烧脑的“水下通信”

杭苏

据美国的《国家利益》报道称，中国量子技术领先世界，近期又解决了水下量子通信的一大关键性世界难题，成功实现了水下量子通信的实验。但水下通信一直以来是困扰各国科学家的世界性难题，这种技术突破本身潜藏着划时代的意义，一旦突破对于人类的水下救援、水下勘探、水下作业等具有革命性意义。

水下通信遇难题

正如声呐分析人员所熟知的那样，向水下发送信号只能通过声波，声波信号不仅会在水中发生弯曲和扩散，还会在水底和水面发生折射（也会在不同的水层之间发生折射，既会在水平方向上发生折射，也多少会在垂直方向上发生折射），信号在传播过程中也在不断衰减，失真严重，吸收性也差。

20世纪80年代，随着新型高速计算机的快速发展，人们开始有了一些新的想法：计算机不断地测试传输过程，通过信息对比就可以确定哪些脉冲是在同一条路径中传输的，从而在相对较高传输数据率的信号中提取出最有效的信息。美国雷神公司宣称，通过在通信系统中嵌入高速计算机，可以解决水下通信问题。尽管最终证明这种系统远没有达到成熟的地步，但是利用高速计算机解决水下通信问题的理念却得到广泛认可。

20世纪90年代末，美军潜艇艇员可以在水下传输潜艇潜望镜捕获的视频影像。此后不久，其他国家也做到了这一点。很明显，这需要在两个方面实现平衡。首先，是距离和数据率的平衡，因为通信距离变长，就只能用频率较低的信号。其次，就是隐蔽性与数据率的平衡。数据率低的声音信号会被随机噪声所掩盖，而承载高数据率的信号则不会。这一点很重要，因为水下作战经常是依靠隐蔽性才取得最终胜利的。

像光一样传输

科学家发现了一个很重要的规律：在近乎垂直的“可靠声波路径”下，声音信号在传输过程中不会丢失或失真。这就像光在具有不同折射率的一摞玻璃中的传输：如果以一定角度投射光束，就会在玻璃板之间产生各种折射和反射；如果光线垂直（或者不超过某个角度）投向这堆玻璃，就会产生一个清晰的影像。也就是说要超过一个临界角度后，才会出现光的扭曲和失真，声学也有类似的现象。

冷战期间，苏联人使用过水下水声通信，他们使用的长脉冲信号与鲸鱼发出的声音十分相像。之后人们发现，苏联所有的综合一体化声呐系统都含有通信功能，就此推测苏联开始构想潜艇集群作战。由于长脉冲能承载的信息量非常有限，只能用来保障相对简单的协同作战。比如，两艘潜艇可分别对一个已知目标进行被动测向，之后利用测距设备通过三角测算来知道对方的位置。

20世纪60年代，英军热衷于把他们的新型高速核动力攻击潜艇当作一部巨大的“可变深度声呐”，与护航舰艇相互配合实施反潜。潜艇在水下时，总会有机会正好处于护航舰艇的正下方，这时它们就可以利用“可靠声波路径”进行水下电传或数据链传输。但只要潜艇一离开舰艇正下方，这种数据链的可靠性就大打折扣。如同美军长尾鲨级潜艇的舰载作战系统可为水面舰艇提供支援，英军早期潜艇的“战斗方向系统原本也应安装数字化的水下通信系统，但这项工作却以失败告终。

提升潜艇作战能力

当计算机刚刚应用于水下通信时，各主要国家海军的潜艇数目依然庞大。希望潜艇能像水面舰艇一样协同作战，成为推动水下通信发展的重要因素。然而，这需要解决两个问题。

首先，需要一个可靠且隐蔽的水下敌我识别系统。冷战期间，很多国家虽然都宣称实现了水下敌我识别，但这一问题从未被真正解决过。当时出于隱蔽的考虑，采用伪随机码进行敌我识别，使得接收机不得不“磨磨蹭蹭”地综合接收到的信息，这就带来了时间延迟问题。而反潜战斗通常十分紧急，只要敌方潜艇暴露的程度满足开火条件，就要立即发射鱼雷，一个缓慢的敌我识别过程是无法解决这一战术问题的。

英美海军都要求其攻击型核潜艇能与水面舰艇相互配合，共同对付敌方潜艇，不过，这需要执行支援任务的潜艇和受援的水面力量，如航母特混编队般建立起可靠的通信。美军洛杉矶级潜艇就被专门设计用来执行直接支援任务。雷神公司为此做了大量工作，但都以失败告终。它们取得的最重要成果，就是把水声通信和无线电通信结合起来。比如，潜艇可以把它们发出的声波信号，当作移动无线电浮标或其他形式天线进入位置的信号。无线电浮标系留在潜艇上，可直接传输信号；换能器则将收到的无线电信号转变成在相对较近距离内能识别的声学信号。如此一来，潜艇就可以利用卫星通信终端。

新型水下通信的出现，令上述作战设想得以实现，特别是在通信系统包含可靠的水下敌我识别系统的情况下。例如德国的数字水下通信系统，通过按动几个按钮，就可以完成识别友军潜艇的传输过程。2008年9月，一艘德国潜艇在波罗的海浅水区进行了一次识别友军潜艇的测试，在距离5.6千米、速度2.3节的条件下，潜艇实现了无差错传输。

未来水下战争

想象一下这种战斗场景：己方舰队在浅水的滨海地区活动时，声呐的工作环境非常差，无法进行远距离探测，敌方潜艇利用这一点，找机会渗透进来。对此，己方执行支援任务的潜艇派出多艘无人潜航器，无人潜航器将探测器分散部署在海床上，探测器依次通过水声通信与无人潜航器相连接。组成一个无人潜航器网络，并最终与潜艇相连。对无人潜航器的最基本要求，就是它能自主返回母艇，这就需要良好的水下导航能力。理想的导航方式应该是隐蔽的。然而，如果没有良好的水下通信，无人潜航器不得不间歇性地伸出天线，依赖全球定位等无线电系统。对于一些短时间的任务，这可能不是问题，但无人潜航器要执行的诸多任务如水雷侦察，理论上要持续数个小时甚至好几天，没有良好的通信，即便无人潜航器知道自己在哪里，其返回母艇也只能按照预设程序行动。这就极大限制了母艇在无人潜航器活动期间的行动自由，母艇不得不在一个区域内长时间待命。

美英两国海军在二战前和二战中就已开始远距离空中作战，其中电子返航导航系统扮演了关键角色。飞行员原本需要知道5小时至10小时后航母的大概位置，而返航导航系统出现后，一切就变得简单了。但对于潜艇，如果没有良好的水下通信，无人潜航器使用返航导航系统，也只能依赖无线电通信，从而间歇性地将天线伸出水面。同样，母艇也不得不伸出天线而暴露自己。可以说，未来水下战争潜艇更多的是充当无人潜航器的母艇，而不是作为一个独特的猎手。endprint