶持政策等發展建議。相關内容可為把握UWC裝備發展态勢、布局UWC裝備研制與應用等提供參考和啟示。
一、前言
海洋因面積廣闊、蘊含着豐富資源而吸引人類不斷進行探索，各國在海洋資源開發、維護海洋安全、保障領海權益等方面已經展開了競争與合作。在海洋強國建設戰略提出後，大陸進一步提高了對海洋戰略空間的重視程度。其中，開展目标海洋區域的環境觀察與監測、擷取并傳輸大範圍海洋環境資料，是實作海洋進入、保護、開發等目标任務的關鍵環節。
水下無線通信（UWC）裝備是海洋環境觀察與監測系統、水下傳感器網絡的關鍵構成。目前，應用較成熟的UWC裝備主要有水聲通信裝備、水下光通信裝備、水下電磁波通信裝備；新興的水下磁感應通信也獲得了實際應用研究。在民用領域，UWC裝備在海洋生物觀測、海洋環境污染監控、海上石油及天然氣資源勘探、海洋自然災害監測預警、海洋環境變化研究等方面發揮了重要作用。在軍用領域，UWC裝備能夠輔助完成各類戰術行動，如水下目标資訊回傳、港口及目标海域監控、沿海及領海安全保障、水下運載平台叢集協同等。
對于多數的UWC裝備類型，大陸仍處于“起步晚、發展緩、應用少”的發展階段，不利于在海洋權益競争态勢逐漸加劇的背景下維護海洋權益，相關裝備技術發展需求迫切。為此，本文從UWC裝備技術難點及解決方法的角度出發，梳理國内外發展現狀，總結未來發展趨勢，剖析國産裝備存在的差距和行業發展的核心瓶頸，進而提出相應發展建議，以為先進海洋裝備研制布局、海洋通信裝備能力提升等提供參考。
二、水下無線通信技術難點
水下環境存在通透性差、壓力大等特征，導緻水下資料感覺難、傳輸難，加大了海洋探索和調查的挑戰性。聲波、光波、電磁波都可作為UWC的潛在波形，用于水下環境中的資訊傳輸。大量的UWC技術研究及裝置研制圍繞此展開（見圖1）
圖1 UWC場景示意圖
（一）水聲通信技術
水聲通信（UAC）是在水下覆寫數百米至數千千米範圍，實作資訊無線遠距離傳輸的唯一可靠手段。水聲信道是聲信号從發射端到接收端所經曆的無線傳輸環境，存在通信帶寬受限、頻率相關衰減大、有色環境噪聲強、多徑時延擴充高、信道時變速度快、多普勒效應嚴重等情況，被視為最複雜的無線傳輸信道之一。水聲信道直接導緻UAC信号出現能量衰減、信号畸變，影響UAC的通信品質，是制約UAC技術發展的主要難題。
1. 衰減和有色噪聲
在能量衰減方面，水聲信道的重要特征之一即傳播過程中的吸收能量損失取決于聲信号頻率，吸收系數随着頻率的提高而迅速增大。聲信道中包含的噪聲主要由海洋環境噪聲、特定區域噪聲組成：前者的聲源構成非常複雜，含有風浪噪聲、湍流噪聲、船舶噪聲、熱噪聲等；後者與區域地點密切相關，如北極海域出現的冰層斷裂噪聲、淺海海域養殖蝦蟹的鉗子發出的近似沖擊噪聲等。不同的噪聲經過疊加，導緻海洋噪聲呈現明顯的非白功率譜特征。衰減随頻率的提高而增大，海洋噪聲随着頻率的提高而下降，使得通信頻帶内的信噪比出現明顯變化。
衰減和噪聲降低了接收信号的信噪比，可能出現解調誤碼。在傳輸資訊中引入備援比特，采用卷積碼、低密度奇偶校驗碼、極化碼等信道糾錯編碼，是UAC中的有效解決方法。在接收端使用接收陣列進行信号采集和處理，同樣可以提升接收信噪比。
2. 帶寬受限嚴重
不同于空氣中無線電傳播所具有的廣闊頻帶資源，水下聲傳輸受到能量吸收衰減的嚴重制約，如傳輸距離為10 km的理想可用信号帶寬僅為數十千赫茲，傳輸距離為100 km時的可用信号帶寬僅為1 kHz。可見，如此受限的通信帶寬，嚴重制約了水下通信速率。
為了在有限帶寬内最大限度地提高通信速率，UAC技術的發展曆程為：從模拟通信技術向數字通信技術過渡，從非相幹通信技術向相幹通信技術過渡，從單載波通信過渡向多載波通信過渡，從單發單收向多發多收過渡。多發多收技術、同時同頻全雙工技術、非正交多址接入技術等的應用，同樣可以提升通信速率、改善有限帶寬内的頻帶使用率。
3. 多徑時延擴充
海洋環境中的多徑效應多由兩種現象疊加導緻。例如，聲波在海洋波導環境中經由海面、海底反射，在傳播過程中産生彎曲；造成聲線彎曲的本質原因是海洋中的聲速變化。在淺水中，溫度和壓力比較穩定，聲速變化較小（相對恒定）；随着傳播距離的增加，聲波不斷經由海面、海底反射形成多徑，導緻時延擴充、碼間幹擾增加。在深水中，除去海面、海底反射情況，聲速關于深度而變化，聲線同樣在聲道軸内的波導環境中不斷“反射”，因而表現出較強的多徑效應。聲信道的時域沖擊響應函數受反射影響，決定了傳播路徑的數量、強度和時延。
為了應對多徑時延擴充引入的碼間幹擾，學術界針對UAC技術進行了大量的研究。通過信道估計并結合迫零均衡、最小均方誤差均衡等方式，可以消除碼間幹擾。單載波、多載波系統都可以結合更為先進的Turbo均衡技術，以消除符号間幹擾、額外的噪聲影響。正交頻分複用（OFDM）等多載波信号，可引入循環字首、零字首等保護間隔來消除碼間幹擾。
4. 信道時變速度快
水聲信道的時變性強，其成因包括季節性變化、每日潮汐等因素導緻的緩慢大尺度變化，海面波浪、氣泡等因素導緻的快速小尺度變化。根據傳輸信号的持續時間對各種尺度變化進行區分，有助于提升通信品質。緩慢大尺度變化主要影響信号的平均功率，快速小尺度變化通過改變信道瞬時沖擊響應來影響信号的瞬時水準。大尺度變化的模組化分析支援信号的自适應功率控制以提升信号的信噪比，小尺度變化的模組化分析支援實作信道估計和均衡等方面的自适應信号處理。
在緩慢大尺度變換上，由于時變性主要影響信号的功率，故自适應功率控制技術在功率節約、性能改進等方面都能産生較好的效果。在面對快速變化的小尺度時變影響時，自适應調制及解調技術是良好的解決手段。然而，任何尺度變化都需要收發兩端具備回報能力并形成回報鍊路，進而使收發兩端具備水下環境感覺能力；從回報技術中獲得的性能改進，無論是自适應調制還是指令傳輸，取決于回報給發射機的信道狀态資訊品質。
5. 多普勒效應嚴重
水下聲速約為1500 m/s，水下聲信号面對運動平台時具有較大的多普勒頻移。UAC中信号帶寬、中心頻率的量級接近，故UAC一般屬于寬帶通信；面對較大的多普勒尺度因子時，各通信頻點将遭受不均勻的非一緻多普勒頻移。多載波UAC系統面對非一緻的大尺度多普勒頻移時，會産生嚴重的信号畸變，進而惡化通信系統性能。
UAC中的多普勒頻移表現為大尺度、非一緻特性，無法采用類似窄帶無線電通信中的一緻多普勒頻移補償方法，僅可采用載波相位跟蹤、載波頻率補償等方式。UAC中一般需要先對大尺度多普勒因子進行估計，再使用頻域插值、時域重采樣等方法抵消水聲多普勒效應。還可采用正交時頻空調制等具有多普勒魯棒性的新型多載波波形，代替傳統OFDM等波形進行水下資訊傳輸。
各類通信場景需求催生了更多具有針對性的UAC技術。面向UAC對抗需求，通常在攻防兩端應用UAC信号偵查與幹擾、幹擾背景下UAC幹擾抑制等技術。面向水聲隐蔽通信需求，較多應用仿鲸魚或海豚等海洋生物的仿生通信、基于船舶輻射噪聲的僞裝通信等技術。
（二）水下光通信技術
UAC帶寬受限嚴重，即使收發兩端UAC機距離較近時的通信速率也難以提高。具有更高帶寬潛力的水下無線光通信（UWOC）技術成為研究重點。然而，鑒于海洋水環境的複雜性，在建立可靠UWOC鍊路方面同樣存在較高的技術挑戰。
水對光波具有吸收作用，光譜内絕大部分光波在水中的能量衰減較大，因而在傳播距離上無法與千米級UAC技術相比。然而，海水中光波傳播特性研究發現，光譜中的藍綠色波段是水下衰減相對弱的光學視窗，這為光波在水下實作短距離高速傳輸提供了理論基礎。采用藍綠色大功率雷射發射器的UWOC機，在實驗條件下最遠可在水下傳播數百米。目前，主要通過開發高性能發射機裝置、融合增加系統帶寬的新技術等，提高UWOC系統的傳輸速率和水下傳輸距離。在雷射通信系統中，采用光注入鎖定、光電回報技術将外部光源注入，可顯著增加通信系統調制帶寬。對于發光二極管（LED）裝置，傾向于采用氮化铟镓等新型材料、将單個大型LED改造為多像素LED陣列等設計來提高通信系統帶寬和通信速率。
UWOC對水體濁度、海洋湍流、懸浮氣泡等水文條件具有較高的要求。海洋湍流通常由海水的溫度、鹽度、壓力變化以及水體中的懸浮氣泡引起，可以持續較長時間。水下無線雷射通信系統對光束定位、捕獲、跟蹤都有嚴格要求，而海洋湍流以及懸浮氣泡的存在将導緻光束波動以及進一步的光束失調，因而維持光束跟蹤能力尤為困難。海洋湍流同樣會引發光信号産生随機變化（閃爍），導緻光子在水體媒體中的傳播方向發生随機變化，而光束方向出現的微小變化也會産生嚴重的信号衰減。分析并模組化水下湍流的統計特征以及對光傳播的影響，有助于緩解湍流造成的性能惡化。閃爍效應随着光波波長的增加而顯著降低，使用較大的波長可以增強應對水下湍流的通信能力。使用更寬的光束也可以提高水下光通信鍊路的性能，如波束擴充、多發多收系統中的空間分集。
常用的光電探測器僅有很小的有效檢測區域，需要進行精确對準，否則無法建立無線光通信的鍊路，這就導緻多數無線光通信系統隻能在視距範圍内進行通信。海水環境的快速變化，水下湍流、混濁度、水下障礙物等因素，使視距UWOC系統的鍊路失調難以避免。利用具有強散射特性的光束進行水面反射或散射傳輸，采用與專用光學系統相關的同步及信道估計算法建構非視距UWOC系統，是提高發射機覆寫面積、緩解鍊路失配的有效方式。
光通信媒體具有可視性，因而UWOC的隐蔽性相對差。高功率的光源發射器會引發光污染，對于海洋生物日常活動有不利影響，也構成了海洋生态環境的潛在威
（三）水下電磁波通信技術
盡管水下光通信具有較高的通信速率，但在跨媒體通信場景中，光波不易通過空氣 – 水界面，通常還需中繼器進行信号轉發。相比聲 / 光通信系統，水下電磁波通信具有優勢：電磁波可直接從發射基站發出并與水下目标進行通信，順利通過空氣 – 水界面，顯著擴充了應用範圍，利于建立跨媒體空間的綜合資訊網絡系統；電磁波面對水體湍流、濁度等具有更高的魯棒性。在部署水下電磁波通信系統時，需要着重優化通信速率、天線設計、發射功率強度等設計參數。
與光波的水下傳輸類似，電磁波在海水中的傳輸衰減同樣較大，也表現出明顯的頻率相關性。例如，常見的2.4 GHz無線藍牙子產品在水下僅能傳播數十厘米。水下環境具有獨特的實體特征，鹽濃度、壓力、溫度、風浪等因素導緻海水中的電磁波衰減較為嚴重（且衰減程度随着電磁波頻率的增加而急劇增加），因而電磁波在水下的傳播距離受限。盡管超低頻電磁波（30~300 Hz）可在海水中傳輸超過100 m，但需要大規模的發射天線基站、大尺寸的接收天線，對于體積較小的水下平台而言并無實用價值。為了提升電磁波通信的應用性，改進磁性天線設計是最可能的方案，也可使用電偶極子天線來傳輸橫向電磁波。除去衰減因素，射頻信号面臨環境噪聲的不利影響，需要将信道估計、噪聲抑制等功能子產品進行整合設計。
（四）水下磁感應通信技術
水下磁感應通信（UMIC）作為一種新興的UWC方式，近十年來獲得了廣泛關注。2001年，磁感應理論與電磁波理論的本質差別得以明确，建立了磁感應通信領域理論建構的基礎。磁感應通信的優勢在于水下傳播過程經曆的信道具有弱多途、弱多普勒幹擾、可跨媒體傳輸的特點。線圈輻射電阻遠小于電偶極子的輻射電阻，隻有極少數能量通過磁感應通道輻射到遠場并形成多徑，即為弱多途；傳播速度接近于光速，幾乎不存在多普勒幹擾。海水的溫度、濁度、鹽度等影響聲、光、電磁波的水下傳輸，但海水的磁導率幾乎與空氣相同，因而磁感應波的信道響應更加穩定且可預測，也使磁感應通信具有良好的跨媒體應用前景。磁感應通信的傳輸和接收都是通過小尺寸的法拉第線圈來完成，故磁感應技術可實作裝置小型化、提升通信隐蔽性；但與光、電磁波的水下傳輸類似，僅能實作數十米距離的UWC。
在UMIC過程中，線圈方向的頻繁變化導緻接收信噪比不可控，因而UMIC解調性能的可靠性不佳。相關研究重點是設計對線圈方向不敏感的天線，逐漸從傳統單向磁感應天線向多向磁感應天線發展，如三向磁感應天線、超材料增強磁感應天線、球形線圈陣列封閉環路天線。在優化水下天線設計、盡可能保證傳輸品質及可靠性後，磁感應通信在水下“傳得遠、傳得快”成為關注重點。對于以水下平台和潛标系統的遠端監控為代表的遠距離、大規模互通互聯的水下應用而言，UMIC實際應用的傳輸距離是關鍵名額。為了解決UMIC傳輸距離的不足，可在發射端、接收端之間部署中繼單元，建構多跳磁感應傳輸網絡。根據中繼是否需要額外的電源和處理單元，磁感應中繼傳輸可分為無源多線圈磁感波導傳輸、有源主動中繼傳輸兩類。UMIC固有帶寬受限、渦流能量損耗嚴重，相應資料傳輸速率偏低。通常采用多波段擴充諧振器、空間域多收發天線陣列的方式來提高通信速率。從技術角度看，現有方法大緻分為擴充通信帶寬的多頻段磁感應通信、多輸入多輸出磁感應通信]兩類。
三、國内外水下無線通信裝備發展現狀
（一）水聲通信裝備1. 國外水聲通信裝備
國外UAC裝備已經曆了從UAC技術研究到原理樣機研發、再到譜系化裝備制造的發展過程。美國Teledyne Marine公司研制的ATM譜系化水聲通信機，采用相移鍵控、多頻鍵控（MFSK）、跳頻等通信調制方式，實作從80 bps（>6 km）到15.4 kbps（>2 km）的通信速率。美國LinkQuest公司研制的SoundLink UWM系列水聲通信機，水準通信距離超過10 km，使用場景包含淺海和深海，能以極低的誤碼率實作近程UAC（最大速率為38.4 kbps）。德國Evologics公司研制的S2C-R系列、S2C-M系列、S2C-T系列水聲通信機，通過中高頻通信頻帶覆寫了中遠端通信距離，最遠水準通信距離超過10 km。英國Sonardyne公司研制的Modem 6系列水聲通信機，能以9 kbps的有效通信速率覆寫5 km以内的範圍；與各類水下環境感覺傳感器配套，可進行長時間、大範圍的監測，水下工作時間達4 a。
2. 國内水聲通信裝備
大陸開展UAC技術研究較晚，以20世紀70年代研制的模拟通信聲呐、20世紀80年代完成的數字UAC技術原理研究為标志，開啟了國産UAC裝備的發展曆程。目前，海洋強國建設提升到新的高度，領域内的科研院所、高校、企業積極開展UAC技術研究和UAC裝備開發，如中國船舶集團有限公司第七一五研究所、中國科學院聲學研究所，哈爾濱工程大學、西北工業大學、浙江大學、廈門大學，深圳市智慧海洋科技有限公司、蘇州桑泰海洋儀器研發有限責任公司、北京聯合聲信海洋技術有限公司等。目前，大陸具備較為完善的UAC裝備自主研發能力，實作了從UAC技術理論到科研樣機、再到試驗樣機的平穩過渡，研制的UAC裝備通過了各類湖試、海試驗證。
針對“蛟龍号”載人潛水器的通信需求，研制了具有資料、文字、語音、圖像傳輸功能的水聲通信機，在5000米級、7000米級海試中分别實作了10 kbps通信速率下的10-3誤碼率、10-4誤碼率的UAC傳輸。針對“奮鬥者号”載人潛水器的深海垂直通信需求，研制了全海深聲學通信系統，在12.8 km的斜距上實作了包括圖像在内的資料及指令的無線傳輸。哈爾濱工程大學研究團隊擁有MFSK、擴頻、單載波、多載波等UAC體制的裝置研制經驗，發展的高可靠超遠端擴頻水聲通信機實作了100 km的水準傳輸距離，誤碼率達到10-4，适用于海洋潛标資訊實時回傳、水下無人潛航器遙控指令傳輸等場景；研制的水聲高速通信系統，搭載于“悟空号”全海深水下無人航行器，在馬裡亞納海溝實作了2 kbps ×15 km的通信名額，達到國際先進水準。西北工業大學研究團隊主要采用單載波、多載波通信體制，完成近 / 中 / 遠端UAC場景下的理論研究：在遠端穩健UAC方面，完成了丹江口遠端UAC試驗，在10.8 km距離上實作了3 kbps、4.5 kbps的無誤碼通信速率；近程高速UAC通過了湖試、海試驗證。
大陸UAC裝備的譜系化發展仍有較大空間。深圳市智慧海洋科技有限公司研制了包含多個通信頻帶、覆寫淺 / 深水域、執行近 / 中程水聲傳輸的譜系化商用UAC裝備，具有通信導航一體化群組網擴充功能，良好水文條件下的理論誤碼率為10-4。
（二）水下光通信裝備
1. 國外水下光通信裝備
國外較早啟動了UWOC研究，完成了從技術理論研究到原理樣機、再到譜系化裝備制造的程序。2008年，在實驗室環境下利用1064 nm波段的近紅外光，由雷射發射器實作了2 m距離的水下傳輸，傳輸速率達到1 Gbps，驗證了水下光傳輸的可行性。采用雷射作為UWOC的媒介（雷射發射器的發射功率一般較大），可以實作水下可見光的高速率、遠距離無線傳輸；但雷射通信存在相幹閃爍等固有不足，通信過程中收發兩端需要精确對準且無遮擋，使得實用性較差。基于藍綠LED光源的UWOC裝備較多采用非相幹光源，無需嚴格的精确對準，加之LED光源兼顧照明和通信功能，顯著提高了UWOC的可行性和便利性。是以，研發LED光源的UWOC裝備是目前的主流選擇。
英國Sonardyne公司研制的BlueComm 100型UWOC機，采用450 nm藍光作為光源，适用于各種水下光照條件，可在15 m範圍内提供5 Mbps的傳輸速率；可實作水下視訊實時傳輸的BlueComm 200系列UWOC機，采用450 nm藍光、400~800 nm波段白光作為光源，在水下高環境光幹擾條件下可在150 m範圍内實作2.5 Mbps以上的傳輸速率；研制的BlueComm 200 UV型水下光通信機，采用紫外線作為光源，對自然環境光的抗幹擾能力更強，适用于靠近水面強光環境進行作業的水下平台。瑞士Hydromea公司研制的LUMA X系列UWOC機，包含适合深水環境使用的LUMA X型藍光通信機、适合近水面環境使用的LUMA X-UV型紫外線通信機，通信距離較短（最大僅為50 m），但最大通信速率達到10 Mbps。
2. 國内水下光通信裝備
2017年，浙江大學研究團隊使用頻譜高效的正品頻分複用技術，在10 m長度的水下通道中實作了基于紅綠藍三色光、速率為9.51 Gb/s的聚合資料傳輸，誤碼率符合前向糾錯的标準；複旦大學研究團隊建構了基于綠光雷射二極管的UWOC系統，使用非歸零開關鍵控（NRZ-OOK）調制，實作了距離為34.5 m、速率為2.7 Gbps的資料傳輸。這些技術進展都表明，水下雷射通信确實可以實作極高的通信速率，盡管傳輸距離有待提升。
在UWOC原理樣機、商用裝置研制方面，中國科學院西安光學精密機械研究所、武漢六博光電技術有限責任公司等代表了國内領先水準。中國科學院西安光學精密機械研究所研制的水下藍綠光通信工程樣機，已經用于水下潛器間高速資料傳輸、海底觀測網高速資料回收；2020年，11 000 m全海深高速無線藍綠光通信工程樣機支援了“奮鬥者号”載人潛水器全球首次萬米海底電視直播。武漢六博光電技術有限責任公司研制的30系列、50系列、75系列水下光通信機産品，最遠通信距離分别為50 m、80 m、100 m。
（三）水下電磁波通信裝備
1. 國外水下電磁波通信裝備
第一次世界大戰期間法國将電磁波通信用于潛艇通信試驗，是水下電磁波通信技術的早期研究與應用。目前，潛艇采用的電磁波通信頻段多為超低頻、甚低頻頻段。超低頻在海水中的穿透深度超過百米，便于潛艇在較深水域接收資訊，因而超低頻通信具有重大價值。美國、俄羅斯的超低頻通信分别采用76 Hz、82 Hz的中心頻率，可通過電磁波實作無中繼跨媒體、對水下超過80 m的潛艇進行指揮通信。然而，超低頻通信具有明顯的缺點：通信速率僅為0.01 bps量級，不能滿足複雜指令的傳遞需求，通常僅作為通知潛艇進行收報作業的“振鈴”功能；超低頻率信号通常需要采用大尺寸收發天線，相關系統的地基天線長度為數十千米，拖曳天線長度超過1 km，發射功率為兆瓦級，顯著增加了實際應用難度。甚低頻也是潛艇水下通信的常用頻段，對海水的穿透能力通常大于20 m，潛艇可以在潛望深度或潛航狀态下通過拖曳天線進行通信。但同樣由于可用帶寬極為有限，甚低頻隻能傳輸低速電報和指令資訊，無法滿足水下高速傳輸資訊的需求。即使電磁波通信存在弊端，但因其能夠在沒有地面中繼器的情況下便捷地進行遠距離跨媒體傳輸，國外仍在繼續研發小型化的水下電磁波通信裝備。
2016年，美國啟動了水下通信技術的系列研發項目，以推動水下無線電通信、水下光通信、水下網絡通信技術的發展。例如，美國國防進階研究計劃局（DARPA）提出了基于機械天線的微型輕質無線電發射機項目，開發應用于無人潛航器、潛艇、水面船、蛙人之間進行水下資訊互通互聯的微型無線電裝備；利用強電場、強磁場特殊材料的機械振動産生電磁波，以顯著減小無線發射機的體積并實作裝置小型化。
2. 國内水下電磁波通信裝備
國内從事水下電磁波通信裝備研制的機構較少，現有的相關研究集中在可行性理論分析、仿真模拟等，從裝備研發到實際應用尚有一定的差距。海軍航空大學、海軍工程大學研究團隊針對水下不同頻率電磁波的傳播特性、水下環天線設計、天線輻射特性等完成了仿真分析。國防科技大學研究團隊針對水下電磁波通信技術、基于深海直射波模型的水下電磁波通信系統等進行了較全面的研究。西北工業大學研究團隊采用電流法建立了水下電磁波高速通信系統模型并通過水槽測試，分别在0.5 m、0.8 m、1 m距離上實作了最高1 Mbps速率的無誤碼高速通信。
（四）水下磁感應通信裝備
1. 國外水下磁感應通信裝備
UMIC技術是新興的水下通信方式，國外正在經曆從理論研究到原理樣機研制的發展過程。在早期，UMIC主要通過試驗手段驗證磁場在水下傳輸資訊的可行性。2001年，用于淺水通信的UMIC系統在空氣與水混合跨媒體的250~400 m傳輸範圍内實作了100~300 bps的通信速率。2010年，英國研究團隊發展了基于磁感應通信的潛水員語音通信系統（中心頻率為12 kHz），實作了水面、空氣、水下潛水員之間的跨媒體傳輸（距離為30 m）。UMIC具有不可聽、不可視的特征，目前尚不存在反制偵察手段，因而軍用前景良好，得到了發達國家的高度重視。美國的大學研究團隊在實驗室環境條件下實作了水下磁感應高速通信；利用磁感線圈、通用軟體無線電、MSP432微控制器，開發了适配于無人遙控潛水器的磁感通信機模型，與水面遙控船進行了二進制相移鍵控通信。
2. 國内水下磁感應通信裝備
國内的UMIC研究同樣處于理論和試驗驗證階段，高校是主要的研究力量。海軍工程大學研究團隊完成了UMIC陣列天線設計、天線特性及磁場仿真等研究。中國礦業大學研究團隊針對水下安全監測場景，就UMIC的路徑損耗、實物系統建構等進行了仿真和方案設計。哈爾濱工程大學研究團隊基于通用軟體無線電外設子產品設計了收發端通信電路，建構了UMIC系統，在混合媒體傳輸、收發端線圈為20 m條件下實作了10 kbps的無誤碼通信傳輸。
四、水下無線通信裝備未來發展趨勢
（一）基于聲、光、電、磁多模互補的高速穩健水下通信系統
通過聲、光、電、磁多模互補，提升水下通信系統的可靠性與傳輸速度，增強各類型運載平台的水面 / 水下機動航行和作業能力，是未來水下通信系統的重要發展方向。內建水聲、光學、電磁等通信手段，深入研究跨媒體磁感應通信、近程可見光通信、遠端UAC等通信模式的耦合機制，在通信時延、速率、距離、功耗方面形成互補優勢。根據實際通信場景需要，靈活選擇各類通信模式，使水下通信系統具有跨媒體的通信能力，實作水下平台與岸基之間的資訊高效互通互聯。
（二）水聲“探通導”功能一體化裝備架構
目前的水聲探測、UAC、聲學定位導航裝置多為獨立設計和應用，相關裝置的體積占用、功耗、頻帶資源配置設定等受到嚴格限制，不利于在小型水下平台上部署使用。然而從功能角度看，水聲探測、UAC、聲學定位導航系統的工作原理、系統架構、信号處理、工作頻帶等具有相似之處，為“探通導”功能一體化裝備設計創造了可行性。随着海洋資訊網絡的發展壯大，各類型水下平台呈現出協同作業的應用趨勢；內建探測、通信、導航定位技術，開展一體化裝備架構設計，是實作水下平台資源共享、提升作業效率、增強隐蔽性能、降低平台體積與功耗的重要發展方向。
（三）面向水下物聯網的智能多模一體化及低功耗通信網絡
萬物互聯是數字時代的發展主題，将物聯網部署到水下環境成為未來水下通信網絡的重要發展趨勢，也是構成“空天海地”一體化資訊物聯網的關鍵環節。水下物聯網差別于傳統水下通信網絡的主要特征有小型化、低功耗，多模态通信體制有機耦合，智能化服務，加之面臨水下惡劣環境的多重挑戰，因而成為未來水下無線通信裝備技術突破的關鍵方向之一。傳統的聲學單模式通信網絡存在傳輸時延高、速率低，應用場景受限等固有缺陷，需要發展智能多模一體化水下通信網絡。① 針對變化的信道環境、繁雜的通信場景，可以智能進行選擇與調整，利用多模式融合的方式，建構從海底到空氣的跨媒體通信鍊條，為穩定高效的網絡服務提供實體層支撐基礎。② 網絡節點智能化可提升水下通信網絡對複雜環境的自适應能力，深度強化學習等算法支援訓練系統在與工作環境互動過程中尋找最優政策，進而根據時變環境進行自适應調整，優化部署決策。③ 各節點及網絡整體的低功耗水準對于水下通信網絡的長周期、大範圍覆寫服務至關重要，共享收發兩端的傳感器基陣、采用通用部件方案并結合低複雜度算法，可以達到降低節點功耗的目的。④ 研究适應水下通信環境的低功耗網絡路由協定，優化傳播路徑規劃，支援低延遲時間、低能耗的資訊收集及傳輸。
（四）全模式頻譜一體化協同精準對抗網絡
為應對未來水下通信對抗需求，水下通信對抗裝備應具備通信體制全覆寫、高度協同一體化、攻防對抗精準化等能力。在戰場通信環境複雜程度增加後，單一通信體制的對抗裝備不再滿足應用需要，具備聲、光、電、磁融合特征的通信裝備成為發展趨勢。未來通信對抗裝備同樣需要內建各類通信模式、覆寫全頻域的對抗能力，以實作無差别的幹擾與防禦。面對快速變化的戰場對抗态勢，提高水下通信對抗裝備的綜合應用效能成為重點方向；建構一體化的協同資訊網絡，支援縮短決策時間，提高指令傳達的時效性，形成一體化、網絡化、智能化裝備體系，增強對抗體系聯合指控能力。在裝備數量、對抗網絡規模同步擴大的場景下，進一步加強水下通信對抗裝備在态勢感覺、敵我識别等方面的精準程度，有助于提高水下非對稱資訊制衡能力。
五、大陸水下無線通信裝備面臨的發展困境
（一）整體差距
整體上，大陸UAC裝備領域因起步較晚，在産品化和成熟度上滞後于發達國家約5年；國内機構在傳播距離、誤碼率性能、裝備可靠性、産品譜系化等方面也落後于國際先進水準。需要深化UAC算法、網絡協定、試驗與應用等研究，加強換能器、數字系統的硬體開發，推進UAC譜系化産品研制。
在水下光通信裝備領域，國産裝備主要在可靠性、小型化、內建度、制作工藝等方面與國外産品存在差距，尚未形成小型水下移動平台專用的UWOC裝備體系，較多停留在試驗驗證、樣機設計階段。
在水下電磁波裝備領域，研制實際可用的微型水下電磁波通信機，将無線通信和資料傳輸擴充到海底、地下和其他尚不具備無線通信能力的環境中，實作跨媒體通信并增強應用能力，是國外新興發展方向。相比之下，國内尚未啟動類似研究，亟需布局水下電磁波通信技術研發項目，支援相關技術應用的創新發展。
在磁感應通信領域，目前國内外均處于理論研究和試驗驗證階段，沒有形成實際可用的水下通信裝備。鑒于磁感應通信在跨媒體、隐蔽性、通信速率等方面的固有優勢，需加強磁感應通信裝備研發，加速磁感應通信裝備的水下實際應用。
（二）底層共性問題
傳統海洋裝備強國已在核心傳感器體系、處理器晶片上實作子產品化、數字化、标準化、譜系化、智能化發展，相關産品在國際市場上占據了主導地位。在大陸，“探通導”裝備所需的核心傳感器、處理器晶片等較多依賴進口，面臨着潛在的壟斷、封鎖和禁運風險；雖然多數正常傳感器基本實作國産化，但是實際應用較少，導緻國内市場上仍以進口産品為主，深遠海場景所需的高端傳感器表現得尤為突出。
國産傳感器的準确性、穩定性、适應性等依然存在不足。在UWOC裝備上，國産高性能光器件的成熟度不及進口産品，無法滿足水下高速無線通信的實際需求；需着重發展高速大功率的氮化铟镓LED器件，據此解決UWOC系統“傳不遠、傳不快”的瓶頸問題。突破此類新型材料器件的核心技術，加快産品化及産業化程序，才能真正擺脫進口依賴現狀，切實提高國産深遠海通信裝備發展水準。
對于深遠海條件下的耐壓、密封等工藝，開展系統性設計所需的底層理論分析能力依然缺乏，有關數值模拟的廣度和深度亦有不足。在紮實提高基礎研究能力之後，才能築牢技術攻關、工程研制的基礎。
（三）頂層體系
目前，大陸深海通信裝備領域的發展重點仍然以高速和遠端資料傳輸、裝備穩定性及可靠性、資料安全與隐私保護、裝備能源供應及維護等為主，而相關頂層體系不夠清晰，行業發展的方向性不強。深海通信裝備、深海平台的發展耦合程度高，盡管部分深海通信裝備完成了樣機研制和相關試驗，但在平台應用上較國際先進水準還有一定的差距。需要通過體系牽引，梳理技術基礎，制定裝備規劃，确定重點技術方向及中長期發展目标。
六、大陸水下無線通信裝備發展建議
（一）攻關基礎機理與共性問題
開展各類通信媒體的傳播機理研究并建立相應的數學實體模型，為UWC裝備高品質發展提供堅實的理論基礎。針對高端傳感器研制中的薄弱環節，部署海洋傳感器材料、工藝方面的技術攻關類項目，着力解決海洋傳感器制約UWC裝備發展的共性問題。立足自主創新，支援UWC裝備基礎性、原創性研究，開展新材料開發及應用、新原理與新方法融合、新工藝等方面的攻關，提高傳感器結構設計、材料開發、共性通用等方面的研究水準，攻克制約UWC裝備發展的“卡脖子”問題。
（二）聚焦突破行業核心方向
UWC裝備研發與應用具有投資大、周期長、需求少的特殊性，也因相關應用市場不成熟而使企業的活躍度及參與度偏低。建議采用多元化籌資模式，設立水下通信裝備研發與風險投資基金，瞄準UWC裝備的重點發展方向，集中行業力量開展關鍵核心技術攻關，健全UWC裝備産業鍊。重點增強UWC裝備智能化環境感覺、水下各類資訊裝備間的水面 – 水下跨域通信、水下多模态資訊的大規模互動通信組網、“探通導”一體化的多元資訊融合、水下攻防智能無人化網絡對抗等能力。
（三）明晰裝備頂層體系架構
面向深遠海通信需求，開展深遠海UWC裝備領域的頂層設計，形成深遠海UWC裝備與技術的中長期發展規劃；以平台設計需求為牽引，精準開展UWC裝備研制和技術攻關，再以相關裝備和技術發展來推動平台能力提升，建構可持續發展機制。相應發展政策為：研制獨立的UWC裝備，開展各類型平台應用，形成獨立的功能系統；進行平台UWC裝備的智能化、網絡化功能更新，建構包含深海警戒、觀測、通信、導航定位等功能在内的深遠海資訊綜合系統；形成立體多元的深海資訊體系，拓展大陸深海裝備應用範圍。
（四）完善保障措施與扶持政策
建議組建UWC裝備公共試驗平台，為行業内的高校、科研機構、企業提供一緻的試驗保障條件。統籌開發UWC裝置共享管理平台，解決使用者實際應用需求并提高裝備使用率，廣泛擷取一線使用者的回報，形成UWC裝備良性循環發展模式。依據UWC裝備體系發展規劃，采取“産學研用”協同方式制定行業标準與規範，提高UWC裝備制造及應用的标準化水準。釋出長期穩定的激勵性政策，扶持UWC裝備制造業發展，深化國内應用與高水準“走出去”并舉，壯大大陸UWC裝備産業。
注：本文内容呈現略有調整，若需可檢視原文。
說明：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。