与潜艇通信的多种方式

有时似乎很难相信，我们人类设法探索的东西如此之少：海洋。海洋覆盖了大约70%的世界表面，但我们只绘制了20%的海底地图。我们所知道的22.8万种海洋生物约占估计水生物种总数的百分之十。我们所知道的几乎所有的生命，以及我们彻底探索过的区域，都局限于离地表几百米的地方。

我们深水调查工作的匮乏与海洋对那些没有进化到能够在其中生存的人的敌意有很大关系。即使在几米深的地方生活和工作也需要极端的工程和极其昂贵的机器，即使这样，一旦潜水员在那里，他们很快就会与世界其他地方完全隔绝。水下通信尤其具有挑战性，因为海水的特性阻碍了将其用作通信介质的努力。

尽管这可能很有挑战性，但水下通信是可能的，在本文中，我们将看看使水下操作成为可能的几种模式，以及一种可能将互联网延伸到海浪以下的新技术。

在沉默服务的最初几年的大部分时间里，一旦潜艇沉入水中，它就只能靠自己了。对于第一次世界大战的潜艇和U型潜艇来说，这一事实几乎没有什么实际意义，因为这些船只主要是作为水面舰艇操作，潜入水下只是为了攻击或躲避追击。在他们被淹没的一小部分时间里，指挥当局几乎不需要与他们联系，因为他们大多是单独行动，并在船长的主动下发动攻击。

在本世纪后期，随着潜艇战术演变为“狼群”攻击，船只之间进行水下通信以协调攻击的需求变得明显起来。潜艇和潜艇船长依靠他们的高频无线电在群体中的船只之间进行通信，并协调他们对车队的攻击，但这可能会使他们暴露在使用无线电测向设备的敌对部队的探测之下，而且由于他们需要浮出水面才能使用无线电，他们很容易成为水面舰艇和飞机的目标。

美国海军最早部署的水下通信方式之一是AN/BQC-1水下电话。这是一种由电池供电的完全便携的设备，水面舰艇使用它来与水下的潜水艇进行通信，以及潜艇之间的通信。该装置通常被称为“格特鲁德”号，除了安装在船体上的换能器外，它是自给自足的。基地单元有一个电话听筒，用于单元之间的语音通信；此外，可以使格特鲁德号发出24.26千赫的音频音调，向使用该频率操作声纳设备的其他船只发出呼叫。

为了传输语音，格特鲁德使用了业余无线电操作员熟悉的一种调制方法：单边带。就像无线电波一样，声波载波可以进行幅度调制。在格特鲁德的情况下，载波是从8.3375千赫到11.0875千赫的任何地方，就像在无线电中一样，接收器和发射器必须调到相同的载波频率。在发射机一侧，AM信号经过滤波以去除载波和其中一个边带，留下应用于换能器的单边带信号。接收机使用标准乘积检测器和拍频振荡器来解调单边带信号，这与单边带无线电信号中使用的非常相似，但频率不同。

AN/BQC-1格特鲁德一直服役到第二次世界大战结束并进入冷战时代。1945年，更强大的AN/WQC-2部队投入使用，到目前为止，几乎每一艘美国海军舰艇上都保留着某种版本的技术。现代水下电话仍然使用单边带调制方案，仍然支持海军为最初的Gertrude建立的频率，即使在其间的几十年里，它背后的电子设备发生了巨大的变化。

尽管水声电话很有用，但其功能有限。有声电话的范围是有限的；AN/BQC-1最好用于500码(365米)以内的语音通信，尽管其24.26 kHz的ping信号可以延伸到这个距离的10倍。声波和无线电波一样，都会受到传播变幻莫测的影响，固体表面的反射和不同水温或盐度层的绕射会导致多径干扰，甚至完全失去信号。

随着核动力船只的出现，潜艇在冷战时期也扮演着截然不同的角色。这些船可以在海上航行数月，成为弹道导弹的完美平台，需要与指挥当局保持联系，达到二战潜艇船长从未想过的程度。但无线电波一般不会穿透海水，这就带来了潜艇必须定期浮出水面检查新订单的问题，并失去了它的一个战术优势：隐形。

为了使潜艇安全地保持在水面以下，海军司令部开始探索无线电频谱的最低端。由于电离层折射，高频(HF：3 MHz至30 MHz)和低频(LF：30 kHz至300 kHz)频段完全能够覆盖全球，但海水的高电导率会迅速衰减这些频段的信号。

将频谱调低一点，极低频率(VLF：3 kHz到30 kHz)开始表现出对海水的良好穿透，向下可能有20米深。这还不够深，不足以确保大多数潜艇的隐形，当它们巡航时，需要展开一条长长的天线线来跟踪它们，因为它们在太靠近水面的地方巡航，感觉不舒服。VLF通信还受到带宽限制，使得语音通信不切实际。因此，VLF通信被限制在300bps左右的比特率。另一个缺点是，甚低频需要巨大的天线阵和高功率发射机，使得双向通信变得不可能。

再往下看，极低频率(ELF：3赫兹到30赫兹)的信号能够穿透120米深的海水，这一深度足以让任何潜艇保持隐身。美国海军于1968年开始对ELF乐队进行“乐观计划”调查。波长从10,000到100,000公里的ELF发射机需要巨大的天线；事实上，在威斯康星州建立ELF站的最初提议将把天线电缆埋在该州40%的陆地面积之下。这些电缆在传输时将提供800兆瓦的电力。

乐观主义项目从未建成，被反战积极分子和预算鹰派一样击败。海军提出的一系列缩小的ELF项目也没有建成，直到1989年ELF项目终于上线。有两个发射器，一个在威斯康星州，一个在密歇根州上半岛。天线馈线长14至28英里(22至44公里)，串在木杆上，就像公用事业线路一样，并连接到深入基岩的巨大接地杆上。当通电时，电流在接地棒之间流动，流经花岗岩基岩，产生一个巨大的磁场，产生ELF波。它基本上是一个由岩石制成的巨型环形天线。

完成的系统能够以76兆赫的频率向距离佛罗里达海岸400英尺(122米)的水下潜水器发送编码信息。不幸的是，信号的带宽如此之低，以至于需要15分钟才能发送一个三个字符的代码组。ELF计划只能起到“敲钟”信号的作用，通知潜艇浮出水面，并使用其他方式接收完整的信息。该系统在2004年被关闭，因为VLF技术已经足够先进，潜艇可以不用担心被发现就可以使用它。

有限的带宽海底通信当然有自己的位置，但如果新的研究取得了回报，能够以高比特率安全地在水下通信是可能的。在最近的一篇论文中，阿卜杜拉国王科技大学的Basem Shihada等人演示了一种他们称之为“Aqua-Fi”的系统，该系统将互联网扩展到水下领域。他们主要使用现成的组件，包括树莓PI 3b，能够建立一个覆盖范围达20米的符合ieee 802.11标准的无线网络。LED和激光器都被用作发射器，激光器提供了更大的射程，但以方向性为代价。在使用防水智能手机和蓝绿激光的测试中，他们能够达到2.11-Mbps，并通过Aqua-Fi链路进行Skype通话。

Aqua-Fi作为潜艇的网络不太可能有太大的前景，但这样的系统可以支持的活动远不止海底战争。海底研究可能受益于让互联网在水面以下可用；人们可以想象一个太阳能浮标，在水面上方有卫星连接，并有一系列Aqua-Fi接入点延伸到海底深处。潜水员、遥控飞行器或自动无人机可以利用全天候连接到互联网的优势，导致海洋生物学、地质学、环境保护甚至只是运动潜水等娱乐活动的进步。我们可以把它拿下来！