水下通信的過去與現(xiàn)在

竊聽水底的空管聽聲器 在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，潛水艇越來越顯示出它的威懾力量。但潛水艇也遇到一個很大的難題，即如何有效地進行水下通信問題。于是，水下“無線電話”一時成了科學家的研究熱門。 水下通信技術的發(fā)展史可以追溯到很久以前。今天，我們?nèi)钥稍谝獯罄囆g家達？芬奇（公元1490年）的筆記本中找到這樣一段話：“將一根長管的封閉端插進水里，把開口端放在耳朵旁，可以聽到遠處船行駛的響聲。”可以說，這是較早的研究水下通信的文字資料。后來科學家又得出進一步的結論：水的密度比空氣大得多，聲音可以在水中迅速傳播，在海水中的聲速為5500千米／小時。據(jù)此計算，從太平洋一側發(fā)出的一個聲信號，經(jīng)過4小時就能到達另一側。此外，海水的鹽分越多，深度越深，聲音傳播速度也越快。在深度為1萬米的深海底，聲在水中的傳播速度可達6000千米／小時。 利用聲音在水中傳播速度快的特點，科學家們?yōu)樵缙诘臐撍гO計了一種“空氣管式”的聽音設備。這種聽音設備類似于醫(yī)生會診用的聽診器。

1為空心管道，內(nèi)部是空氣；

2為空心橡皮球，安裝在空氣管兩端；

3為垂直空氣管，一端與1和2相聯(lián)接，另一端穿過潛艇甲板，插入艇內(nèi)；

4是聽音筒，與垂直氣管相連接；

5是調(diào)節(jié)手柄，可以左右轉動。當潛水艇潛入水中時，將聽音設備的聽筒掛在耳朵上，如遇到附近有船只行駛時，螺旋槳撥動水而發(fā)出的聲波傳到空心球處，使球壁發(fā)生振動，空心管內(nèi)的空氣柱也發(fā)生振動，潛艇內(nèi)的人員就可從聽筒聽到聲響。轉動調(diào)節(jié)器，根據(jù)兩耳聲音的強弱變化程度，就可憑經(jīng)驗確定附近船只的方位。以后又發(fā)展到由許多空氣管組成的聲波接收器。這種裝置的特點是可以在水下相互進行通信，一方發(fā)出表示信號的響聲，另一方可接收到并進行“對話”。當然，這樣很容易暴露潛艇的位置，不利于保密和安全，很快就被淘汰了。

易收難發(fā)的無線電通信 無線電通信出現(xiàn)后，給潛艇通信提出了新問題。當潛水艇浮在水面時，可以利用各種無線電通信方式。但當潛入水下時，因為通常使用的無線電波很難穿透到水下，大部分被水體反射回空氣中，小部分進入水中也很快被水吸收掉，潛艇無法利用當時的無線電裝置與外界聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，電波的頻率越高（即波長越短），越容易被水體吸收。為解決潛艇水下通信問題，科學家們采用了頻率很低的超長波進行試驗，波長范圍在5000—20000米之間的電波，向海面發(fā)射時，可穿透20米左右的水深。為了建立超長波信號發(fā)射臺，需要建立高達300米的天線，顯然，在潛水艇上是不可能安裝如此高大的天線的，這就決定了當時的潛水艇只能接收超長波信號而不能在水下發(fā)射信號的命運。

為了接收超長波信號，潛艇甲板上裝有邊長約1米的方框形天線。進入水里的電磁波穿過天線框時，框內(nèi)會產(chǎn)生隨信號變化的感應電勢，微弱的感應電流經(jīng)放大和解調(diào)處理后就可再現(xiàn)原來的信號。為了適應戰(zhàn)爭環(huán)境的需要，潛艇應該能主動地與指揮部取得聯(lián)系，為此，設計出了一種裝有特殊的可快速升降的桅桿，普通的短波發(fā)射天線固定在這種桅桿的頂部。潛艇向地面指揮部發(fā)射信號時，首先升到離水面只有7--10米處，然后將裝有天線的桅桿往上升，直到天線露出水面，迅速地發(fā)完全部信息。完成發(fā)射后，立即收桿，潛艇全速下沉轉移。

舊式的潛艇為了觀察周圍有無敵情，先要伸出潛望鏡，而現(xiàn)代化的潛艇裝有先進的可升降的潛艇雷達，它升出水面后能快速掃視四周，迅速、準確地探測四周的動靜，同時向陸地發(fā)送短波信號，或可用波長極短的超高頻電波直接與空中的衛(wèi)星聯(lián)系。衛(wèi)星通信天線也安裝在可升降桅桿的頂部。

現(xiàn)代最新型的潛艇還配備有彈射式呼救器，遇到緊急情況時，潛艇可從水下將呼救器彈出水面。呼救器到了水面會自動地連續(xù)發(fā)出無線電波，向衛(wèi)星或周圍呼救。

穿透深海的極長波通信 超長波通信雖然可使?jié)撏г陔x海面20米以內(nèi)的水下接收信號，但此深度對現(xiàn)代海戰(zhàn)中的潛艇，特別是核潛艇來說很不安全，這就迫使科學家們尋找一種真正稱得上深水通信的有效手段。

根據(jù)無線電波穿透海水的理論推算，波長越長，越易穿透海水，因而科學家決定采用比超長波更長的電波進行試驗。美國海軍部科研中心采用波長為300千米的極長波進行試驗。當然，為了發(fā)射這種極長波電訊，天線也將成百倍地增長，竟達100多千米。這樣長的天線只有鋪設在地面上，并應選擇電導率較低的巖層地區(qū)。美國的一個海軍試驗場東西、南北方向交錯地鋪設著20根這樣長的發(fā)射天線，每根相距1千米。用這樣的方法可將電波發(fā)射到海面下200米左右的深度。由于極低頻的頻率極低（約76赫），相應地它們所攜帶的信息變化也很慢，傳送三個字碼約需半小時。不過，對于長期隱蔽在深水下的核潛艇來說，這種通信方法仍非常必要。此外，科學家們已找到了巧妙的字母組合方法，按照不同的排列組合，組成三個字母群?？删幹铺厥獾碾娢?。

極低頻通信非常穩(wěn)定，幾乎不受外界干擾，即使遇到核爆炸，也有高度的抗干擾能力。潛艇在水下快速前進時同樣能順利地接收極低頻信號。美國海軍在一次試驗中，向表面被10米厚冰層覆蓋的北冰洋發(fā)射極低頻信號，電波經(jīng)冰層，直達120米深的水下，正在那里以20海里時速行駛的潛艇及時接收到了各種指示。極低頻通信雖然解決了向深海潛艇發(fā)送電信號的問題，但仍然不能進行雙向通信。

貫穿?？盏乃{光通信 宇航員從航天飛機上看地球是蔚藍色的，這是因為地球表面約71％被水體所覆蓋。蔚藍色的大海確實與藍綠色特別有緣，其它紅、黃、橙、紫色的光線只能進入海洋的表層。從潛水員攝得的水下照片中可以證明，在3米深度以下的水里，什么東西都成了藍綠色，只有在3米以上的表層水里，尚殘留一些其他顏色的光，才能攝得多種色彩的景物。這是因為海水具有濾色作用，陽光中的紅色光一進入海水幾乎全被吸收了?？茖W實驗證明，波長為490毫微米的藍綠光最易穿透海水，不過由于水溫與含鹽量的不同，適于進入海水的藍綠光的波長也有所不同，如在沿海一帶是510—550毫微米波長的光穿透深度最大，而在大西洋水溫較低的區(qū)域則為470--500毫微米波長的光。

現(xiàn)在要得到單一波長的純色光或波長可調(diào)節(jié)的藍綠光可采用激光發(fā)生器，在外界能量的激勵下，它能發(fā)單一波長的激光。藍、綠色激光不僅能有效地穿透海水，也能有效地穿過空氣，與其他單色光相比，不易被空氣中的水珠或云、霧吸收，它的這種通天入海的奇特本領引起了研究潛艇通信的科學家的重視。試驗中，飛機從12千米高空向海面發(fā)射一束藍綠之光，結果一路暢通無阻，直達位于海面下300米深處的“海豚”號潛艇。潛艇也以相同的方式向飛機發(fā)送了信息，終于實現(xiàn)了水下與空中和地面進行雙向通信的愿望。

現(xiàn)代水下聲納通信隨著現(xiàn)代化的潛艇通信技術迅速發(fā)展的同時，人們并沒有拋棄早期的水聲通信方法，特別是超聲波技術的發(fā)展，使水下聲納通信技術進入了“柳暗花明又一村”的黃金時代。實驗表明，超聲波在水中不僅有很好的傳播性能，而且不為人耳所察覺，具有較好的方向性，非常適合潛水艇與潛水艇之間的相互通信。這種超聲波通信系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、聲調(diào)制器和超聲接收器、發(fā)射器等組成。其工作原理是，將接收到的超聲信號送入聲電轉換器，可得到按信號變化的電流，推動揚聲器就可聽到話音。

隨著水下通信技術的不斷完善，現(xiàn)代潛艇上裝備了多種形式的通信設備，以便根據(jù)需要，隨時選擇最合適的通信方式，與水下己方的其他潛艇、地面指揮部或空中的飛機、衛(wèi)星等取得聯(lián)系。