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United States找到潜艇与飞机一向通讯的开荒性新办

文章作者:环球视线 上传时间:2019-11-01

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  潜艇与飞机直接通信示意图。图片来源:麻省理工学院网站

图为美国今日海军网(Naval Today)报道的“平移声学—射频通信”(TARF: Translational Acoustic-RF communication )系统创意图。

  [环球网军事报道]长期以来,由于海水-空气的物理隔绝对无线信号传输的限制,在水下航行的潜艇通常无法与水面以上的任何物体直接通信。这么多年以来也诞生了一些尖端技术来解决这一难题,例如,卫星通信,天地激光通信技术,乃至当前最热门的、正在研究中的水下量子通信等。如今又出现一种“革命性”的新方法,可能在不久的将来改变潜艇在对外通信联络中的窘迫境地。

(科技日报8月29日报道)如何实现水下潜艇与水上舰机的“跨界”通信,有效实现多种力量协同海上作战,一直是困扰各国海军的难题。近日,美国在解决这一难题上取得了巨大的技术突破,麻省理工(MIT)的科研人员推出了“平移声学—射频通信”(TARF)系统,综合运用声呐和雷达技术,以实现水下潜艇与飞机的直接通信。

  据美国瘾科技网站8月22日报道,美国麻省理工的研究人员最近开发出一种无线通信系统,可以将数据从水下信号源传输到空中。这种方法被称为“平移声学-射频通信”(TARF),混合使用声呐和雷达,克服水和空气对通信的限制。

“TARF系统的原理是潜艇通过声呐装置向海面发送含有预定信息的声波,不同频率的声波在海面形成的微小振幅对应二进制代码,飞机装载极高频雷达对海面扫描,捕获声波形成的二进制代码信号,通过解码将其恢复成潜艇发送的信息。”《中外舰闻》主编、军事评论员吕田丰告诉科技日报记者,“TARF系统的原理并不复杂,声呐和雷达两个分系统也不是特别先进,但雷达要在水面波浪的干扰中识别微小的声波振幅所需的算法却极其复杂且规模庞大,因此海面声波振幅的识别算法是TARF系统的核心技术,也是最大的技术难点。”

  这个方法的大致原理是:通过声呐装置向水面发送声波信号,这样在水面形成不同频率的微小振动,这些特定的微小振动又对应于二进制比特代码0和1。然后在水面之上,利用极高频雷达(30GHz至300GHz)捕获到这些与二进制比特代码有关的微小信号,最终将声呐信号解码、恢复成有意义的信息。

据悉,科研人员利用波浪频率特性,成功实现了对自然波浪和声波振幅的有效区分,目前TARF系统能够在水面波浪高度小于16厘米的海域中工作。科研人员希望进一步优化算法,使其能够在更为复杂的海况中使用。

  这实际上还是将比特代码流处理成有意义数据的问题。新的信号处理算法利用波浪频率,区分大的波浪与科学家要寻找的“微小波浪”之间的区别。

“现阶段与潜艇通信主要有无线电和通信浮标两种方式。”吕田丰指出,无线电通信主要通过甚低频和极低频无线电技术,能够穿过10~200米海水,但这种通信技术需要上千米到数十千米的天线阵列,因此基本只能用于陆上基地与潜艇的远距离通信。通信浮标也有两种,一是舰机释放的声呐浮标,声呐浮标可以将舰机发出的通信信息转化为声呐信号在海中传播,潜艇接收声呐信号得到舰机发送的指令,声呐浮标也可以接收潜艇主动发出的声呐信号,转化为电信号发送给舰机,从而实现水下潜艇与水上舰机的双向通信;二是潜艇释放的有线通信浮标,浮标与潜艇相连,相当于潜艇伸出水面的天线,直接通过无线电与舰机、基地等联系。

  这种“平移声学-射频通信”并不需要完全静止的海水,只是目前的技术水平要求海面浪高不能超过6.3英寸,也就是16厘米。麻省理工学院希望进一步改进,可以在“波涛汹涌”的海面环境中使用。

“TARF系统将给潜艇通信带来巨大变革。”吕田丰表示,潜艇执行侦查、攻击等作战任务需要主动与舰机联系时,往往要由潜艇释放通信浮标,通信浮标漂浮在海面本身就是指示潜艇位置的绝佳标志,且潜艇释放浮标需要上浮或下潜调整位置,更易暴露潜艇方位。TARF系统一旦成熟,潜艇就无需装备通信浮标,这将显著提高潜艇的生存能力,大幅提升潜艇作战性能。此外,小巧轻便的声学装置能够安装在体型较小的无人潜航器中,无人潜航器也能借助TARF系统避免时常浮起传输数据,大幅提高其续航能力。

  目前这种通信技术还处于早期阶段,但这是一个名副其实的里程碑!已经研制出的原型系统还无法传输照片或高度详细的报告,只能以每秒几百比特的速率传输数据,这个带宽还比不上几十年前上网用的拨号调制解调器。而且,这种方法也只能用于单向通信传输。

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  解决了潜艇水下通信的老大难问题,将极大改变未来的海上作战样式。

  但即使是这么一点点的数据已经足以开启水上-空中通信的新能力,足以满足各种(潜艇作战)应用的需求。

  例如,潜艇不需要浮出水面就可以将它们发现的情报信息直接发送到在海面上空盘旋的飞机(包括无人机),同时保持自己在水下安全。而且也不需要使用水面舰艇作为联络中介,避免水兵受到伤害,并且在传统舰艇不可用的情况下,依然可让潜艇对外通信成为可能。

  此外,监测海洋生物(或目标)的水下无人机也不需要经常从深潜中重新出现,以向研究人员发送数据。

  另一个有希望的应用是帮助搜索在水下失踪的飞机,作为声学传输信标用于飞机的黑匣子,如果它每隔一段时间发送一次信号,你就可以使用该系统来接收信号。

  随着这种新型通信技术的成熟及应用,将在很大程度上解决或缓解潜艇在水下作战通信联络的老大难问题,配合其他的通信联络手段,显著潜艇的生存、攻击能力,给未来的海上作战带来新的变化,值得认真的研究应对。

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