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　　今年9月ღ◈★ღ，中国工程院信息与电子工程学部发布“新一代信息工程科技新质生产力技术备选清单（2024）”ღ◈★ღ，提出5个领域163项技术ღ◈★ღ，水声通信便是其中之一ღ◈★ღ。

　　水声通信ღ◈★ღ，顾名思义就是利用声波在水下进行通信ღ◈★ღ。这个过程中ღ◈★ღ，文字ღ◈★ღ、语音ღ◈★ღ、图像等信息的电信号会被发射端压电换能器转换为声信号在水中传播ღ◈★ღ，接收端接收换能器则会将采集到的声信号再转换为电信号ღ◈★ღ，并恢复为对应的声音ღ◈★ღ、文字及图片ღ◈★ღ，完成信息的传输ღ◈★ღ。

　　随着人类在海洋中的活动越来越频繁ღ◈★ღ，如海洋调查ღ◈★ღ、海洋工程建设ღ◈★ღ、海底矿产资源开发利用等ღ◈★ღ，水下传输信息的需求也日益增加ღ◈★ღ。然而高清VPSWINDOWSღ◈★ღ，并不像陆上选用有线或无线电磁波ღ◈★ღ、激光等就可完成通信ღ◈★ღ，水下通信有特殊的性质PG官网电子直营站ღ◈★ღ、要求和难度ღ◈★ღ，这也是水声通信能够入选新质生产力技术的主要原因ღ◈★ღ。请看解读——

　　有线通信是指通过光纤PG官网电子直营站ღ◈★ღ、电缆等物理介质传输数据的通信方式ღ◈★ღ。传统的固定电话就是最典型的代表PG官网电子直营站ღ◈★ღ，它主要使用铜线或光纤连接用户家庭与电话交换机高清VPSWINDOWSღ◈★ღ，实现语音通信ღ◈★ღ。

　　然而ღ◈★ღ，想要在海底架起电话线并不容易ღ◈★ღ。电缆ღ◈★ღ、光缆受海底深度ღ◈★ღ、高压等复杂因素影响ღ◈★ღ，布设和维护成本高ღ◈★ღ，只适应定点通信ღ◈★ღ，使得水下有线通信的应用范围非常有限ღ◈★ღ。

　　无线通信是指利用电磁波ღ◈★ღ、微波和激光等载体在空间中传播信息ღ◈★ღ，实现通信双方无需物理连接就能进行信息传递的技术ღ◈★ღ。5G移动通信技术ღ◈★ღ、无线局域网ღ◈★ღ、蓝牙系统等ღ◈★ღ，都属于无线通信的范畴ღ◈★ღ。

　　水下无线通信是在水环境中通过无线载波传输数据的通信形式ღ◈★ღ。载波通常为电磁波ღ◈★ღ、光波和声波ღ◈★ღ，分为水下电磁波通信PG官网电子直营站ღ◈★ღ、水下光通信和水下声通信（简称水声通信）3种ღ◈★ღ。

　　人们广泛使用的电磁波在陆地上能满足远距离通信的需求ღ◈★ღ，一入水就变成了“旱鸭子”ღ◈★ღ。这是因为ღ◈★ღ，海水中的无机盐离子是强烈的导电性介质ღ◈★ღ，电磁波在传播过程中遇到它就像火在蔓延过程中遇到水一样ღ◈★ღ，会迅速衰减ღ◈★ღ，且频率越高ღ◈★ღ，衰减越快ღ◈★ღ。因此ღ◈★ღ，在水下ღ◈★ღ，电磁波只能实现百米以内短距离通信ღ◈★ღ。

　　水下光通信是使用蓝绿激光在百米量级上实现高数据率的数据通信ღ◈★ღ。众所周知ღ◈★ღ，光在空气中1秒内传播的距离相当于绕地球赤道7.5圈ღ◈★ღ。但是在水中ღ◈★ღ，光波传播时会与水中悬浮物“相撞”ღ◈★ღ，散射到各个方向ღ◈★ღ，导致光能分散ღ◈★ღ，光波能量大幅衰减ღ◈★ღ，在水中的传播距离严重受限ღ◈★ღ。研究表明ღ◈★ღ，只有蓝绿色波段是水下衰减相对较弱的光学窗口ღ◈★ღ，能满足短距离水下光通信需求ღ◈★ღ。

　　水声通信技术是利用声波在水下进行通信的手段ღ◈★ღ，水中声波源自于水的弹性和惯性ღ◈★ღ。假如ღ◈★ღ，在水中有一个气球突然膨胀ღ◈★ღ，它就会推动周围的水ღ◈★ღ，使之向外运动ღ◈★ღ。但水是有惯性的ღ◈★ღ，受推之后不会立即向外运动ღ◈★ღ，靠近气球的一层水就被压缩成密层ღ◈★ღ，这层水由于有弹性又会再膨胀起来ღ◈★ღ，使相邻的外层水压缩ღ◈★ღ，这层水又会再膨胀ღ◈★ღ，使更外边一层水压缩……这样ღ◈★ღ，在水中就会出现弹性波ღ◈★ღ，密层和疏层相间ღ◈★ღ，一层一层传向远方ღ◈★ღ。这就是水中的声波ღ◈★ღ。

　　来源于水ღ◈★ღ，依托于水ღ◈★ღ，声波并不像电磁波和光波一样会在水下传输时遭受巨大阻力ღ◈★ღ。采用低频率ღ◈★ღ、高功率的声波可在水下实现数千公里的数据传输ღ◈★ღ，能满足多种设备水下信息传输的应用需求ღ◈★ღ。

　　《通信系统原理》作者约翰·普罗克斯曾说ღ◈★ღ，水声信道是最恶劣的无线信道ღ◈★ღ。水声信道ღ◈★ღ，是声信号从发射端到接收端所经历的无线传输环境ღ◈★ღ。尽管是水下长距离通信的最佳选择ღ◈★ღ，但是水声通信技术的发展仍旧受到种种制约ღ◈★ღ、重重考验ღ◈★ღ，其最大的阻碍ღ◈★ღ，来自于水声信道ღ◈★ღ。

　　扩展损失ღ◈★ღ。如果我们在空旷的操场上用喇叭播放一首歌ღ◈★ღ，近处声音会很大ღ◈★ღ，距离越远ღ◈★ღ，声音越小ღ◈★ღ。声波就是这样ღ◈★ღ，传播越远ღ◈★ღ，能量越弱ღ◈★ღ。这种能量的损失PG官网电子直营站ღ◈★ღ，称为扩展损失ღ◈★ღ。声波在海水中传播ღ◈★ღ，也会有扩展损失ღ◈★ღ。

　　吸收衰减ღ◈★ღ。声波在介质中传播时ღ◈★ღ，会被介质吸收能量ღ◈★ღ，造成声波衰减现象ღ◈★ღ，这被称为吸收衰减ღ◈★ღ。在海水中ღ◈★ღ，吸收衰减“一言难尽”pg电子ღ◈★ღ，ღ◈★ღ。因为海水是一种极为复杂的溶液ღ◈★ღ，其中硫酸镁ღ◈★ღ、硼酸和硼酸盐等溶质造就了海水独特的吸收衰减特性ღ◈★ღ。海水吸收衰减系数大小与声波频率有着密切的联系ღ◈★ღ：声波频率越高ღ◈★ღ，吸收衰减系数就越大ღ◈★ღ；反之ღ◈★ღ，吸收衰减系数就越小ღ◈★ღ。声波频率越小ღ◈★ღ，水声通信的带宽越窄ღ◈★ღ，通信速率就越低ღ◈★ღ；频率越高ღ◈★ღ，通信距离越短ღ◈★ღ。比如ღ◈★ღ，在水中ღ◈★ღ，1kHz的声波可以传几十甚至上百公里ღ◈★ღ，1MHz的就只能传十几米ღ◈★ღ。因此ღ◈★ღ，水声通信设备需要根据应用需求设定声波频率ღ◈★ღ，以确保达到最佳效果ღ◈★ღ。这也增加了通信系统设计的复杂性ღ◈★ღ。

　　二维扩展性ღ◈★ღ。二维扩展性是指声波通过水声信道后会出现时延扩展和多普勒频移ღ◈★ღ。其本质是由于发射端发射的声波在海面ღ◈★ღ、海底间来回反射ღ◈★ღ，沿着多条不同的路径传播ღ◈★ღ，接收端会先后收到同一个信号经过不同路径后到达的多个信号ღ◈★ღ，这种现象被称为“多途传播”ღ◈★ღ。一方面会造成信号拖尾ღ◈★ღ，前面的信号干扰后面的信号ღ◈★ღ；另一方面ღ◈★ღ，还会造成某些频率的信号被增强ღ◈★ღ，某些被削弱ღ◈★ღ，导致最后接收信号的质量变差ღ◈★ღ。比如ღ◈★ღ，人们在山间呼喊时ღ◈★ღ，会有回声响应ღ◈★ღ，但当回声混在一起时ღ◈★ღ，人们容易分辨不出原声和回声高清VPSWINDOWSღ◈★ღ，这也是多途传播现象ღ◈★ღ。

　　频散性ღ◈★ღ。声波频散就是声波在介质中传播时ღ◈★ღ，由于介质中不同频率的声波传播速度不同ღ◈★ღ，导致不同频率的声波在传播过程中被分散ღ◈★ღ，从而引起声波信号失真的现象ღ◈★ღ。由于水声信道为多途信道ღ◈★ღ，且低频声波传播路径比高频声波长ღ◈★ღ，这导致接收端接收到不同频率声波的顺序有先后ღ◈★ღ，看起来高频声波传播速度快ღ◈★ღ、低频声波传播速度慢ღ◈★ღ，出现频散现象ღ◈★ღ。

　　时变性ღ◈★ღ。水声信道的特性会随时间而变化ღ◈★ღ，这种变化受温度ღ◈★ღ、盐度ღ◈★ღ、洋流ღ◈★ღ、内波等多种因素影响ღ◈★ღ，对通信的影响非常明显ღ◈★ღ，会降低水声通信效率ღ◈★ღ。一般来说ღ◈★ღ，通信距离越近ღ◈★ღ，时变性越强ღ◈★ღ；通信距离越远ღ◈★ღ，时变性越弱ღ◈★ღ。

　　海洋噪声干扰ღ◈★ღ。海洋中存在许多噪声源PG电子直营站APP下载ღ◈★ღ，ღ◈★ღ，包括海面波浪ღ◈★ღ、生物等引起的自然噪声和行船ღ◈★ღ、工业等引起的人工噪声ღ◈★ღ。这些不同的噪声具有不同的噪声级ღ◈★ღ、占据不同的频率ღ◈★ღ，会对水声信号造成不同程度的干扰ღ◈★ღ，影响通信质效ღ◈★ღ。

　　想象一下ღ◈★ღ，声波在大海传播的过程中ღ◈★ღ，会扩展ღ◈★ღ，会被海底ღ◈★ღ、海面反射ღ◈★ღ，会被海水吸收和散射ღ◈★ღ，会被噪声干扰……这个过程非常艰难ღ◈★ღ，以至于水声通信技术的发展非常缓慢ღ◈★ღ。但也正是因为发展缓慢ღ◈★ღ，其所蕴含的潜力也越大ღ◈★ღ。某种意义上看ღ◈★ღ，水声通信是海底的科技制高点ღ◈★ღ，也是发展新质生产力的新动能新赛道ღ◈★ღ。

　　虽然水声通信技术难度大ღ◈★ღ，物理限制多ღ◈★ღ，但其展现的巨大应用价值ღ◈★ღ，使得水声通信技术成为许多国家的重点发展对象ღ◈★ღ。

　　水声通信技术的源头可以追溯到莱昂纳多·达·芬奇的时代ღ◈★ღ。达·芬奇通过侦听淹没在海底的长管来探测远方船舶ღ◈★ღ，被认为是对水声通信原理的初次应用高清VPSWINDOWSღ◈★ღ。

　　第二次世界大战期间ღ◈★ღ，出于军事需要ღ◈★ღ，水声通信技术开始发展ღ◈★ღ。1945年ღ◈★ღ，美国海军研究实验室研制出基于单边带调制技术的水下电话ღ◈★ღ，用于潜艇间几公里距离内的通信ღ◈★ღ。

　　此后ღ◈★ღ，美国在水声通信技术方面一直处于国际领跑地位ღ◈★ღ，德ღ◈★ღ、英ღ◈★ღ、法ღ◈★ღ、日等国也在加速追赶ღ◈★ღ，水声通信技术在军备竞赛中快速发展起来ღ◈★ღ。截至目前ღ◈★ღ，这些国家已经有多家节点生产商ღ◈★ღ，形成了系列化的水声通信产品ღ◈★ღ，广泛应用于民用和军事领域ღ◈★ღ，整体技术水平相比几十年前已有较大进步PG官网电子直营站ღ◈★ღ。

　　近年来ღ◈★ღ，国外大量开展了分布式水下双向通信和传感器网络的研究工作水下科技ღ◈★ღ。ღ◈★ღ，并在方案验证ღ◈★ღ、模拟仿真的基础上进行了水声网络的海上实验ღ◈★ღ。

　　其中的典型代表ღ◈★ღ，是美国海军从20世纪90年代开始研发的Seaweb网络ღ◈★ღ。Seaweb网络是目前规模最大的在研实用水声网络ღ◈★ღ，主要用于水下战场监测ღ◈★ღ、海洋遥测ღ◈★ღ、水下无人航行器控制等ღ◈★ღ，可实现浅海恶劣环境条件下高质量数据传输ღ◈★ღ，并具有一定的自适应组织能力ღ◈★ღ，能够依据环境控制发射功率ღ◈★ღ。

　　从其具体应用层面看ღ◈★ღ，水声通信是水面舰船ღ◈★ღ、潜艇等装备实现双向信息传输最有效的手段ღ◈★ღ。比如在作战单元之间以及作战单元与指挥舰之间建立联系ღ◈★ღ，能保证指挥舰对作战单元进行战场指挥和传达指令ღ◈★ღ，或作战单元之间的协同作战ღ◈★ღ。在水下特种作战模式中ღ◈★ღ，可以利用水声通信作为蛙人ღ◈★ღ、蛙人运载器及其母艇之间的通信手段高清VPSWINDOWSღ◈★ღ，从而在水下相互传递行动信息ღ◈★ღ、共享作战态势ღ◈★ღ，保证命令的及时下达和团队行动的一致性ღ◈★ღ，形成一个相互关联的作战群体ღ◈★ღ。

　　在民用领域ღ◈★ღ，水声通信主要用于海洋调查ღ◈★ღ、海洋工程建设ღ◈★ღ、海底矿产资源开发利用等方面ღ◈★ღ。在海洋调查中ღ◈★ღ，水声通信技术可以实时回传海底仪器采集的海洋数据ღ◈★ღ，大大缩短了数据获取周期ღ◈★ღ，节省了费用ღ◈★ღ。在深海考察中ღ◈★ღ，水声通信设备是深海载人潜航器必不可少的装备之一ღ◈★ღ，除了用于数据信息的传输外ღ◈★ღ，还能让深潜员与水面科学家保持实时联络ღ◈★ღ，以随时应对水下突发状况ღ◈★ღ，完成科研任务ღ◈★ღ。在海上石油开采工业中ღ◈★ღ，水声通信设备被用于水下环境参数ღ◈★ღ、平台姿态ღ◈★ღ、地震和海啸预防等监测ღ◈★ღ，以确保施工开采现场的安全ღ◈★ღ。

　　现阶段ღ◈★ღ，水声通信技术正朝着网络化ღ◈★ღ、智能化ღ◈★ღ、全面化的方向不断发展ღ◈★ღ。我们相信ღ◈★ღ，在不久的将来ღ◈★ღ，由水下通信设备ღ◈★ღ、陆基平台ღ◈★ღ、海上平台ღ◈★ღ、空中平台和通信卫星等组成的陆海空天一体化网络一定会催生新的通信场景PG官网电子直营站ღ◈★ღ。想象一下ღ◈★ღ，自主水下航行器可以在数百公里外与母船通信联络ღ◈★ღ；海底众多未知的区域可以实时呈现在屏幕上ღ◈★ღ；海底的采矿设备可以在陆地工厂中通过物联网进行遥控PG官网电子直营站ღ◈★ღ。此时ღ◈★ღ，人类才真正实现了任何时间ღ◈★ღ、任意角落的互联互通ღ◈★ღ，生产生活方式或将因此而发生嬗变ღ◈★ღ。