现代水声通信第四讲

水声通信技术在军事领域的应用随着科技的发展，人们对于信息传输的需求不断增加，而军事领域又是全球政治和经济格局的重要组成部分，因此军事常常是推动技术发展的重要推手之一。

在传统意义上，人们更多地关注于卫星通信、无线电通信等技术，而对于水声通信技术的认识相对较少。

事实上，水声通信技术在军事领域的应用已经十分广泛。

一、水声通信技术的基本原理和特点水声通信是利用水中介质从一点传输到另一点的通信模式。

与其他传输介质相比，水声通信具有以下基本特点：1. 传输距离远，信号损失小。

水的介电常数与电磁波的波长相当，可以抵消它的衰减，使其在水中传播的损耗大大降低，因此，水声信号可以传输到几十千米乃至数百千米。

2. 传输带宽窄。

水声通信的频宽较窄，且受水介质影响较大，灵敏度较低，因此需要在接收端提高灵敏度，增加信号处理能力。

3. 抗干扰能力强。

水中的环境决定其具有很强抗干扰能力。

尽管水中存在声音反射和水体流动等干扰因素，但与电磁波的干扰相比，水声信号的稳定性和抗干扰能力较强。

二、军事领域的通信需求十分复杂，包括长距离通讯、深海侦察、水下导航、水下传输、水下作战等多个方面。

而水声通信技术恰恰可以满足这些需求，因此在军事领域得到极为广泛的应用。

1. 水下侦察及搜救作业。

水声图像、水声立体测绘等水声技术广泛应用于水下侦察、搜救作业等领域。

例如，军方可以利用水声声纳技术进行海底环境探测，寻找人员失踪的下落点，协助搜救。

2. 水下作战。

水声通信技术在水下作战和水面作战中起着极为重要的作用。

例如，当军方在远离陆地的深海或附近海域进行作战时，水声通信就成为了他们进行通讯的唯一方式。

水声通信可以保证信号的安全性和可靠性，而且过程中几乎不会被干扰。

3. 水下导航。

军事领域的水下导航十分重要，例如潜艇需要在水下通过导航定位自身，才能进行繁重的作战任务。

水声通信技术的高频带宽可以实时更新潜艇的定位和运动状态，支持复杂多变的长途导航任务。

4. 水下通信。

现代水声通信技术发展探讨近年来，随着各种新技术的层出不穷，对我国各行业的发展建设都起到了重要推进作用。

尤其是在通信技术方面水声技术的发展也越来越成熟，国内外对其研究也越来越重视。

目前水声通信主要有以下几种方式，如OFDM、扩频以及其他方式等都是比较常见的，且随着信息技术的不断创新与发展，利用网络技术进行无线电水声通信的研发已经进入比较成熟的阶段，对于实现海洋全方位监测有着不可忽视的重要影响，下面文章就其现代水声通信技术的发展现状进行详细地分析与阐述，希望可以为相关人员提供一定的参考。

标签：水声通信；相干通信；非相干通信Abstract：In recent years，with the endless emergence of various new technologies，it has played an important role in promoting the development and construction of various industries in China. Especially in communication technology，the development of underwater acoustic technology is becoming more and more mature，and more attention has been paid to the research of underwater acoustic technology at home and abroad. At present，underwater acoustic communication mainly has the following several ways，such as OFDM，spread spectrum and other methods are relatively common，and with the continuous innovation and development of information technology，The research and development of radio underwater acoustic communication using network technology has entered a relatively mature stage，which has an important impact on the realization of marine all-directional monitoring. The following article carries on the detailed analysis and the elaboration to its modern underwater acoustic communication technology development present situation，in order to provide the certain reference for the related personnel.Keywords：underwater acoustic communication；coherent communication；incoherent communication1 水聲通信技术的发展早在欧美发达国家就已经将水声通信技术应用于军事和民用两方面，甚至随着计算机技术的发展，在国外一些机构组织研究中已经将计算机技术彻底融入至水声通信技术中并形成了水声通信网络化。

水声通信水声通信是一项在水下收发信息的技术。

它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。

特点：声波通信是水下远程无线信息传输的唯一有效和成熟的手段。

声波是水中信息的主要载体，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。

水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。

水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。

水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。

水中的声速计算公式可见下式：c=1449.2+4.6T-0.055T2+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D 其中：r是海水温度，s是盐度，D是深度。

海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。

在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。

同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。

从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。

举例：（一）我国厦门大学以许克平教授为首的这个课题组出色地完成了国家交给他们的863项目，已经成功解决了在10公里之内水下信号相互清晰的传递，他们这个系统已达到实用要求。

他们认真分析了世界上抗多途干扰的几种方法，最后课题组一致认为还是采用电磁波抗干扰的手段——跳频通信，它既能抗多途径干扰又能保证信息安全。

水声通信技术的发展及特性分析水声通信技术是一种利用水介质传输信息的通信技术。

它利用水的高传导性和低衰减特性，可以实现远距离的无线通信。

随着科技的不断发展，水声通信技术也取得了巨大的进展，并应用于海洋勘探、水下通信、海洋监测、水下无人机以及水下导航等领域。

水声通信技术发展的历程可以追溯到20世纪初，当时人们首次意识到水声可以用作信息传输的媒介。

在此基础上，人们开始研究水声信号的传输原理和技术，逐渐发展出了一系列水声通信设备和技术。

20世纪80年代以后，随着计算机和数字信号处理技术的不断发展，水声通信技术也进入了一个新的阶段。

目前，水声通信技术已经具备了高速率、高可靠性和高带宽的特点。

1.高传导性：水声通信技术利用水的高导电性和传导性，可以实现远距离的通信。

在水中的传输损耗相对较小，信号传输的损耗也较小，使得水声通信技术适用于远距离通信。

2.低频率：水声通信技术常常使用低频信号进行通信，通信频率一般在10Hz到100kHz之间。

低频信号传播损耗较小，传输距离较远，适用于海洋勘探和海洋监测等领域。

3.抗干扰性：水声通信技术在水环境中的抗干扰性较强。

由于水声信号的传播受到水体环境的影响比较大，其他类型的信号很难通过水传播，从而减小了干扰的可能性。

4.低带宽：水声通信技术的带宽相对较小，一般在几百到几千比特每秒之间。

由于水声信号的传播速度相对较慢，带宽受到限制，因此在传输大容量数据时存在一定的限制。

5.较高延时：水声通信技术的传播速度较慢，约为1500米/秒，相比于其他通信技术的传播速度较低，因此会产生较高的传输延时。

6.多径效应：在水声通信中，存在多径传播的现象，即信号会经过多个路径到达接收端，导致信号叠加和衰减。

这种多径效应对信号质量和通信性能有一定的影响。

水声通信技术的发展和特性使得它在海洋领域和水下通信领域具有重要的应用价值。

例如，在海洋勘探中，水声通信技术可以用于水下声纳、声呐和声学测深仪等设备，实现水下探测和定位。

水声通信教学大纲课程名称：水声通信面向对象：研究生学分：1.5周学时：3一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介本课程从水声信道的物理特性出发，重点传授水声通信的基础理论，引导学生通过基础理论的数学推演反思物理含义，并通过理论和算法的Matlab编程实现加深对理论的理解和提升科研探索能力。

主要内容包括（1）讲述由水声的物理传播特性带来的水声通信的挑战以及和传统陆上电磁波无线通信的差异；（2）介绍水声的物理传播特性带来的水声信道数学模型；（3）推演基于水声信道数学模型的水声通信调制方式、信道估计、均衡和解码等理论与算法；（4）引导理解水声通信理论与算法背后的物理含义；（5）传授实现水声通信仿真与实验的基本Matlab编程。

（二）英文简介Based on the physical characteristics of underwater acoustic channels, this course focuses on the basic theories of underwater acoustic communications, guides students to reflect the physical meaning through the mathematical deduction of basic theories, and deepens their understanding of theories and exploration of scientific research through Matlab programming. The main contents are as follows: (1) Describe the challenges of underwater acoustic communications caused by the physical propagation characteristics of underwater acoustic and the differences from traditional land-based electromagnetic wave wireless communications; (2) Introduce mathematical underwater acoustic channel modelsbased on the physical propagation characteristics of underwater acoustics;(3) Deduce the theories and algorithms of underwater acoustic communications based on mathematical channel models, such as channel estimation, equalization and decoding; (4) Guide the students to understand of the physical meaning behind the theories and algorithms of underwater acoustic communications; (5) Realizebasic Matlab programming for underwater acoustic communication simulations and experiments.二、教学目标（一）学习目标通过选修本课程，使学生：（1）掌握水声通信的基本原理，了解与传统陆上电磁波无线通信的异同；（2）掌握水声信道的物理和数学模型，以及由此带来的水声通信基本调制解调理论；（3）掌握用于水声通信仿真和实验的基本Matlab编程，并以程序实现加深对理论的理解；（4）培养水声通信方向科研探索的兴趣，具备该方向初步科研能力。

专题报告—水声通信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、进步最快的行业.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20kHz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水声通信。

最初是主要应用于军事领域,最近十年,随着人类对海洋资源的不断开发和利用,如近年来环境系统的污染监测、海上石油工业的遥控以及不回收仪器设备而直接获取海底工作站记录的科学数据等等,使得水下信息通信技术的商用前景越来越广阔,相应地,也促进了水下通信技术的发展.早在第二次世界大战之后,水声通信就已出现.现在水声通信已广泛应用于潜艇之间的通信、水面舰艇与潜艇的通信、海上遥控和遥测、遥感、水下测量设备记录数据回送、水下图像传输、语音传输和水声局域互联网(ALAN)等多个方面.其具体的设备包括舰艇用水声通信机、水下通信浮标、水下应急通信设备、潜水员水声电话、水下机器人用的图像声纳和通信声纳等许多种。

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。

水声通信技术总结
水声通信技术是一种利用水介质进行信息传递的通信技术。

该技术主要应用在海洋测量、水下探测、海底资源开发等领域，以及军事领域的水下通信。

水声通信技术的优点在于传输距离远、传输速度较快、不受电磁干扰、适用于深海等环境。

但是也存在一些问题，如传输距离会受到水温、盐度、压力等因素的影响，同时水声信号易受到环境噪声的影响。

水声通信技术主要包括单载波调制、多载波调制、脉冲编码调制等多种调制方式。

其中，单载波调制是最常用的一种方式，其利用单一的载波信号进行传输。

多载波调制则采用多个载波信号进行传输，可以提高传输速度和传输距离，但同时也增加了复杂度。

脉冲编码调制通过对脉冲进行编码，可以在保证传输速度的同时提高传输质量。

除了调制方式，水声通信技术还需要考虑信号处理、信道建模等问题。

信号处理可以提高信号的质量和可靠性，包括预处理、滤波、解调等。

信道建模则是估算水声信号在水中传播时的损耗、传播路径等信息，以便对传输进行优化。

总的来说，水声通信技术是一种在特定环境下具有优异性能的通信技术，未来将继续得到广泛应用和研究。

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