蛙人水下通信技術現狀與發展趨勢

王南

（海裝駐杭州地區軍事代表室，杭州，310023）

當前，海洋軍事斗爭日益復雜化，水下特種作戰在未來海戰中的作用進一步增強。蛙人部隊作為海軍戰斗序列的“尖刀”兵種，是近岸港口、島礁、軍事要地執行滲透、偵察和破壞任務的主角，肩負極其隱蔽和危險的任務。蛙人部隊能“以小博大”、“以弱擊強”地取得驕人戰績，其中協同作戰的信息傳輸技術十分關鍵[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，戰術手勢的傳訊距離十分有限。早期蛙人采用最為原始的時間協同方式，嚴重制約協同作戰效能。隨著技術發展，蛙人通過水下通信技術進行戰術協同，從而大幅提升蛙人編隊的整體作戰能力。

目前蛙人水下通信技術發展了多個類型。按照信息傳輸介質劃分，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，但海水對光吸收衰減很大，導致傳輸距離近，且激光通信對指向性要求較高，需要收發雙方嚴格控制通信的方向，才能達到好的通信效果。水下聲通信的傳輸距離較遠[3]，考慮水聲通信機的便攜性，通信頻率為幾十 kHz，該頻率的換能器較容易設計為水平全向或垂直具有一定波束開角的指向性。就通信信號覆蓋范圍而言，水下聲通信比激光通信具有明顯優勢。按照信息傳輸業務類型劃分，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對蛙人單工指令傳輸，實現指戰員對水下蛙人下達作戰指令的功能，蛙人攜帶的水聲通信機很少具有指令發信功能，一般蛙人間采用語音通信進行信息交互。

1 技術研究現狀

國內外對蛙人水下通信技術開展了大量研究，由于水下聲傳播距離遠大于光傳播，蛙人水聲通信技術一直為研究的熱點，其中水聲語音通信技術研究起步早，應用最廣，指令通信在某些特殊場合作為語音通信的補充，也獲得研究者的一定關注。

1.1 蛙人水聲語音通信

國外對蛙人水下通信的研究較早，主要從模擬調制和數字調制的水聲語音通信技術兩方面展開。水聲模擬語音通信技術較數字語音通信技術成熟，并形成了譜系化裝備。該技術利用聽覺的抗掩蔽效應，可以從嚴重的掩蔽噪聲下，選擇想要聽的聲音，在信噪比只有0 dB時，人耳仍能保持一定的語言可懂度。此外，人耳對原聲和回聲的反應時間為0.1 s左右，淺海水聲信道多途擴展通常為幾十ms量級，多途效應對語音通信質量影響也較小。模擬語音通信制式有調幅、調頻、雙邊帶調制和單邊帶調制等幾類，其中單邊帶調制占用帶寬最小，當發射機功率一定時，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，單邊帶調制技術較為適用水下通信應用場合，最早用于對潛通信，典型的有美國的AN/WQC-2A、英國的G732MKII和俄羅斯的“沙拉達”潛艇通信聲吶，這些聲吶在幾kHz附近工作，聲源級200 dB以上，語音通信距離可達幾十至上百km。

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

圖1 OTS公司的水下語音通信產品

圖2 Dive Link公司的水下語音通信產品

表1 國外蛙人水下語音通信產品性能

上世紀末，數字水聲通信技術取得長足進步[5]，水聲語音通信技術研究由模擬式逐步轉入數字式。由于水聲信道的帶寬受限和傳輸條件復雜，高速率水聲通信的誤碼率較高，因此數字水聲語音通信往往結合了語音壓縮技術，通過語音信源壓縮編碼降低語音通信速率，從而降低復雜水聲信道下語音通信的誤碼率。英國Bryan Woodward大學研制的“話音通信系統”，采用數字脈沖移位調制技術和線性預測編碼的語音壓縮技術[6]，以2.4 kbps通信速率，實現蛙人高清晰通話。法國研制的CELP試驗系統采用4-DPSK調制方式，結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，實現數字語音通信。目前，水聲數字語音通信技術還在持續不斷的發展中。

二十世紀 90年代中后期，我國進行了水聲語音通信技術研究，主要包括模擬單邊帶/正交頻分復用 OFDM/正交相移鍵控 QPSK等調制、語音壓縮編碼、信道編碼和信道均衡等技術，并開展了水聲語音通信樣機研制。哈爾濱工程大學采用QPSK調制方式，結合語音壓縮編碼和自適應均衡技術，進行了語音通信的湖試，實現高清晰語音通話。中科院聲學所采用單邊帶調制技術研制的水聲通信系統，裝備到了我國自主研發的深海載人潛水器“蛟龍號”上，實現了“蛟龍號”與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，最大工作深度60 m，良好水文條件時，在海灣內通信距離達到2000 m。中電三所研制的水下語音通信樣機，3級海況以下，通話距離達1500 m。國內其他科研單位，如廈門大學、西北工業大學、蘇州桑泰科技有限公司等，都在此技術領域開展了深入研究，并取得相當豐富的研究成果。

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，蛙人話音發生很大變化，清晰度比淺潛時明顯降低，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充。指令通信持續時間比語音通信短，容易形成猝發式通信，在隱蔽性和抗截獲性方面優于語音通信，因此蛙人指令通信技術也逐漸成為重點研究的技術。

由于指令通信的速率較低，誤碼率也較低。其關鍵問題不在于水聲通信本身，而在于蛙人水下行動受限條件下如何便捷快速產生指令。近年來，隨著人工智能技術的迅猛發展，國外一些機構開始研究基于手勢識別的蛙人指令通信技術。該技術主要通過智能穿戴手套的手勢產生指令，可解決蛙人水下產生指令的難題。美軍特種作戰司令部為海豹突擊隊建立戰術優勢，研制了水下小型數字式智能手套通信設備。這將成為蛙人水下通信有軍事價值的一項新興技術。

在智能手勢識別技術研究方面，美國麻省理工大學使用三軸加速計設計了一個可穿戴在手指上的數據采集和識別系統，采用基于預分類的改進型隱馬爾科夫算法作為分類器，16個手勢動作的平均識別率為85%。加拿大西蒙大學基于表面肌肉電信號和陀螺儀識別技術，通過8通道電極片緊貼皮膚表面，結合陀螺儀測量手臂空間移動動作數據，實現6個動態手勢識別[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，不適合水下環境?？偟膩碚f，智能手套的舒適性有待提高，距離實際應用還有改進空間。為此，德國慕尼黑工業大學利用基于機器視覺的圖像識別技術開發了水下手勢識別系統[8]，并首次開展了水下測試，達到94.81%的識別率，該技術有望為蛙人指令通信提供新的技術途徑。

圖3 慕尼黑大學水下手勢識別測試

在國內，中電大宇衛星應用技術研究所采用人工智能手勢識別算法和微傳感器技術，研制了用于手勢識別的手套裝置，重量150 g，可識別30個以上手勢。

2 關鍵技術

蛙人活動水域為海灣、港口和島礁，這些水域的信道傳輸條件異常復雜，存在高噪聲背景、嚴重的多途與多普勒效應，并具有時-空-頻變特性，蛙人水聲通信主要問題在于復雜信道條件及噪聲干擾問題。對于軍事通信，通信隱蔽性和保密性也是重點考慮的問題。

2.1 多模自適應水聲通信技術

針對復雜水域的信道條件，可采用多模水聲通信技術。多模通信技術旨在通過多模式的編碼調制和自適應接收機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境適應性。水聲語音通信可兼容模擬單邊帶通信和數字相干通信模式。信道多途擴展較大時，一般相干通信的信道均衡器收斂困難，此時選擇模擬單邊帶通信技術；多途擴展較小時，選擇數字相干通信技術，通過自適應信道估計與跟蹤、信道均衡與譯碼迭代接收處理，降低數字通信的誤碼率，提高語音通信的質量。

2.2 隱蔽、保密水聲通信技術

蛙人水聲指令通信由于速率低，通過采用擴頻通信技術比較容易保證水聲通信的隱蔽性和保密性。對于保密水聲語音通信，需要重點突破保密語音通信體制設計、密鑰產生與傳輸等關鍵技術。水聲保密語音通信體制應具備加密語音的剩余可懂度低、密鑰空間大和對水聲信道不敏感等特點。密鑰作為保密通信的第二道關卡，在保密通信技術中發揮舉足輕重的作用。密鑰設計可充分利用蛙人水下語言交流時具有較多和較長語音間隙的特點，采用話音激活檢測技術，在話音間隙插入密鑰信號，形成“一句一鑰”的密鑰機制，這將大幅提升破譯難度。密鑰信號的傳輸可采用擴頻通信方式。

2.3 蛙人呼吸噪聲抑制技術

除海洋環境背景噪聲之外，蛙人在密閉面罩內呼吸會產生很大的呼吸聲和氣泡聲。這些聲音會被水聲通信機的換能器拾取，作為強噪聲干擾影響水下通話質量?？蓮膬蓚€方面來減輕噪聲對通話質量影響：其一，結合換能器信號前置預濾波器設計和自適應噪聲干擾抵消技術，提高通信信噪比；其二，研究密閉面罩環境的語音增強技術，從而提高語音恢復的清晰度。

3 發展趨勢

未來海戰將演化成聯合各軍兵種的信息化、網絡化和智能化的高科技戰爭。蛙人水下特種作戰也將從重視單兵作戰素養逐步轉向提升編隊綜合作戰能力方向發展，這對蛙人水下信息傳輸提出新的要求，發展蛙人水下通信技術已經成為一種趨勢。

3.1 蛙人水下隱蔽、保密通信技術發展

水下探測技術日益精進，探測蛙人的能力不斷提升，給蛙人水下活動的隱蔽性帶來巨大挑戰。反蛙人聲吶是蛙人探測的利器，水聲語音通信作為主動聲源，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。為滿足蛙人作戰的隱蔽性，未來必將強化蛙人水下隱蔽、保密通信技術研究，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，提高蛙人水下信息傳輸的隱蔽性和安全性。

3.2 蛙人水下通信裝備向智能化發展

單兵裝備數字化、智能化是士兵從事信息化戰爭的必然趨勢。應用智能穿戴技術設計出的智能手套、腕表、頭盔等與蛙人水下通信機將有機整合，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。智能手套將手勢指令化，指令通過水聲通信遠距離傳輸，指令語音化，進一步基于人工智能的語義分割技術，可形成一種比手勢指令通信更為有效的手語通信技術，將有效提升蛙人水下信息傳輸的技術水平。智能腕表將獲取蛙人心率、血氧、血壓等生命體征數據，智能頭盔的聲光傳感器實時感知戰場的環境信息。這些信息通過水聲通信共享至編隊每個成員，使蛙人及時掌握作戰態勢，也將大幅提高協同化作戰水平。

3.3 蛙人水下網絡通信技術發展

隨著水下無人裝備快速發展，無人裝備在執行“枯燥、惡劣、危險、縱深”等作戰任務的效果顯著，無人系統通過聯合、集群作戰模式，并與有人裝備形成特異化的對抗樣式，互為補充，提升體系作戰能力。蛙人水下協同作戰從有人編隊逐漸延伸至無人集群系統將成為必然趨勢，目前大部分蛙人水下通信為點對點方式，還未形成網絡的高效信息傳輸，限制了信息傳輸范圍，因此蛙人編隊與無人系統的水下網絡通信技術也將成為未來研究重點。

4 結語

本文通過對國內外蛙人水下通信技術研究現狀的梳理與分析，表明目前在該技術領域還存在一些待攻克的難題，提出了其中要研究的關鍵技術，結合當前人工智能和網絡技術的進展，給出了蛙人水下通信技術的研究方向與發展趨勢，對促進我國在此技術領域的發展具有參考價值。隨著該技術不斷發展與完善，必定將給我國蛙人水下特種作戰能力提升提供有力的信息保障。