蛙人水下通信技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王南

（海裝駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州，310023）

當(dāng)前，海洋軍事斗爭日益復(fù)雜化，水下特種作戰(zhàn)在未來海戰(zhàn)中的作用進(jìn)一步增強(qiáng)。蛙人部隊(duì)作為海軍戰(zhàn)斗序列的“尖刀”兵種，是近岸港口、島礁、軍事要地執(zhí)行滲透、偵察和破壞任務(wù)的主角，肩負(fù)極其隱蔽和危險(xiǎn)的任務(wù)。蛙人部隊(duì)能“以小博大”、“以弱擊強(qiáng)”地取得驕人戰(zhàn)績，其中協(xié)同作戰(zhàn)的信息傳輸技術(shù)十分關(guān)鍵[1]。由于蛙人在水下往往不能建立目視或語言接觸，受限于海水能見度，戰(zhàn)術(shù)手勢(shì)的傳訊距離十分有限。早期蛙人采用最為原始的時(shí)間協(xié)同方式，嚴(yán)重制約協(xié)同作戰(zhàn)效能。隨著技術(shù)發(fā)展，蛙人通過水下通信技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同，從而大幅提升蛙人編隊(duì)的整體作戰(zhàn)能力。

目前蛙人水下通信技術(shù)發(fā)展了多個(gè)類型。按照信息傳輸介質(zhì)劃分，蛙人水下通信可分成水下激光通信和水下聲通信兩類。水下激光通信[2]速率很高，但海水對(duì)光吸收衰減很大，導(dǎo)致傳輸距離近，且激光通信對(duì)指向性要求較高，需要收發(fā)雙方嚴(yán)格控制通信的方向，才能達(dá)到好的通信效果。水下聲通信的傳輸距離較遠(yuǎn)[3]，考慮水聲通信機(jī)的便攜性，通信頻率為幾十 kHz，該頻率的換能器較容易設(shè)計(jì)為水平全向或垂直具有一定波束開角的指向性。就通信信號(hào)覆蓋范圍而言，水下聲通信比激光通信具有明顯優(yōu)勢(shì)。按照信息傳輸業(yè)務(wù)類型劃分，蛙人水下通信可分成水下語音通信和指令通信。語音通信是人類最自然和最便捷的信息交互方式，也是最常用的蛙人通信方式。指令通信通常用于指揮平臺(tái)對(duì)蛙人單工指令傳輸，實(shí)現(xiàn)指戰(zhàn)員對(duì)水下蛙人下達(dá)作戰(zhàn)指令的功能，蛙人攜帶的水聲通信機(jī)很少具有指令發(fā)信功能，一般蛙人間采用語音通信進(jìn)行信息交互。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對(duì)蛙人水下通信技術(shù)開展了大量研究，由于水下聲傳播距離遠(yuǎn)大于光傳播，蛙人水聲通信技術(shù)一直為研究的熱點(diǎn)，其中水聲語音通信技術(shù)研究起步早，應(yīng)用最廣，指令通信在某些特殊場合作為語音通信的補(bǔ)充，也獲得研究者的一定關(guān)注。

1.1 蛙人水聲語音通信

國外對(duì)蛙人水下通信的研究較早，主要從模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的水聲語音通信技術(shù)兩方面展開。水聲模擬語音通信技術(shù)較數(shù)字語音通信技術(shù)成熟，并形成了譜系化裝備。該技術(shù)利用聽覺的抗掩蔽效應(yīng)，可以從嚴(yán)重的掩蔽噪聲下，選擇想要聽的聲音，在信噪比只有0 dB時(shí)，人耳仍能保持一定的語言可懂度。此外，人耳對(duì)原聲和回聲的反應(yīng)時(shí)間為0.1 s左右，淺海水聲信道多途擴(kuò)展通常為幾十ms量級(jí)，多途效應(yīng)對(duì)語音通信質(zhì)量影響也較小。模擬語音通信制式有調(diào)幅、調(diào)頻、雙邊帶調(diào)制和單邊帶調(diào)制等幾類，其中單邊帶調(diào)制占用帶寬最小，當(dāng)發(fā)射機(jī)功率一定時(shí)，可獲得最大的功率增益。由于水聲信道帶寬受限和水下能源有限，單邊帶調(diào)制技術(shù)較為適用水下通信應(yīng)用場合，最早用于對(duì)潛通信，典型的有美國的AN/WQC-2A、英國的G732MKII和俄羅斯的“沙拉達(dá)”潛艇通信聲吶，這些聲吶在幾kHz附近工作，聲源級(jí)200 dB以上，語音通信距離可達(dá)幾十至上百km。

隨著水下特種作戰(zhàn)在局部戰(zhàn)爭的大量使用，蛙人水聲語音通信技術(shù)得到快速發(fā)展。上世紀(jì) 70年代，美國成功研制了蛙人語音通信裝備，采用模擬單邊帶調(diào)制，實(shí)現(xiàn)可聽清70%內(nèi)容的語音通信[4]。隨后日本、俄羅斯、加拿大也相繼開始進(jìn)行蛙人通信裝備研制。典型的有美國OTS公司的SSB系列產(chǎn)品，具備小巧輕便、低功耗等特點(diǎn)，具有多達(dá) 8個(gè)通話頻道，工作頻率范圍25～33 kHz，通信距離最遠(yuǎn)3000 m。經(jīng)過多年持續(xù)發(fā)展，OTS公司在2020年又推出了新一代的 3000D/5000D/6000D系列產(chǎn)品，如圖1所示，其中的軍用版本發(fā)射功率70 W，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)6000 m，具有語音通信加密功能，裝備于美國海軍海豹突擊隊(duì)。民用產(chǎn)品廣泛用于潛水訓(xùn)練、專業(yè)搜救和打撈作業(yè)，發(fā)射功率25～35 W，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)5000 m。加拿大Dive Link公司也推出類似蛙人水下語音通信產(chǎn)品，如圖2所示。該公司產(chǎn)品涵蓋了蛙人通信中繼浮標(biāo)，用于拓展蛙人水下作業(yè)范圍，表1給出這些蛙人水聲語音通信裝備的性能參數(shù)。在蛙人保密水聲語音通信方面，出于軍事競爭和保密需要，國外對(duì)該技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格封鎖，很少對(duì)外公布有關(guān)資料。

圖1 OTS公司的水下語音通信產(chǎn)品

圖2 Dive Link公司的水下語音通信產(chǎn)品

表1 國外蛙人水下語音通信產(chǎn)品性能

上世紀(jì)末，數(shù)字水聲通信技術(shù)取得長足進(jìn)步[5]，水聲語音通信技術(shù)研究由模擬式逐步轉(zhuǎn)入數(shù)字式。由于水聲信道的帶寬受限和傳輸條件復(fù)雜，高速率水聲通信的誤碼率較高，因此數(shù)字水聲語音通信往往結(jié)合了語音壓縮技術(shù)，通過語音信源壓縮編碼降低語音通信速率，從而降低復(fù)雜水聲信道下語音通信的誤碼率。英國Bryan Woodward大學(xué)研制的“話音通信系統(tǒng)”，采用數(shù)字脈沖移位調(diào)制技術(shù)和線性預(yù)測編碼的語音壓縮技術(shù)[6]，以2.4 kbps通信速率，實(shí)現(xiàn)蛙人高清晰通話。法國研制的CELP試驗(yàn)系統(tǒng)采用4-DPSK調(diào)制方式，結(jié)合基于線性最小均方誤差的判決反饋均衡器，傳輸速率為6 kbps，實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音通信。目前，水聲數(shù)字語音通信技術(shù)還在持續(xù)不斷的發(fā)展中。

二十世紀(jì) 90年代中后期，我國進(jìn)行了水聲語音通信技術(shù)研究，主要包括模擬單邊帶/正交頻分復(fù)用 OFDM/正交相移鍵控 QPSK等調(diào)制、語音壓縮編碼、信道編碼和信道均衡等技術(shù)，并開展了水聲語音通信樣機(jī)研制。哈爾濱工程大學(xué)采用QPSK調(diào)制方式，結(jié)合語音壓縮編碼和自適應(yīng)均衡技術(shù)，進(jìn)行了語音通信的湖試，實(shí)現(xiàn)高清晰語音通話。中科院聲學(xué)所采用單邊帶調(diào)制技術(shù)研制的水聲通信系統(tǒng)，裝備到了我國自主研發(fā)的深海載人潛水器“蛟龍?zhí)枴鄙?，?shí)現(xiàn)了“蛟龍?zhí)枴迸c母船之間水聲語音通信。中國船舶第七一五研究所研制的蛙人水聲語音通信樣機(jī)，最大工作深度60 m，良好水文條件時(shí)，在海灣內(nèi)通信距離達(dá)到2000 m。中電三所研制的水下語音通信樣機(jī)，3級(jí)海況以下，通話距離達(dá)1500 m。國內(nèi)其他科研單位，如廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、蘇州桑泰科技有限公司等，都在此技術(shù)領(lǐng)域開展了深入研究，并取得相當(dāng)豐富的研究成果。

1.2 蛙人水聲指令通信

在水下40 m深度，由于呼吸高壓氦氧混合氣體，蛙人話音發(fā)生很大變化，清晰度比淺潛時(shí)明顯降低，語音通信效果變得很差，水聲指令通信可作為蛙人通信重要補(bǔ)充。指令通信持續(xù)時(shí)間比語音通信短，容易形成猝發(fā)式通信，在隱蔽性和抗截獲性方面優(yōu)于語音通信，因此蛙人指令通信技術(shù)也逐漸成為重點(diǎn)研究的技術(shù)。

由于指令通信的速率較低，誤碼率也較低。其關(guān)鍵問題不在于水聲通信本身，而在于蛙人水下行動(dòng)受限條件下如何便捷快速產(chǎn)生指令。近年來，隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外一些機(jī)構(gòu)開始研究基于手勢(shì)識(shí)別的蛙人指令通信技術(shù)。該技術(shù)主要通過智能穿戴手套的手勢(shì)產(chǎn)生指令，可解決蛙人水下產(chǎn)生指令的難題。美軍特種作戰(zhàn)司令部為海豹突擊隊(duì)建立戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，研制了水下小型數(shù)字式智能手套通信設(shè)備。這將成為蛙人水下通信有軍事價(jià)值的一項(xiàng)新興技術(shù)。

在智能手勢(shì)識(shí)別技術(shù)研究方面，美國麻省理工大學(xué)使用三軸加速計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴在手指上的數(shù)據(jù)采集和識(shí)別系統(tǒng)，采用基于預(yù)分類的改進(jìn)型隱馬爾科夫算法作為分類器，16個(gè)手勢(shì)動(dòng)作的平均識(shí)別率為85%。加拿大西蒙大學(xué)基于表面肌肉電信號(hào)和陀螺儀識(shí)別技術(shù)，通過8通道電極片緊貼皮膚表面，結(jié)合陀螺儀測量手臂空間移動(dòng)動(dòng)作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)6個(gè)動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別[7]，但8通道電極片必須緊貼在特定手臂皮膚表面，舒適度較低，不適合水下環(huán)境?？偟膩碚f，智能手套的舒適性有待提高，距離實(shí)際應(yīng)用還有改進(jìn)空間。為此，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)利用基于機(jī)器視覺的圖像識(shí)別技術(shù)開發(fā)了水下手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)[8]，并首次開展了水下測試，達(dá)到94.81%的識(shí)別率，該技術(shù)有望為蛙人指令通信提供新的技術(shù)途徑。

圖3 慕尼黑大學(xué)水下手勢(shì)識(shí)別測試

在國內(nèi)，中電大宇衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)研究所采用人工智能手勢(shì)識(shí)別算法和微傳感器技術(shù)，研制了用于手勢(shì)識(shí)別的手套裝置，重量150 g，可識(shí)別30個(gè)以上手勢(shì)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

蛙人活動(dòng)水域?yàn)楹?、港口和島礁，這些水域的信道傳輸條件異常復(fù)雜，存在高噪聲背景、嚴(yán)重的多途與多普勒效應(yīng)，并具有時(shí)-空-頻變特性，蛙人水聲通信主要問題在于復(fù)雜信道條件及噪聲干擾問題。對(duì)于軍事通信，通信隱蔽性和保密性也是重點(diǎn)考慮的問題。

2.1 多模自適應(yīng)水聲通信技術(shù)

針對(duì)復(fù)雜水域的信道條件，可采用多模水聲通信技術(shù)。多模通信技術(shù)旨在通過多模式的編碼調(diào)制和自適應(yīng)接收機(jī)算法來匹配不同尺度變化的水聲信道，從而提高通信可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。水聲語音通信可兼容模擬單邊帶通信和數(shù)字相干通信模式。信道多途擴(kuò)展較大時(shí)，一般相干通信的信道均衡器收斂困難，此時(shí)選擇模擬單邊帶通信技術(shù)；多途擴(kuò)展較小時(shí)，選擇數(shù)字相干通信技術(shù)，通過自適應(yīng)信道估計(jì)與跟蹤、信道均衡與譯碼迭代接收處理，降低數(shù)字通信的誤碼率，提高語音通信的質(zhì)量。

2.2 隱蔽、保密水聲通信技術(shù)

蛙人水聲指令通信由于速率低，通過采用擴(kuò)頻通信技術(shù)比較容易保證水聲通信的隱蔽性和保密性。對(duì)于保密水聲語音通信，需要重點(diǎn)突破保密語音通信體制設(shè)計(jì)、密鑰產(chǎn)生與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。水聲保密語音通信體制應(yīng)具備加密語音的剩余可懂度低、密鑰空間大和對(duì)水聲信道不敏感等特點(diǎn)。密鑰作為保密通信的第二道關(guān)卡，在保密通信技術(shù)中發(fā)揮舉足輕重的作用。密鑰設(shè)計(jì)可充分利用蛙人水下語言交流時(shí)具有較多和較長語音間隙的特點(diǎn)，采用話音激活檢測技術(shù)，在話音間隙插入密鑰信號(hào)，形成“一句一鑰”的密鑰機(jī)制，這將大幅提升破譯難度。密鑰信號(hào)的傳輸可采用擴(kuò)頻通信方式。

2.3 蛙人呼吸噪聲抑制技術(shù)

除海洋環(huán)境背景噪聲之外，蛙人在密閉面罩內(nèi)呼吸會(huì)產(chǎn)生很大的呼吸聲和氣泡聲。這些聲音會(huì)被水聲通信機(jī)的換能器拾取，作為強(qiáng)噪聲干擾影響水下通話質(zhì)量?？蓮膬蓚€(gè)方面來減輕噪聲對(duì)通話質(zhì)量影響：其一，結(jié)合換能器信號(hào)前置預(yù)濾波器設(shè)計(jì)和自適應(yīng)噪聲干擾抵消技術(shù)，提高通信信噪比；其二，研究密閉面罩環(huán)境的語音增強(qiáng)技術(shù)，從而提高語音恢復(fù)的清晰度。

3 發(fā)展趨勢(shì)

未來海戰(zhàn)將演化成聯(lián)合各軍兵種的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的高科技戰(zhàn)爭。蛙人水下特種作戰(zhàn)也將從重視單兵作戰(zhàn)素養(yǎng)逐步轉(zhuǎn)向提升編隊(duì)綜合作戰(zhàn)能力方向發(fā)展，這對(duì)蛙人水下信息傳輸提出新的要求，發(fā)展蛙人水下通信技術(shù)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

3.1 蛙人水下隱蔽、保密通信技術(shù)發(fā)展

水下探測技術(shù)日益精進(jìn)，探測蛙人的能力不斷提升，給蛙人水下活動(dòng)的隱蔽性帶來巨大挑戰(zhàn)。反蛙人聲吶是蛙人探測的利器，水聲語音通信作為主動(dòng)聲源，在反蛙人聲吶面前，蛙人將無處遁形，尤其是模擬水聲語音通信，還存在易竊聽的突出問題。為滿足蛙人作戰(zhàn)的隱蔽性，未來必將強(qiáng)化蛙人水下隱蔽、保密通信技術(shù)研究，綜合采用信源加密、保密通信體制以及低截獲的水聲通信等多種技術(shù)，提高蛙人水下信息傳輸?shù)碾[蔽性和安全性。

3.2 蛙人水下通信裝備向智能化發(fā)展

單兵裝備數(shù)字化、智能化是士兵從事信息化戰(zhàn)爭的必然趨勢(shì)。應(yīng)用智能穿戴技術(shù)設(shè)計(jì)出的智能手套、腕表、頭盔等與蛙人水下通信機(jī)將有機(jī)整合，形成一體化、智能化信息終端，打破分立裝備的自身局限，拓展蛙人在水下的身體機(jī)能。這將大幅提升蛙人單兵信息感知、獲取和傳輸能力。智能手套將手勢(shì)指令化，指令通過水聲通信遠(yuǎn)距離傳輸，指令語音化，進(jìn)一步基于人工智能的語義分割技術(shù)，可形成一種比手勢(shì)指令通信更為有效的手語通信技術(shù)，將有效提升蛙人水下信息傳輸?shù)募夹g(shù)水平。智能腕表將獲取蛙人心率、血氧、血壓等生命體征數(shù)據(jù)，智能頭盔的聲光傳感器實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)場的環(huán)境信息。這些信息通過水聲通信共享至編隊(duì)每個(gè)成員，使蛙人及時(shí)掌握作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，也將大幅提高協(xié)同化作戰(zhàn)水平。

3.3 蛙人水下網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展

隨著水下無人裝備快速發(fā)展，無人裝備在執(zhí)行“枯燥、惡劣、危險(xiǎn)、縱深”等作戰(zhàn)任務(wù)的效果顯著，無人系統(tǒng)通過聯(lián)合、集群作戰(zhàn)模式，并與有人裝備形成特異化的對(duì)抗樣式，互為補(bǔ)充，提升體系作戰(zhàn)能力。蛙人水下協(xié)同作戰(zhàn)從有人編隊(duì)逐漸延伸至無人集群系統(tǒng)將成為必然趨勢(shì)，目前大部分蛙人水下通信為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，還未形成網(wǎng)絡(luò)的高效信息傳輸，限制了信息傳輸范圍，因此蛙人編隊(duì)與無人系統(tǒng)的水下網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也將成為未來研究重點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)國內(nèi)外蛙人水下通信技術(shù)研究現(xiàn)狀的梳理與分析，表明目前在該技術(shù)領(lǐng)域還存在一些待攻克的難題，提出了其中要研究的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前人工智能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)展，給出了蛙人水下通信技術(shù)的研究方向與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)促進(jìn)我國在此技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有參考價(jià)值。隨著該技術(shù)不斷發(fā)展與完善，必定將給我國蛙人水下特種作戰(zhàn)能力提升提供有力的信息保障。