海洋技术▏水下通信技术的分类、特征、应用及其最新研究进展
海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前
沿的领域之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且
还包含了有关气候的信息，以及大量急待开发的资源。
水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常
地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。水下无线通信
在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器
网络的关键技术。
水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信
和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合。
一、水下电磁波通信
⒈ 水下电磁波传播特点
无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大。水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50～120cm。低频长波无线电波水下实验可以达到6～8m的通信距离。30～300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米，但需要很长的接收天线，这在体积较小的水下节点上无法实现。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。
除了海水本身的特性对水下电磁波通信的影响外，海水的运动对水下电磁波通信同样有很大的影响。水下接收点相移分量均值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水下接收点相移分量的均值随着接收点的平均深度的增加而线性增大，电场相移分量的均方差大小受海浪的波动大小影响，海浪运动的随机性导致了电场相移分量的标准差呈对数指数分布。
⒉ 传统的水下电磁波通信
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。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追溯至第一次世界大战期间，当时的法国最先使用电磁波进行了潜艇通信实验。第二次世界大战期间，美国科学研究发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通信进行了研究，但由于水中电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通信一度被认为无法实现。
直至60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被各国海军大量研究。甚低频的频率范围在3～30kHz，其虽然可覆盖几千米的范围，但仅能为水下10～15米深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通信系统投入研制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对水下超过80米的潜艇进行指挥通信，因此超低频通信承担着重要的战略意义。但是，SLF系统的地基天线达几十千米，拖曳天线长度也超过千米，发射功率为兆瓦级，通信速率低于1bp，仅能下达简单指令，无法满足高传输速率需求。
⒊ 水下无线射频通信
射频（RF）是对频率高于10kHz，能够辐射到空间中的交流变化的高频电磁波的简称。射频系统的通信质量有很大程度上取决于调制方式的选取。前期的电磁通信通常采用模拟调制技术，极大地限制了系统的性能。近年来，数字通信日益发展。相比于模拟传输系统，数字调制解调具有更
强的抗噪声性能、更高的信道损耗容忍度、更直接的处理形式（数字图像等）、更高的安全性，可以支持信源编码与数据压缩、加密等技术，并使用差错控制编码纠正传输误差。使用数字技术可将-120dBm以下的弱信号从存在的严重噪声的调制信号中解调出来，在衰减允许的情况下，能够采用更高的工作频率，因此射频技术应用于浅水近距离通信成为可能。这对于满足快速增长的近距离高速信息交换需求，具有重大的意义。
对比其他近距离水下通信技术，射频技术具有多项优势：
⑴通信速率高。可以实现水下近距离，高速率的无线双工通信。近距离无线射频通信可采用远高于水声通信（50kHz以下）和甚低频通信（30kHz以下）的载波频率。若利用500kHz以上的工作频率，配合正交幅度调制（QAM）或多载波调制技术，将使100kbps以上的数据的高速传输成为可能。
⑵抗噪声能力强。不受近水水域海浪噪声、工业噪声以及自然光辐射等干扰，在浑浊、低可见度的恶劣水下环境中，水下高速电磁通信的优势尤其明显。
⑶水下电磁波的传播速度快，传输延迟低。频率高于10kHz的电磁波，其传播速度比声波高100倍以上，且随着频率的增加，水下电磁波的传播速度迅速增加。由此可知，电磁通信将具有较低的延迟，受多径效应和多普勒展宽的影响远远小于水声通信。
⑷低的界面及障碍物影响。可轻易穿透水与空气分界面，甚至油层与浮冰层，实现水下与岸上通信。对于随机的自然与人为遮挡，采用电磁技术都可与阴影区内单元顺利建立通信连接。
⑸无须精确对准，系统结构简单。与激光通信相比，电磁通信的对准要求明显降低，无须精确的对准与跟踪环节，省去复杂的机械调节与转动单元，因此电磁系统体积小，利于安装与维护。
⑹功耗低，供电方便。电磁通信的高传输比特率使得单位数据量的传输时间减少，功耗降低。同时，若采用磁祸合天线，可实现无硬连接的高效电磁能量传输，大大增加了水下封闭单元的工作时间，有利于分布式传感网络应用。
⑺安全性高。对于军事上已广泛采用的水声对抗干扰免疫。除此之外，电磁波较高的水下衰减，能够提高水下通信的安全性。
⑻对水生生物无影响。更加有利于生态保护。
⒋ 水下电磁波通信的新进展
水下低频射频通信虽然能实现长距离通信，但其发信台站十分庞大，天线极长，抗毁能力差。1000公里波长的超长波电台，一般都用1/8波长天线，天线长度达到125公里。例如，美国1986年建成并投入使用的超长波电台天线横亘135公里。
为此，美DARPA欲采用新的方法，研究使用数百赫兹～3千赫兹的特低频（ULF）电磁波和3～30千赫兹的甚低频（VLF）电磁波在水下传输信号，项目名称为“机械天线”（AMEBA）。其根本目的是开发微型、全新
的ULF/VLF信号发射机，单兵在陆上、水中、地下均可携带。AMEBA项目研发经费约为2300万美元，按计划应于2017财年第3季度正式启动，共分为三个阶段，第一阶段为期18个月，第二阶段为期15个月，第三阶段为期12个月，将在大约4年的时间里推出产品。
近年来，美国在水下声通信基础技术领域取得了丰硕的成果，编码技术、信道均衡技术、纠错及安全传输方面均取得重大进展。同时在电磁通信、光通信等非声通信基础技术领域也开展了大量的研究工作，取得了一定的进展，为后续方案设计和研发奠定了良好的基础。2016年末至2017年初，美海军和DARPA等机构，面对实际作战场景，在水下声通信、无线电通信、光通信等领域均部署了重大应用项目。一方面得益于近年基础技术的积累，一方面充分利用海军、DARPA这些擅于利用创新思维、攻克瓶颈技术、形成颠覆性作战能力的机构的优势，上述重大项目落地指日可待，未来很可能突破水下通信和跨域通信的瓶颈。
二、水声通信
水声通信是其中最成熟的技术。声波是水中信息的主要载体，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，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。
⒈ 水声信道的特性
声波在海面附近的典型传播速率为1520m/s，比电磁波的速率低5个数量级，与电磁波和光波相比较，声波在海水中的衰减小得多。
水声通信系统的性能受复杂的水声信道的影响较大。水声信道是由海洋及其边界构成的一个非常复杂的介质空间，它具有内部结构和独特的上下表面，能对声波产生许多不同的影响。
⑴多径效应严重。当传输距离大于水深时，同一波束内从不同路径传输的声波，会由于路径长度的差异，产生能量的差异和时间的延迟使信号展宽，导致波形的码间干扰。当带宽为4kHz时，巧米的路径差即会造成10毫秒的时延，使每个信号并发40个干扰信号。这是限制数据传输速度并增加误码率的主要因素。
⑵环境噪声影响大。干扰水声通信的噪声包括沿岸工业、水面作业、水下动力、水生生物产生的活动噪声，以及海面波浪、波涛拍岸、暴风雨、气泡带来的自然噪声。这些噪声会严重影响信号的信噪比。
⑶通信速率低。水下声信道的随机变化特性，导致水下通信带宽十分有限。短距离、无多径效应下的带宽很难超过50kHz，即使采用16-QAM
等多载波调制技术，通信速率只有Ikbps-20kbps。当工作于复杂的环境中，通信速率可能会低于Ikbps。
⑷多普勒效应、起伏效应等。由发送与接收节点间的相对位移产生的多普勒效应会导致载波偏移及信号幅度的降低，与多径效应并发的多普勒频展将影响信息解码。水媒质内部的随机性不平整，会使声信号产生随机的起伏，严重影响系统性能。
⑸其他。声波几乎无法跨越水与空气的界面传播；声波受温度、盐度等参数影响较大；隐蔽性差；声波影响水下生物，导致生态破坏。
⒉ 水声通信技术
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以及传输的时延大。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。
⑴单边带调制技术。世界上第一个水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，主要用于潜艇之间的通信。该模拟通信系统使用单边带调制技术，载波频段为8～15kHz，工作距离可达几公里。
⑵频移键控（FSK）。频移键控的通信系统从上世纪70年代后期开始出现到目前，在技术上逐渐提高频移键控需要较宽的频带宽度，单位带宽的通信速率低，并要求有较高的信噪比。
⑶相移键控（PSK）。上世纪80年代初，水下声通信中开始使用相移键控调制方式。相移键控系统大多使用差分相移键控方式进行调制，接收端可以用差分相干方式解调。采用差分相干的差分调相不需要相干载波，
而且在抗频漂、抗多径效应及抗相位慢抖动方面，都优于采用非相干解调的绝对调相。但由于参考相位中噪声的影响，抗噪声能力有所下降。
近年来，水声通信在以下两个方面取得了很大的进步：
⑷多载波调制技术。
⑸多输入多输出技术。
⒊水声通信的新突破
作为主要的水下通信方式，水声通信的技术难度很大，核心问题就是由水声信道的时变性和空变性所带来的强干扰问题，需采用有效的多普勒补偿措施，确保低误码率，提高传输速率和通信距离，用于军用目的还要考虑信息传递的安全和多址接入等问题。2017年水声通信技术出现突破性发展，通信速率提高，通信距离增大，并颁布了首部水声通信标准。
⑴韩国水声通信技术现传输距离突破
2017年5月，韩国水下声通信技术试验实现传输距离突破，水深100米通信距离达到30千米，比现有技术传输距离提高了2倍以上。
⑵美国伯克利实验室研发轨道角动量复用技术，实现深海水声通信速率8倍提升
2017年6月，美国劳伦斯•伯克利国家实验室完成螺旋声波多路复用技术陆上实验，验证了声波信号高效并行传输技术可行性，实现通信速率8倍提升，为破解远距离水声通信速率低的难题提供了新途径。
水声通信（特别是200米及以上距离）的可用带宽限制在20KHz以内的频率范围，这种低频限制了数据传输率，只能达到每秒几十kb的速
度。研究人员创造性地采用了广泛应用于电信和计算机网络中的多路复用技术理念，将多路复用轨道角动量首次应用于声学通信，在单个频率上包装更多的信道，显著提高了信息传输速率。
这项研究在高速声学通信方面具有巨大潜力。这项技术一旦应用，可成倍提高水声通信容量，在海洋表面以下原本只能发送文字信息，而扩充容量后甚至可以传输高清电影。该创新方案将惠及潜水员、海洋调查船、远程海洋监测器、深海机器人，为潜艇、无人潜航器等武器装备水下通信能力带来大幅跃升。
⑶北约推出首个国际层面认可的水下通信协议
北约于2017年5月2日推出首个国际层面认可的水下通信协议--JANUS协议。
JANUS协议实际是一套将信息编码为声音的方法，可以很方便地整合进军用或民用、北约或非北约系统中，用于反潜战、反水雷战、海上保卫及搜救等行动。该协议的采纳将改变不同国家、制造商的水下系统无法兼容的现状。
三、水下量子通信
⒈ 水下激光通信
水下激光通信技术利用激光载波传输信息。由于波长450nm～530nm 的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，因此蓝绿激光作为窗口波段应用于水下通信。蓝绿激光通信的优势是拥有几种方式中最高传输速率。在超近距离下，其速率可到达100Mbps级。蓝绿激光通信方向性好，接收天线较小。蓝绿激光水下通信具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好、设备轻巧且抗截获和抗核辐射影响能力好等优点，得到快速发展和广泛研究业界和军事部门一直在持续研究。
70年代初，水下激光技术的军事研究开始受到重视。90年代初，美军完成了初级阶段的蓝绿激光通信系统实验。但激光通信目前主要应用于
卫星对潜通信，水下收发系统的研究滞后。蓝绿激光应用于浅水近距离通信存在固有难点：
⑴散射影响。水中悬浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射作用，对于浑浊的浅水近距离传输，水下粒子造成的散射比空气中要强三个数量级，透过率明显降低。
⑵光信号在水中的吸收效应严重。包括水媒质的吸收、溶解物的吸收及悬浮物的吸收等。
⑶背景辐射的干扰。在接收信号的同时，来自水面外的强烈自然光，以及水下生物的辐射光也会对接收信噪比形成干扰。
⑷高精度瞄准与实时跟踪困难。浅水区域活动繁多，移动的收发通信单元，在水下保持实时对准十分困难。并且由于激光只能进行视距通信，两个通信点间随机的遮挡都会影响通信性能。
由以上分析可知，由于固有的传输特性，水声通信和激光通信应用于浅水领域近距离高速通信时受到局限。
目前，对潜蓝绿激光通信最大穿透海水深度可达到600米，远比甚低频和特低频等射频信号强，且数据传输速率可达100Mb/s量级，远高于射频信号。其不足之处在于光源易被敌方的可视侦察手段探知，且通信设备复杂，技术难度较大。目前基本上尚处于研制、试用阶段，前景难料。
2017年7月，业界在在蓝绿激光水下无线通信中取得了突破性进展。日本国立海洋研究开发机构在日本防卫省的资金支持下在水深700米至800米的海洋环境完成了水下移动物体间蓝绿激光无线通信，通信距离超
过100米，通信速率达20MbB/s（这一速度可实时传输视频画面）。这预示着该技术向实用化又迈出坚实的一步。这一技术将来有望应用于海底探测等水下作业、海底观测仪器与船舶及无人机之间的通信以及潜艇通信等军事领域。
⒉ 水下中微子通信
中微子是一种穿透能力很强的粒子，静止质量几乎为零，且不带电荷，它大量存在于阳光、宇宙射线、地球大气层的撞击以及岩石中，50年代中期，人们在实验室中也发现了它。
通过实验证明，中微子聚集运动的粒子束具有两个特点：
⑴它只参与原子核衰变时的弱相互作用力，却不参与重力、电磁力以及质子和中子结合的强相互作用力，因此，它可以直线高速运动，方向性极强；
⑵中微子束在水中穿越时，会产生光电效应，发出微弱的蓝色闪光，且衰减极小。
采用中微子束通信，可以确保点对点的通信，它方向性好，保密性极强，不受电磁波的干扰，衰减极小。据测定，用高能加速器产生高能中微子束，穿透整个地球后，衰减不足千分之一，也就是说，从南美洲发出的中微子束，可以直接穿透地球到达北京，而中间不需卫星和中继站。另外，中微子束通信也可以应用到例如对潜等水下通信，发展前景极其广阔，但由于技术比较复杂，目前还停留在实验室阶段。
⒊水下量子通信的新发展
量子通信技术是以单光子为信息载体，结合量子叠加和量子不可克隆等量子力学基本物理原理，和通信与系统、计算机科学，以及光科学与工程等学科交叉融合发展起来的新一代信息技术。量子通信有望帮助人类实现真正意义的无条件安全的保密通信，在未来的金融、军事、公共信息安全等方面展现出极大的发展前景，已成为未来信息技术发展的重要战略性方向之一。基于光纤和自由空间大气信道的量子通信已经被证明是可行的，近年来得到了长足的发展。然而覆盖了地球70%的海洋是否可以被用作量子信道仍然是未知的。缺少了海洋，全球化的量子通信网是不完整的。
不久前，上海交通大学金贤敏团队成功实现了首个海水量子通信实验，观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性，国际上首次实验验证了水下量子通信的可行性，这标志着向未来建立水下以及空海一体量子通信网络迈出了重要一步。证明了量子通信技术不仅可以“上天、入地”，还可以“下海”。
首先，是海水对光的损耗问题。在海水中，很强的吸收和散射看起来对光的传输非常不利，这也是为什么海水乍看起来并不是做为量子通信的好的介质。克服这个困难的方法是利用405nm的光子，这个波段位于海水的“蓝绿窗口”，在此窗口内，海水的吸收较其他波段要弱。为了验证海水作为量子通信信道的可行性，并不失一般性，他们在提取海水样本时，均取自大连市到獐子岛之间沿岸海域不同位置的表层海水（见下图）。
其次，是量子态在海水中的抗干扰能力。对应经典信息中的比特，量子比特是量子通信的基本单元。那经过海水信道之后，量子比特能否“存活”下来呢？实验给出的回答是肯定的。研究人员利用光子的极化做编码，海水是一种各向同性介质，因此不会有很强的退极化效应，这就为极化编码的量子比特穿越海水提供了前提。实验也验证了光子的极化能在海水分子的多次碰撞中存活并传输,任何发生退极化的光子都可以通过滤波的方式予以滤除。
此外，此次实验还利用量子过程层析来刻画海水信道中初末态转化的物理过程，实验结果显示海水信道的综合作用类似于一个单位矩阵，即使经历了海水巨大的信道损耗，只要有少量的单光子存活下来，极化编码的光子只会丢失，而不会发生不可接受的量子比特翻转，仍然可以被用于建立安全密钥。
最后，我们实验验证了光子的纠缠特性能否在海水信道中保持下来。量子纠缠作为一种重要的资源，被广泛应用于量子信息科学，包括量子通信、量子隐形传态等。因此，研究海水对纠缠源品质影响，是探索未来海水量子通信实用化非常重要的一步。
四、水下无线通信的应用
海洋、湖泊等水下区域不但蕴含着丰富的资源，也与人类社会的发展构成直接的关联。在传统的陆空通信网络日趋完善的今天，水下通信的应用正在逐渐增多。有缆通信方式使目标的活动区域大大受到限制，且安装、使用、维护繁琐昂贵，因此不适于水下节点间的动态通信。
水下通信一般是指水上实体与水下目标（潜艇、无人潜航器、水下观测系统等）的通信或水下目标之间的通信。水下通信主要应用声波、低频无线电和光波作为信息载体。水下无线通信是以水为媒质，利用不同形式的载波传输数据、指令、语音、图像等信息的技术，其应用方向主要有：
⑴潜水员、无人潜航器（AUV）、水下机器人等水下运动单元平台间的信息交换。
⑵海岸检测、水下节点的数据采集、导航与控制、水下生态保护监测等三维分布式传感网应用。
⑶水下传感网、水下潜航单元与水面及陆上控制或中转平台间的通信。可见，水下无线通信技术在民用、科研及军事领域中前景广阔。由于水下复杂的时空环境，通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈，这与不
断增长的水下通信需求形成矛盾。例如，潜航器的控制需要100bps以上的数据率，水下传感组网的数据率需求将超过8kps，而传输声音、图像信息则需要更高的数据传输速率。由于传播媒质的不同采用陆地、空气中常用的微波、超短波通信方式，将带来极大的衰减。因此，寻找更速的无线通信技术，成为水下通信研究领域的核心目标之一。
水下磁感应通信、水下中微子通信和引力波通信就是人们不断探索发掘出的新型水下通信技术，具有更优良的性能潜质。磁感应通信是采用磁场为载体，通过改变磁场强度进行信息传输，水下磁感应通信具有隐蔽性强和传输速率高等特性优势；中微子波束可以在任何物质里以光速独往独来，水下中微子通信保密性极强，衰减极小，可让相距遥远的两艘潜艇实施不间断的通信连接，让在深海任意深度活动的潜艇直接与陆上的指挥中心联系，在未来将有重要的战略用途，尤其在有线通信受到破坏、无线通信又遭受强烈干扰的情况下；引力波是一种以光速传播的横波，具有很强的穿透力，没有任何物质能阻挡住引力波的传播，在水中传播距离超过1000km，将是大有发展前景的未来水下通信技术。
近两年来，业界和军事部门在水声通信、光通信、射频通信等传统水下通信领域的研究不断取得突破性进展：美军探索特低频/甚低频
（ULF/VLF）水下通信技术新实现方法；美国业界在实验室环境下实现了隐秘性很强的水下磁感应通信；2017年上海交通大学金贤敏团队成功完成了海水量子通信实验，首次验证了水下量子通信的可行性通信距离可达数百米，向未来建立水下及空海一体量子通信网络迈出重要一步。
五、结语
水下无线通信有三大类：水下电磁波通信、水声通信和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合。
虽然电磁波在水中的衰减较大，但受水文条件影响甚微，使得水下电磁波通信相当稳定。水下电磁波通信的发展趋势为：既要提高发射天线辐射效率，又要增加发射天线的等效带宽，使之在增加辐射场强的同时提高传输速率；应用微弱信号放大和检测技术抑制和处理内部和外部的噪声干扰，优选调制解调技术和编译码技术来提高接收机的灵敏度和可靠性。此外，已有些学者在研究超窄带理论与技术，力争获得更高的频带利用率；也有学者正寻求能否突破香农极限的科学依据。
由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信技术的发展方向。
水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信受环境的影响较大克服环境的影响是将来水下光通信技术的发展方向。
上海交通大学金贤敏团队成功实现首个海水量子通信实验，在国际上首次验证了水下量子通信的可行性，为量子通信技术上天、入地、下海的未来图景添上了浓墨重彩的一笔。金贤敏团队的实验结果显示，可预期的
水下量子通信最远距离可达数百米，足以对水下百米量级的潜艇和传感网络节点等进行保密通信，从而在军事和高商业机密领域大显身手。
他们在实验中选择光子的极化作为信息编码载体，并通过模拟证明，即使经历了海水巨大的信道损耗，极化编码的光子也只会丢失，而不会发生量子比特翻转，也就是说，只要存留下少量单光子，仍可被用于建立安全密钥。期待在不久的将来，可实用的水下、空海一体的量子通信时代就会到来。
水声信道传输特性分析及其应用研究 随着科技的进步，水下通信技术亦越来越成熟，水声通信作为一种重要的水下 通信方式，具有传输距离远、带宽大、传输数据多等特点，已得到广泛的应用。然而，由于水声信道不同于陆地上的无线信道，在传输过程中会受到海水传播、衰减、反射等因素的影响，因此对水声信道传输特性进行深入研究和分析，对于水声通信系统的设计、调节及优化具有重要意义。 一、水声信道传输特性的影响因素 水声信道的非线性、不稳定等特性，导致传输信号经常会发生弯折、衰减、回 声等问题，因此需要深入研究水声信道的传输特性和影响因素。 1、海水传播特性 海洋环境的复杂性是导致水声信道传输特性具有波动性和不稳定性的主要原因。不同深度的海水具有不同的速度和密度，且随着水温、盐度等的变化而改变，这些因素对于水声信道的传输特性影响很大。 2、声波衰减特性 随着声源到接收器距离的增加，海水的吸收和散射作用将导致信号衰减。水声 信道的声波衰减特性是指声波穿过介质后，会因为介质内部的各种因素而逐渐减弱的现象。声波的吸收和散射会受到介质中的粒子密度和杂质等因素的影响，从而亦会影响声波的传输。 3、反射、折射特性 海洋环境中的海水层次观看，会因海水的速度而发生折射，且在海水的不同层 次之间亦会发生反射，造成了信号的路径增长和算子间的互制干扰，严重影响了传播距离和传输速度，这是水声信道研究必须重视的因素。
二、水声通信中传输特性分析的意义 了解水声信道的传输特性，对于水声通信的设计、运营、维护及升级具有非常重要的意义。在通信中，信道的质量决定了信号质量的优劣，因此理解水声信道传输特性的影响因素和较好地掌握水声信道的传输特性对于应对信道冲击具有重要的意义。 首先，通过研究水声信道传输特性，可以加强水声通信系统设计的有效性和可靠性。水声信道的折射、反射和衰减等特性均会令信道中的信号信噪比下降，研究这些因素的影响，能够优化信道设计，提高信号传输质量。 其次，有针对性地调节水声通信系统参数，加强系统稳定性。了解水声信道的传输特性，有助于对水声通信系统的参数进行调节，提高传输的可靠性。 第三，通过分析水声信道传输特性，有助于提高通信系统的实况性和准确性。水声信道的波动性已获得广泛的研究，通过对声速梯度、温度变化、盐度变化等传输参数进行全面、准确的分析和预测，可以减少信息失真及传输误差。 三、水声通信应用研究 水声通信的应用研究一直是水下工程领域的热点之一。随着水声通信技术的不断发展和完善，新的应用也不断涌现。 1、水下声呐系统 水下声呐是一种广泛应用水声通信技术的工具，既可以用于水下定位，也可以用于通信。水下声呐系统通过对水下环境中声波传播的分析，可以对位于水下的设备或人员进行定位、追踪和交流。 2、海洋监测系统
水下声学通信技术的研究与应用 近年来，随着海洋经济持续发展，人们对海洋资源的利用和管 理越来越重视。而随着现代通信技术的不断发展，水下声学通信 技术也成为了人类探索海洋和开发海洋经济的重要手段之一。本 文将从水下声学通信技术的原理、研究进展以及应用前景等方面 展开论述。 一、水下声学通信技术的原理 在水中传输信息，水下声学通信技术显然是最常用的手段之一。而水下声学通信的原理，则是利用声波在水中传播的特性来进行 信息传输。声波是机械波，其在水中传播的速度相对于空气要快 得多。在海洋中，声波的传播速度大致在1500米/秒左右，而在水中传播的距离也会比在空气中更远。这正是水下声学通信技术能 够实现远距离传输的原因之一。 另一个使水下声学通信成为可能的原因，则是声波的频率可以 非常高。频率越高，传输的信息量也就越大。但随之而来的也是 成本的增加。然而，在海洋环境中，由于水分子、氧气和悬浮物 等的影响，高频声波的传播距离会受到影响。为了尽可能大的保 持高频信号的传输距离和信号质量，需要对水下声学通信的传输 参数进行严格控制。 二、水下声学通信技术研究进展
由于水下环境的复杂性，水下声学通信技术的研究难度非常大。近年来，科学家们不断努力，成功地取得了许多令人瞩目的成果。 例如，美国海洋大气局（NOAA）的研究人员就成功利用水下 声学通信技术，将信息从地球的一个角落传到另一个角落。这项 实验的传输距离为7,916公里，创造了世界记录。 此外，在中国，国内的水下声学通信技术同样取得了不俗的成果。中国科学院声学研究所的科学家们，采用了自主研发的低频 音源、大功率放大器和相应的控制系统等技术，开发出高速水下 通信系统。 三、水下声学通信技术应用前景 利用声学通信进行水下探测、海洋开采和海洋环境监测等领域 已经成为了一个发展迅速、关注度高的领域。 例如，在海洋工程领域，水下声学通信技术被广泛应用。科学 家们可以通过水下声学仪器监测海洋中的地震、海洋生物、海底 地形等。同时，对于海产养殖、深海海底管道的维护、海底资源 开采等领域，水下声学通信技术同样具有广阔的应用前景。 此外，水下声学通信技术还可以用于进行军事通信和国家安全 保障。随着我国经济的发展和维护海洋权益的需要，水下声学通 信技术也将越来越受到重视。
水下无线通信技术探析 提纲： 一、水下无线通信技术的现状和挑战 二、水下无线通信技术的原理和分类 三、水下无线通信技术的应用 四、水下无线通信技术发展趋势 五、水下无线通信技术的关键技术和未来研究方向 一、水下无线通信技术的现状和挑战 随着海洋开发和利用的日益深入，水下通信已成为当前和未来的重要领域。海底地质、海底资源开发、海洋军事等应用领域都需要水下通信技术的支持。然而，水下环境物理参数复杂且变化快速，水下传输信道极度严峻，水下通信的数据传输速率低且传输距离有限，这些都是水下无线通信技术所遇到的挑战。因此，水下无线通信技术的研究变得越来越重要。 二、水下无线通信技术的原理和分类 水下无线通信技术包括声学通信、水电磁通信和光学通信等。声学通信利用声波在水中传输数据，是现在水下通信中主要的技术。水电磁通信是指利用较低频率的电磁波在水中传输数据。光学通信则是将激光束或LED光源扫描波导中的数据进行传输。这三种技术各有优缺点，可应用于不同的场合。 三、水下无线通信技术的应用
1. 海底地质勘探：声学通信技术在深海勘探领域有着广泛应用，可以对海底地质进行高精度测量。 2. 海底资源开发：水下通信对于海底石油、天然气的开采，具有重要作用。 3. 水下机器人：配备无线通信设备的水下机器人可用于水下作业、海洋环境监测、海底地质勘探等领域。 4. 海上交通：声学通信技术可用于向具备语音和数据通信功能的船只发送海气象预报信息。 5. 海洋军事：水下无线通信在海洋军事中也具有重要作用，可以用于水下目标定位和水下舰艇通信等。 四、水下无线通信技术发展趋势 在不断发展和完善的过程中，水下通信技术将更加稳定，传输速度和距离将会有所提升。同时，水下无线通信技术将会与网络、绿色能源、环保与可持续发展等领域得到更广泛的应用，这也是水下通信技术的未来发展方向。 五、水下无线通信技术的关键技术和未来研究方向 1. 信道建模技术：分析水下信道环境，建立合理的信道模型对于研究水下通信的技术方案和性能的分析有关键作用。
水声通信技术研究及其应用 水声通信是利用水体作为传输介质，将声波信号转换成数字信号，实现信息的 传递。水声通信技术主要应用于水下观测、管道巡检、海洋测量、水下作业、水下声呐、水下机器人等领域。水声通信技术在海洋领域有着广泛的应用，对于保护海洋生态、资源勘探等有着积极的推动作用。本文将对水声通信技术的研究和应用进行探讨。 一、水声通信技术的基本原理 水声通信技术的基本原理是利用水中传播的声波将信息传递至远程，在传播过 程中，水的吸收、散射、多次反射等作用都会对传输信号产生影响。基于水声通信特点和传输过程的影响，研究人员开发出了一系列水声通信技术，例如QPSK调制、OFDM等技术，有效地提高了水声通信的可靠性和抗干扰性。此外，海水中 会存在一些出现波速不均匀、波速剪切等现象，因此也需要对信号进行特殊处理。 二、水声通信技术的应用 1. 海洋资源勘探 水声通信技术在海洋领域有着广泛的应用，其中一项重要的应用领域是海洋资 源勘探。如今，全球海上石油开采领域中，水下的通信设备也越来越普及，水声通信技术已成为石油捕捞作业中获取数据、控制设备、安全传输信息的重要方式。 2. 水下作业 水声通信技术也可以应用于水下作业，例如水下沉船拍摄、水下的管道检测等。这一领域的需求更多的是对局部的关键数据进行传输、控制和观测，以便发现并解决问题。 3. 海洋生态保护
水声通信技术在海洋生态保护领域也扮演着重要的角色。通过水声匹配滤波技术和水声通信，可以定位到各种声源和鱼群。海洋生态保护作为一个跨学科领域，需要各个领域的专家进行协作研究，水声通信技术的应用，能够从声学的角度为生态保护提供有效的技术支持。 三、水声通信技术的研究方向 1. 海洋智能物联网 海洋智能物联网（IOST）是物联网技术在海洋领域的应用。随着信息技术的发展和天然资源的枯竭，人们对海洋资源的开发和管理越来越受到关注。水声通信技术在IOST中提供海底传感器网络数据传输的主要方法，海洋传感器网络与水下通信技术的结合，可以提高海洋监测的效率和精度。 2. 扩展水声通信频段 水声通信技术在一定频段内有较好的传输特性，但受限制于频段，很难满足高速通信的需求。研究人员正在探索新的扩展水声通信频段的方式，例如基于光纤的水声通信技术，可以在频带和距离方面取得更大的提升。 四、水声通信技术存在的问题和未来展望 水声通信技术的应用、研究和推广需要各个领域的专家进行过交流对话，需要多方面的创新和协作。但目前，水声通信技术还面临很多问题，例如频段受限、数据传输稳定性不高等问题。未来，随着信息技术的不断发展和智能城市的建设，水声通信技术还有很多未来拓展的空间，研究人员需要持续不断地进行创新研究和跨领域的交流合作，以提高水声通信技术的可靠性和应用性。 综上所述，水声通信技术在海洋领域拥有广泛的应用前景，能够推动海洋文明建设和生态保护。水声通信技术的未来也是充满希望的，我们期待研究人员的持续创新和突破，将水声通信技术应用于更多领域中。
水下声波通信技术的改进和应用水下声波通信技术是指通过水中传递声波，实现信息的传输。随着深海开发和海洋资源开发利用的日益增多，水下声波通信技术也逐渐得到了广泛应用。但是，由于海洋环境的复杂性和声波受限传输特性，水下声波通信技术也面临着许多挑战。本文将从以下几个方面探讨水下声波通信技术的改进和应用。 一、水下声波通信技术的现状 目前，水下声波通信技术已经成为远洋探测、海洋资源勘探、海底地震观测、海底气田开发等海洋领域的重要技术。同时，随着水下机器人、水下无人潜水器等技术的发展，水下声波通信技术也得到了进一步的应用。 水下声波通信技术的主要应用包括：声信标系统、水下通信设备、水下无线网络、水下音乐和视频播放等。其中，声信标系统是海上航行中必备的设备，可以为船只提供精确定位、导航和预警功能。水下通信设备则主要用于深海勘探、水下救援和科学研究等领域，能够传递各种信息，如声音、图像、数据等。水下无线网络则是未来智能海洋的关键技术之一，可以实现水下设备之间的互联与通信，支持多种应用场景。水下音乐和视频播放则是为了满足深海科考、水下娱乐等需求而开发出来的技术。 二、水下声波通信技术存在的问题
虽然水下声波通信技术已经得到了广泛应用，但是仍存在着许 多问题。 1. 受限传输特性 在海洋环境中，由于水的密度和压力的变化，声波传输受到了 很大的限制。水下声波通信的传输距离较为有限，且需要较高的 功率才能保证较好的传输效果。此外，海洋中存在很多的障碍物，如鱼群、珊瑚礁、海藻等，这也会对声波传输造成一定的干扰和 衰减。 2. 抗干扰能力较弱 受限传输特性导致水下声波通信的抗干扰能力较弱，同时，水 下声波通信需要频繁使用调制和解调技术来保证信息的传输质量，但是这也会使得系统在面对外界噪声和多路径传播时对抗干扰的 能力较弱。 3. 安全性和隐私问题 水下声波通信的特殊性质使得它很难被拦截和窃听，但是，一 些恶意人士仍然可以通过对声波的攻击和窃听来获取敏感信息和 实施恶意攻击。 三、水下声波通信技术的改进
高有效深度水下无线通信 在人类历史的很长一段时间内，水下通信一直是困扰着人类的难题。但是，在现代科技的发展下，高有效深度水下无线通信终于得以实现。这种无线通信技术可以在水下环境中传输数据和信息，包括声音、图像、视频和其他形式的电子数据。它被广泛应用于海洋勘探、海底资源开发、海洋军事、深海科学研究和水下文化遗产保护等方面。本文将介绍高有效深度水下无线通信的原理、应用和前景。 一、原理 高有效深度水下无线通信一般基于声波传播的原理。声波信号是一种横波，具有很好的穿透力和传播距离。水的密度比空气大约800倍，因此声波在水中的传输速度大约是空气中的4倍。而水的吸收噪声也相对较小，因此水下通信系统可以使用低频声波加密信息传输。 这种无线通信技术主要包括两个部分：声波信号发射器和声波信号接收器。声波信号发射器将数字信号转换成声波信号，然后利用水下声学发射技术将声波信号发送到接收器。声波信号接收器接收声波信号，然后将其转化为数字信号，解码并下载到计算机或移动设备上。 二、应用 高有效深度水下无线通信技术广泛应用于以下方面： 1. 海洋勘探 海洋勘探是这种技术的主要应用之一。利用高效的声音传输技术，地球物理学家可以探测到地质结构和海洋资源，包括油、气和矿物质。它还可用于确定海洋中的生物和水文学数据，以及揭示海底地貌和地震海啸的预警。 2. 深海科学研究
高有效深度水下无线通信技术在深海科学研究中也是不可或缺的。研究人员可以借助这种技术在深海中收集数据，并将其传输到地面或船上的计算机上进行分析和处理。这样就可以更好地了解深海生态系统的复杂性和深海环境的多样性，促进深海科学研究的进展。 3. 海底文化遗产保护 高有效深度水下无线通信技术可以提供一种新的方式来保护水下文化遗产，如沉船、古城废墟和其他人类历史的遗产。使用这种技术，考古学家和保护者可以快速获取有关文物和遗址的图像、视频和其他信息，从而更好地保护和保存它们。 三、前景 高有效深度水下无线通信技术的前景非常广阔。随着互联网的发展，传统的有线通信和卫星通信越来越受到限制。而水下无线通信技术则能够有效地克服这些限制，为海上、深海和水下文化遗产的科研、经济和文化发展提供强有力的支持。 未来的技术将进一步提高传输速度和准确性，使得水下通信系统更加有效。此外，新的材料和技术也将使这种技术更加紧凑和便携，适用于更广泛的应用场景。 总之，高有效深度水下无线通信技术具有广泛的应用前景和发展空间。它为我们提供一种新的方式来了解和探索水下世界，为保护和利用海洋资源提供了有力的支持。我们相信，在未来的发展中，这种技术会越来越成熟和完善，为人类的经济和文化发展做出新的贡献。
水下激光通信技术的发展现状及趋势 一、概述 水下激光通信技术是一种利用激光光束进行水下通信的技术。相较于 传统的水声通信和电磁波通信，水下激光通信具有更高的传输速率和 更低的延迟，因此在海洋勘探、海底管道布设、海底机器人等领域有 着广泛的应用前景。 二、发展现状 1. 技术成熟度不高 由于水下环境复杂，如海水中存在浮游生物、沉积物等，这些都会对 激光光束产生干扰。因此，目前水下激光通信技术尚未达到成熟阶段，还需要进一步完善。 2. 传输距离受限 由于水下环境的限制，目前实际应用中水下激光通信的传输距离较短。但是随着技术的进步和改进，相信这个问题也会得到解决。
3. 应用范围逐渐扩大 尽管目前水下激光通信技术尚未达到成熟阶段，但是在海洋勘探、海底管道布设、海底机器人等领域已经有了广泛的应用。同时，随着技术的不断进步，相信其应用范围也会逐渐扩大。 三、技术原理 水下激光通信技术是利用激光光束进行水下通信的一种技术。其基本原理是利用激光器发射出的激光光束进行信息传输。在传输过程中，需要将信息转换成数字信号，并通过调制方式将数字信号转换成模拟信号。然后将模拟信号通过激光器发射出去，在接收端通过接收器将接收到的模拟信号转换成数字信号，再进行解调和解码等处理，最终得到原始信息。 四、关键技术 1. 水下激光器 水下激光通信技术的核心部件是水下激光器。目前，市场上已经有了一些商业化的水下激光器产品，但是这些产品还存在着一些问题，如功率不足、稳定性差等问题。因此，未来需要进一步研究和改进水下激光器的设计和制造工艺。
2. 全息成像技术 全息成像技术是一种将三维物体信息记录在二维平面上的技术。在水 下激光通信中，可以利用全息成像技术进行信息传输，从而提高传输 速率和传输距离。 3. 自适应光学系统 自适应光学系统是一种能够自动调节光束形状和相位的系统。在水下 激光通信中，可以利用自适应光学系统来消除水下环境对激光光束的 干扰，从而提高通信质量。 五、发展趋势 1. 技术不断改进 随着技术的不断改进和完善，相信水下激光通信技术将会越来越成熟，并且应用范围也会逐渐扩大。 2. 应用领域不断拓展 目前水下激光通信技术已经广泛应用于海洋勘探、海底管道布设、海
水下声波通信系统的研究及其应用 水下声波通信是一种特殊的通信方式，因为水的密度比空气大，声波在水中的传播速度也快于在空气中的速度。这种特殊的传播 方式使得水下声波通信在军事、海洋科学以及水下工程等领域扮 演着极为重要的角色。 1. 水下声波通信的基本原理 水下声波通信主要是利用声波在水中的传播特性来进行信号传输，其传输过程包括声波的发射、传输和接收三个环节。其中， 声波的发射需要利用水下声源设备将电信号转换为声波信号，并 将其发射到水中。传输过程主要包括声波在水中的传播和可能的 信号损失过程。声波的接收是指水下声波接收设备将声波转换为 电信号，并进行进一步的信号处理和分析。 在此过程中，声波的传输特性是非常重要的。声波在水中的传 播速度大约是1500米/秒，相对于空气中的340米/秒而言，要快 许多。同时，水中的声波也受到水的温度、盐度、压力等因素的 影响，这使得事先预测声波传播路径、传播时间和传输质量变得 十分关键。 2. 水下声波通信的应用领域 水下声波通信具有独特的传输特性和传输环境，使其应用领域 十分广泛。其中最为突出的当属海洋科学和海洋勘探领域。在海
洋科学中，人们需要通过水下声波通信获取海洋环境、水下动态和生态等信息，以及进行加密和控制深海设备等任务。而在海洋勘探中，水下声波通信则被广泛用于地质、地震、海洋资源和海底管道等勘探项目中。 此外，水下声波通信还在国防、水下战略、海上交通等领域起到了重要的作用。尤其在军事领域中，水下声波通信是进行海上情报、敌我作战和水下测控等任务所必备的技术手段。 3. 水下声波通信技术的研究进展 随着科技的不断进步和应用的广泛推广，水下声波通信技术取得了很大的进展。据悉，目前世界上已经拥有了多种不同类型的水下声波通信设备。其中，一些先进的技术已经成为了水下声波通信的代表性技术。 技术一：弹道声通信技术 弹道声通信的传输速度快、传输质量好，并可实现双向通讯等多种功能。由于其优越的传输性能，目前这一技术已经得到了广泛的应用。 技术二：声呐通信技术 声呐通信技术主要利用水下声波的散射、反射和折射等特性，将信号传输到目标位置。这项技术由于其远距离通讯、实时传输等优势，被广泛应用于水下勘探、水下交通、水下战略等方面。
水下无线通信技术研究及应用 水下通信一直是一个难以解决的难题，传统的有线通讯方式在水下通信中不再适用，所以研究水下无线通信技术对于水下工作的顺利展开是必不可少的。水下无线通信技术是一项重要的技术发展领域，它可以用于海洋勘探、智能水下设备、水下摄像等多个领域。近年来，随着新一代水下声学传感器等装置的发展，水下无线通信技术的应用范围也在不断扩大。 一、水下无线通信技术的原理及发展历程 水下无线通信的传输模式通常有水声和电磁两种模式。水声通信技术是水下无线通信的主要技术之一，它利用水的声学传输特性，通过声波来传输信息。而电磁通信技术则是使用电磁波传输信息。在水下无线通信技术的发展过程中，由于水声通信技术的传输距离较为有限，电磁通信技术的应用得到了广泛的关注。电磁通信技术具有传输距离远、速度高、可靠性强等优势，这使得电磁无线通信技术在水下无线通信技术的发展中成为一个重要的研究方向。 二、水下无线通信技术在海洋勘探中的应用 海洋勘探是水下无线通信技术的一个重要应用方向，它不仅可以探测水下油气资源、矿产资源，还可以为海底地形的细节观测、海洋生态环境状况的监测提供有效手段。水下无线通信技术在海洋勘探中的应用涉及到深海探测、海洋物理观测、海洋化学观测等多个方面。其中，深海探测是水下无线通信技术的重要应用之一。传统的有线探测方式不能满足深海探测的需求，而水下无线通信技术可以为深海探测提供更加便捷、更加高效的通信手段。此外，水下无线通信技术还可以为海底地形的细节观测、海洋生态环境状况的监测等方面提供有力支持。 三、水下无线通信技术在智能水下设备中的应用 随着水下无线通信技术的不断发展，智能水下设备的应用也得到了广泛发展。智能水下设备是利用各种传感器、执行器和控制算法来实现自主作业的一类智能化
水下激光通信技术的特点及发展现状 一、引言 水下激光通信技术是一种新型的通信方式，它利用激光器将数字信息 转化为激光脉冲，通过水下传输介质进行传输。相较于传统的水声通 信和电磁波通信，水下激光通信具有更高的数据传输速率和更低的误 码率。随着人类对海洋资源的不断开发和利用，水下激光通信技术也 得到了越来越广泛的应用。 二、技术特点 1.高速传输 水下激光通信技术采用光学信号进行传输，具有极高的数据传输速率。在实验室条件下，已经实现了每秒钟10Gbps的数据传输速率。这种 高速传输能力可以满足海洋科学研究、海洋资源勘探等领域对大容量 数据传输的需求。 2.低误码率 由于水下激光通信采用了高频率的电磁波作为载体，与水声通信相比 具有更低的误码率。这种优势使得水下激光通信在海底地震监测、深 海探测等领域得到了广泛应用。 3.短距离传输
水下激光通信技术的传输距离相对较短，一般在几十米到几千米之间。这种短距离传输特点使得水下激光通信技术主要应用于海洋科学研究、海底地形勘探等领域。 4.受环境影响小 水下激光通信技术的传输介质是水，相对于电磁波和声波，水的折射 率变化较小，因此水下激光通信技术受环境影响较小。这种特点使得 水下激光通信技术在海洋环境复杂、气象条件恶劣的情况下仍能保持 高效稳定的数据传输。 三、发展现状 1.国内外发展情况 目前，美国、日本、韩国等国家已经开展了大量关于水下激光通信技 术的研究工作，并取得了一定的成果。在我国，也有多所高校和科研 机构开展了与水下激光通信相关的科学研究工作。 2.应用领域 水下激光通信技术的应用领域非常广泛，主要包括海洋科学研究、海 底地形勘探、深海探测、水下机器人控制、海洋资源勘探等方面。其中，海底地形勘探是水下激光通信技术的主要应用领域之一。通过搭 载激光通信设备的无人潜水器，在海底进行三维地形扫描和数据采集，可以为海洋资源开发提供重要的科学依据。
水下声信道建模及其应用研究随着科技的不断进步，人类对海洋的探测和开发日益深入，水 下通信也变得越来越重要。但是，水下与地面和空中的通信方式 有很大的不同，水下环境的湍流流动、海洋生物及海底地形造成 的信道衰减等因素都增加了水下通信的困难程度。因此，水下声 信道的建模一直是水下通信研究领域的一个重要问题。 一、声信道建模方法 在水下声信道建模中，主要的建模方法有统计建模法和物理建 模法。其中，统计建模法主要是根据已有的实测数据进行建模， 而物理建模法则是通过对声波在短距离内的传播进行建模。在实 际应用中，两种方法都有各自的优势。 对于物理建模法，它的优点是能够考虑到水下环境中存在的各 种真实现象和物理过程，从而可以提高水下通信的可靠性和效率。同时，它也能够让我们更好的理解声信道的特性和影响因素。但是，物理建模需要考虑到很多复杂的因素，如海底地形、海洋生物、海流等，所以模型的精度依然存在一定的局限性。
与之相比，统计建模法则是通过分析实际水下通信数据中的统计分布特征，来推断出水下声信道的统计特性。由于它不受物理环境的约束，因此适用范围更广。但是，统计建模法缺乏合理的物理解释，对于声信道的特性和影响因素理解较为有限。 综上所述，对于水下声信道建模来说，并没有绝对优劣之分的建模方法，我们应该根据实际应用场景选择最合适的建模方法。 二、应用领域探讨 水下声信道建模的研究对于水下通信技术的发展有着至关重要的意义。它可以为水下通信系统的建设提供理论支持，以及可靠性分析和改进方案的依据。 目前，水下声信道建模主要应用于水下通信领域中。工程师们通过对信道特性进行建模来预测水下通信系统在实际环境下的性能，设计适应不同海域环境的水下通信系统，提高水下通信的传输质量，以及防范各种针对水下通信系统的干扰和攻击。
超低频水下发射天线的可行性研究 一、引言 a. 研究背景和意义 b. 国内外研究现状 c. 本文的研究目的和意义 二、超低频水下通信技术概述 a. 水下通信技术的发展历程 b. 水下通信技术的分类和特点 c. 超低频水下通信技术的原理和特点 三、超低频水下发射天线设计 a. 超低频水下通信系统的组成和工作原理 b. 发射天线的原理和结构 c. 发射天线的参数设计和优化 四、水下实验测量及结果分析 a. 实验测量系统的组成和工作原理 b. 实验的设计和实施 c. 实验结果的分析和比较 五、总结与展望 a. 本文的研究结果及意义 b. 存在不足和改进建议 c. 未来的研究方向和发展趋势第一章：引言 随着人类对海洋资源的需求和对海洋科技的不断深入研究，水
下通信技术的应用日益广泛。在海洋探索、环境监测、海底资源开发等方面都需要使用水下通信技术，但由于水的阻挡和信号传输的特殊性，水下通信技术需要专门的技术手段与设备支持。 近年来，随着互联网的普及，社会的信息化程度持续提高，对于水下通信技术的需求也越来越强烈。在海事、国防、科学研究等众多领域，水下通信技术都是不可或缺的。因此，研究水下通信技术具有重要的现实意义，并吸引了越来越多的研究者的关注。 本文研究的是超低频水下发射天线的可行性和设计方法。发射天线是水下通信中基础而重要的部分，其传输性能和稳定性对于整个水下通信系统都起到重要的作用。超低频水下通信技术是一种传输距离较远、穿透力较强、抗干扰容错性好的水下通信技术，具有重要的实际价值。 在研究中，我们将探究超低频水下发射天线的设计原理、参数选择和优化方法等方面，依据实验得到的数据进行比对和分析，进行重要技术参数的改进和提高水下通信系统的性能。本研究的目的在于提高超低频水下发射天线的性能，为水下通信技术的发展和应用做出贡献。 在本文的下一章，我们将会对水下通信技术进行概括和分类，介绍超低频水下通信技术的原理和特点，为后续的研究工作打下基础。第二章：超低频水下通信技术概述
水下声信道特性及其在通信系统中的应用 随着科技的不断进步，人类对于信息传输和通信方式的需求也日益增加。而水 下通信作为一种新兴领域，其应用场合和需求也在不断增加，如水下油气勘探、水下无人机等。然而，由于水下环境的特殊性，传输距离短、信号衰减大等问题，限制了水下通信的发展。而此时，利用水下声信道进行通信，就成为了解决这些问题的有效方式。 一、水下声信道特性 水下声信道特性主要包括传播损耗、多径效应和噪声干扰等。 传播损耗是指声波在水中传播时由于水分子的吸收、散射以及声阻抗不同所引 起的能量损失。而在水下声波的传播中，损耗通常随距离和频率的增加而增加。 多径效应是指信号在传播过程中经过多条不同的传播路径，最终到达接收器。 这种现象会导致信号反射、折射和散射等变化，从而使得接收信号的质量不稳定。而频繁的多径效应使得在水下信道中需要采取相应的信号处理技术以减少误差和提高信号质量。 噪声干扰主要来自于自然水域中来自海洋生物、水流、水下天象等的环境噪声，以及来自其它声源等的人为干扰，这些干扰会对信号的传输产生严重的影响。 二、水下声信道在通信系统中的应用 水下声信道在通信系统中的应用主要包括基于单载波和多载波的水下通信系统。 基于单载波的水下通信系统采用单一载波来传输信息，其系统的结构简单，但 是在信号传输过程中会受到频率衰减等问题的影响。而多载波水下通信系统则是通过多个子载波来传输信息。由于每个子载波的传输频带较窄，所以能够降低传输信号的频率衰减和多径效应等问题，因此多载波水下通信系统的性能通常要比基于单载波的水下通信系统更好。
同时，由于水下声信道的特殊性，水下通信系统中采用的调制方式也与普通无 线电通信系统不同。在水下通信系统中，常用的调制方式包括脉冲调制、相位移键和频移键等。 三、水下声信道技术面临的挑战及其发展趋势 目前，随着水下通信技术的不断发展，水下声信道技术所面临的挑战也变得越 来越复杂。其中，主要包括信号的抗干扰能力、多路径效应的预测和补偿能力，以及水下通信系统的功率和能量管理等方面的问题。因此，在未来的水下声信道技术研究中，需要进一步针对这些问题进行深入研究，并结合先进的处理技术进行解决。 同时，未来的水下声信道技术发展趋势也将会更加注重技术的可靠性和实用性。在技术研究中，将逐渐实现大规模多载波、频率可调和自适应的水下声信道技术，同时，也将推广和应用多个水下传感器网，以实现更高质量的水下通信。 总体而言，水下声信道技术发展的深度和广度将随着新一代水下通信技术的出 现而不断提高。随着各种先进技术的引入，未来水下声信道技术将更好地支持水下通信系统，为人们在水下环境中开展更多的任务和活动提供更好的支持。
海洋面积占据着地球总面积的70.8%，因此如何在海上通信是人们很自然就会提出的问题。原始的海上通信方式包括烽火、信号弹、旗语等，到了电气信息时代，产生了现代化的通信手段。现在的海上通信包括水上通信和水下通信两种形式。由于海上通信主要是船舰、潜艇等移动物体之间的通信，因此主要是无线通信，不考虑有线通信。而水上无线通信环境完全相似与陆地的无线通信环境，因此完全可以使用无线电通信系统。但水下无线通信却不能再使用无线电通信系统，这是因为电磁波在水这种介质中衰落特别严重，导致无线电通信系统根本无法在水下应用。后来人们发现声波这种信号在水中的传播距离可以达到通信的要求，因此就催生出了水下声波通信技术。 作为一个通信系统，水下声波通信技术具有通信系统的一般结构，因此跟无线电通信系统相比，它们的唯一区别就是通信所使用的波的种类不同，无线电通信系统使用电磁波实现通信，而水声通信系统使用声波实现通信。无线电通信系统使用天线发送和接收电磁波，水声通信系统使用换能器在发送端将电信号转换成声波信号，在接收端将声波信号转换成电信号。水声通信系统如图1所示。 图1 水声通信系统 一、水声通信技术的发展概述 1914年英国海军部队将研制成功的水声电报系统安装在巡洋舰上，这可以看做是水声通信技术的开端。第二次世界大战后的1945年，美国海军将研制的水下电话应用在潜艇之间的通信上。到了20世纪70年代，随着军事和民用对水声通信技术需求的提高，并且电子信息技术也迅速发展，数字调制技术开始应用在水声通信系统中，而在此之前水声通信系统主要使用模拟调制技术。数字通信技术的优点提高了水声通信系统的传输速率和可靠性。 20世纪90年代至今，数字信号处理技术不断发展，一些新技术也应用在水声通信系统中，包括空间分集、码分多址、扩频技术、水下多载波调制技术、多输入多输出技术、水下通信网络技术等。因此水下通信技术已经开始从点对点的物理层通信，往多个节点之间数据交换的网络通信方向发展。 水声通信技术从最初应用于军事领域，提供水下目标的探测、定位和识别等服务，发展到提供通信、导航等服务阶段。随着人类海洋活动的增加和对海洋资源利用程度的提高，水声通信技术开始应用于民用领域，为海上科学考察、水下资源探测等人类活动提供服务。也正是这些军事和民用需求推动了水下通信技术的发展，让水下通信技术朝着更完善、更全面的立体和智能方向发展。
甚低频与超低频通信入水深度比较分析 一、绪论 1.1 研究背景与意义 1.2 研究现状与发展趋势 1.3 研究内容与方法 二、甚低频通信传输与入水深度比较分析 2.1 甚低频通信技术概述 2.2 甚低频通信在水下通信中的应用 2.3 甚低频通信与入水深度的关系分析 三、超低频通信传输与入水深度比较分析 3.1 超低频通信技术概述 3.2 超低频通信在水下通信中的应用 3.3 超低频通信与入水深度的关系分析 四、甚低频与超低频通信技术的优缺点比较 4.1 技术特征比较 4.2 应用场景比较 4.3 优缺点总结与分析 五、结论与展望 5.1 研究结论总结 5.2 研究展望评价 注：甚低频通信指频率为3-30 Hz的通信技术，超低频通信指频率为30-300 Hz的通信技术。一、绪论
1.1 研究背景与意义 水下通信作为一种特殊的通信方式，具有军事、民用、航海、海洋探测等领域的重要应用。随着科技的不断发展，水下通信技术也不断创新，传统的无线电、光纤通信等技术已经不能满足现代水下通信的需求。其中，甚低频和超低频通信技术由于其传输距离远、穿透力强，已经成为当前最受关注和研究的水下通信技术之一。因此，本文将对两种技术在入水深度方面进行比较分析，为该领域的发展提供参考。 1.2 研究现状与发展趋势 甚低频和超低频通信技术已经成功应用于多个领域，如深海科学研究、水下定位、海洋环境监测等。目前，针对这两种技术在入水深度方面的比较研究仍较少，因此，在该领域开展进一步的研究可以为水下通信领域提供新的思路和方法，促进水下通信技术的创新与发展。 1.3 研究内容与方法 本文主要探讨甚低频和超低频通信技术在入水深度方面的区别和优劣，研究方法将采用文献资料分析和实验数据分析相结合的方法。首先，通过对相关文献的调研和分析，总结出两种通信技术在入水深度方面的理论分析和现实应用情况。其次，对两种技术进行实验对比，通过对实验数据的分析，进一步验证两种技术在不同入水深度下的传输表现，并对其进行比较分析。
水声通信技术研究进展及应用 摘要：水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。文章介绍了水声 通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组 成和国内外的发展现状。最后对未来的水声通信技术作了预测。 关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理 1 引言 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。 海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。 2 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8。33kHz，主要用干潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50年代末研制的调频水声通信系
潜艇水下隐蔽通信技术研究 一、引言 -研究背景及意义 -研究目的与方法 -研究现状与不足 二、水下通信技术概述 -水下通信的特点 -水下通信技术分类 -现有水下通信技术的优缺点分析 三、潜艇水下隐蔽通信技术的设计与实现 -水下通信链路的建立与维护 -加密算法的设计与实现 -水下通信信道的误码率控制策略 -水下信号动态干扰识别与抑制 四、性能评估与仿真 -潜艇水下隐蔽通信系统性能评估指标 -潜艇水下隐蔽通信系统性能仿真与分析 -仿真结果的解释和分析 五、结论与展望 -本文的主要工作和创新点 -潜艇水下隐蔽通信技术的应用前景 -进一步改进的方向和研究内容第一章：引言
1.1 研究背景及意义 近年来，海洋的开发利用日益重要，各国深度发展海洋经济已成为世界上的一个趋势。而在海洋领域中，潜艇的角色是十分重要的。潜艇的隐秘性和针对性使其在海上军事中发挥着不可替代的作用，是保障国家海洋安全的强有力的保证。 在潜艇的复杂任务中，水下通信起着重要的作用。水下通信具有独特的物理环境，方位不确定、信息传输容易短路，信道衰减大、信号传输损耗严重。再加上海水的吸收和传播的不确定性，使水下通信成为一项极具挑战的技术。因此，研究潜艇水下隐蔽通信技术对于提高潜艇作战能力和保障国家海洋安全意义重大。 1.2 研究目的与方法 本文的主要研究目的是基于潜艇作战中的特殊需求，设计一种水下隐蔽通信技术，实现潜艇的隐蔽性和抗干扰性。 本文将从水下通信技术的概述、潜艇水下隐蔽通信技术的设计与实现、性能评估与仿真等方面进行探究，以及该技术在海军潜艇领域中的应用前景和未来研究方向。 1.3 研究现状与不足 目前，关于潜艇水下隐蔽通信技术的研究已经有了一定的进展。随着信号处理和网络技术的发展和成熟，各种通信系统已经在水下通信领域得到了应用。例如，通过改进调制方式，优化
水声通信中的信号处理技术研究 水声通信是指利用水中的声波进行通信的一种方式。在水下通信、海洋探测、海底地震监测、水下测量和海洋科学研究等领域，水声通信应用广泛。在各种复杂水下环境中，通过加强水声通信系统的信号处理技术，能够显著提高水声通信系统的性能。 一、水声通信的特点 水声通信的特点是传输距离短，传输速率低，信道复杂。传输距离受水深、水温、盐度、水下地形等环境因素的影响，一般不会超过几千米。而且由于水媒介对声速、吸收、散射、多路传播的影响，使得水声通信的传输速率远低于地面通信。此外，水声通信信道也存在多径干扰、多普勒效应、背景噪声等复杂问题。 二、水声通信中的信号处理技术 在水声通信系统中，通过信号处理技术，可以加强信号的抗干扰性能、提高信号的传输速率、改善信号的质量等。具体来说，水声通信中的信号处理技术包括多普勒补偿、信道均衡、调制识别和自适应等方面。 1. 多普勒补偿技术 由于水声信道的移动性，信道中的信号存在多普勒效应。多普勒效应会导致接收到的信号频率发生变化，导致接收机难以正确解调。因此，需要在接收端使用多普勒补偿技术来抑制多普勒效应的影响。多普勒补偿技术的主要方法是采用滤波器或者去除信号中的多普勒偏移，从而恢复原始信号的频率特性。 2. 信道均衡技术 水声信道的不稳定性导致信道的动态变化，会影响信号的传输和接收。在通信过程中，会出现信号损失和误码率的增加的情况。因此，需要在接收端使用信道均衡技术进行处理。常见的信道均衡技术包括逆滤波器和均衡器。逆滤波器通过将通
信信号与逆滤波器进行卷积运算实现信道均衡。均衡器则是通过对信号的频谱特征进行修正来实现信道均衡。 3. 调制识别技术 在水声通信系统中，调制信号存在多种模式，包括ASK、 FSK、CPFSK等。 因此，需要使用调制识别技术来判别不同的调制方式，并且对信号进行相应的解调处理。 4. 自适应技术 自适应技术是一种基于信道状态的动态调整技术，可以实现水声信号的自适应 控制、信噪比优化、自适应均衡等。其中，自适应均衡技术被广泛应用于水声通信系统中，可实现运行时自适应的均衡器，从而提高水声信号传输的鲁棒性和可靠性。 三、未来的水声通信技术 随着技术的不断进步，水声通信技术也在不断发展。未来的水声通信技术主要 包括水下声呐、水下光纤通信、水下声学通信和水下无线电通信。 1. 水下声呐技术 水下声呐是目前水声通信的主要方式，但由于其传输距离短、传输速率低的缺点，需要不断改进。近年来，一些新型水下声呐出现，如变载荷水下声呐、电容式水下声呐和多波束水下声呐等，这些技术的出现将加快水下声呐的发展和改进。 2. 水下光纤通信技术 水下光纤通信技术是一种新型的水声通信方式，采用光纤作为媒介，转化信号 为光脉冲传输。由于光纤的特性，其传播速度快，传输距离远，传输速率高，通信质量好，可以代替传统水声通信技术，未来前景广阔。 3. 水下声学通信技术
海洋技术▏水下通信技术的分类、特征、应用及其最新研究进展 海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前 沿的领域之一。海洋不仅在国际商业和渔业中扮演重要的角色，而且 还包含了有关气候的信息，以及大量急待开发的资源。 水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常 地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。水下无线通信 在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器 网络的关键技术。 水下无线通信主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水声通信 和水下量子通信，它们具有不同的特性及应用场合。
一、水下电磁波通信 ⒈ 水下电磁波传播特点 无线电波在海水中衰减严重，频率越高衰减越大。水下实验表明：MOTE节点发射的无线电波在水下仅能传播50～120cm。低频长波无线电波水下实验可以达到6～8m的通信距离。30～300Hz的超低频电磁波对海水穿透能力可达100多米，但需要很长的接收天线，这在体积较小的水下节点上无法实现。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。 除了海水本身的特性对水下电磁波通信的影响外，海水的运动对水下电磁波通信同样有很大的影响。水下接收点相移分量均值和均方差均与选用电磁波的频率有关。水下接收点相移分量的均值随着接收点的平均深度的增加而线性增大，电场相移分量的均方差大小受海浪的波动大小影响，海浪运动的随机性导致了电场相移分量的标准差呈对数指数分布。
⒉ 传统的水下电磁波通信 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。20世纪上半叶，人们始终致力于将模拟通信移至水中。水下电磁通信可追溯至第一次世界大战期间，当时的法国最先使用电磁波进行了潜艇通信实验。第二次世界大战期间，美国科学研究发展局曾对潜水员间的短距离无线电磁通信进行了研究，但由于水中电磁波的严重衰减，实用的水下电磁通信一度被认为无法实现。 直至60年代，甚低频（VLF）和超低频（SLF）通信才开始被各国海军大量研究。甚低频的频率范围在3～30kHz，其虽然可覆盖几千米的范围，但仅能为水下10～15米深度的潜艇提供通信。由反侦查及潜航深度要求，超低频（SLF）通信系统投入研制。SLF系统的频率范围为30～300Hz，美国和俄罗斯等国采用76Hz和82Hz附近的典型频率，可实现对水下超过80米的潜艇进行指挥通信，因此超低频通信承担着重要的战略意义。但是，SLF系统的地基天线达几十千米，拖曳天线长度也超过千米，发射功率为兆瓦级，通信速率低于1bp，仅能下达简单指令，无法满足高传输速率需求。 ⒊ 水下无线射频通信 射频（RF）是对频率高于10kHz，能够辐射到空间中的交流变化的高频电磁波的简称。射频系统的通信质量有很大程度上取决于调制方式的选取。前期的电磁通信通常采用模拟调制技术，极大地限制了系统的性能。近年来，数字通信日益发展。相比于模拟传输系统，数字调制解调具有更