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美军水下通信技术发展现状及展望

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美军水下通信技术发展现状及展望

一、水下通信的主要方式

水声通信以声波为传输载体,经过几十年的发展,其性能已经趋于稳定。目前美军在役水声通信设备的声传输速度约为1500 m/s,传输距离可达数公里,但传输速度只能达到千比特/s (kb/s)量级,易受水温、水压、盐度、多普勒效应、水下噪声等多种因素影响。所以只能传输语音信号,完全不能适应复杂的战场情况,容易被敌方声纳侦察设备探测到。目前,

水下光通信以可见光为载体,在水声通信的基础上提高了传输速率。目前美军已经在一些无人作战单元上安装了短程光通信终端,可以达到每秒兆比特(Mb/s)的数量级,传输距离可以达到100米左右,适合水下编队的点对点传输和组网。其缺点是容易受到光散射和背景光污染的影响,光源容易被敌人的视觉侦察手段探测到,因此通信隐蔽性差,但信号难以破译。

水下微波通信以电磁波为载体,最初是为了在水下单位浮出水面后与预警飞机和卫星通信而设计的。在水下使用时,其性能和参数与光通信相似,受传输介质和多径效应的影响。其传输距离约10米,传输速率可达兆位/秒量级,通信隐蔽性优于光通信。通常用于水上通信,与水面接力通信。

磁感应通信是近两年研究的一种新的通信方式,它利用磁场作为载体,通过改变磁场强度来传输信息,兼顾了光通信和电磁波通信的优点。其传输距离可达100米,速度可达兆位/秒量级,隐蔽性强。现有检测设备的准确性难以发现,受到美国国家自然科学基金的高度重视。

二、主要进展

受复杂水文环境的影响,水下军事通信系统主要面临三大问题:水下通信速率、水下通信隐蔽性和水下与水面互联。围绕这三个问题,美军进行了一系列卓有成效的研究。

水下通信速率方面,美国海军现役装备中水声通信、光通信、微波通信的传输速率无法超越,战场高清视频等大容量数据无法传输。目前,为了提高水下通信速率,美国进行的研究主要集中在采用衰减更低、信道编码更先进的蓝绿光通信、正交载波复用、分布式数据传输和协调。美国密歇根大学、斯坦福大学等大学的研究人员在实验室环境下,水下光通信速率已经达到约,使用协同降噪技术的水声通信速率可以达到约,微波通信速率可以达到,与有源设备相比是一个很大的进步。通过新的协议栈和链路设计,多单元组网和协作能力有了很大的提高。

在水下通信的隐蔽方面,水声通信和光通信的固有保密性较差,简单的声纳和成像侦察完全可以探测到目标,通信保密性能完全取决于通信加密本身。微波通信信号衰减大,只能在很小的范围内使用,保密性比较强。但是也限制了水下通信的使用,经常是在浮出水面的时候使用。磁感应通信具有固有的安全优势,在保证传输速率的同时极难被检测到,这是未来研究的重点

关于水下与水面的互联问题,目前美军现役的“俄亥俄”级潜艇使用的是水面微波通信或与水面浮标的中继通信。一年来,美国等国家在采用水面接力通信方式方面取得了快速发展,实现了水下作战部队与水面舰艇、飞机、卫星等之间的接力通信。通过拖曳式水面浮标或部署式水面浮标。水上传输速率可达,拖曳式光纤通信浮标水下传输速率可达,部署浮标水下光传输速率可达,均可支持编队组网协作。

三、未来展望

目前,随着无人化和智能化装备的快速发展,水下通信技术逐渐成为影响水下作战部队信息化作战的瓶颈,无法支持复杂战场态势信息的实时传输需求,面临巨大挑战。

首先,在传输速率上,水声通信、微波通信、光通信等传统通信方式难以形成突破,无法支持未来视频传输、复杂战场信息传输等信息化作战。

其次,在传输隐蔽性方面,水声通信和光通信容易暴露自己的目标,具有无法弥补的固有缺点。磁感应通信系统的出现可以解决上述缺点。在保证传输速率和安全性的同时,能够适应各种复杂的水文环境,有可能成为未来水下通信系统的首选方案。

最后,关于水下和水上的互联互通,通过浮标进行水下和水上通信中继已经成为各国海军的共识。目前,各国仍在研究浮标的不间断供电、小型化和伪装,以增强水下目标的生存能力。

美军水下通信技术发展现状及展望

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