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你爱你个个人
Hello
大家好
欢迎收听我们的播客
今天我们要聊的呢
是一个大家可能会觉得比较神秘的话题啊
就是为什么潜艇在水下的时候不能像在陆地上一样随便使用无线电
其实这个呢
跟海水的导电性有很大的关系
就是海水的导电性太强了
所以呢
常规的这种电磁波在海水中衰减的非常快
所以潜艇在水下的时候要使用一些低频的电磁波或者是其他的一些方式来进行通信
对
这个确实是一个挺让人好奇的问题
那我们就直接开始吧
我们先来聊第一大块啊
就是这个物理限制
就是海水对电磁波的影响
那第一个问题
我们就先来聊一下海水的这个高电导率到底是怎么影响无线电波的
就海水其实就像影响无线的波嘛
它里面有很多带电的离子
所以它的电导率是很高的
然后这个无线电波进到海水里面之后就会
对不对
遇到很多这种自由电子
它就会把它的能量不断的消耗掉
变成热能
所以它就会很快的就衰减掉了
哦
原来是这样
怪不得就是说在水里面这个信号这么难传
对
而且这个衰减的速度呢
还跟频频和温度率率都有关系
就是频率高高衰减减越越快后盐度越高或者说温度越高
它的电导率就越大
那它的这个信号也会消失的更快
就高频的无线电波可能几米就没了
那低频的还可以传的远一些
是哦
那海水的这个借电常数又会给这个无线电波的传播带来哪些麻烦呢
就海水的这个借电常数呢
它也是比空气要高很多的
然后它也会随着频率变化而变化
那这个就会导致这个无线电波在海水中的速度会变慢啊
波长短了很多
那它的能量就更容易被束缚在很小的一个区域里面
就传不远
哦
这又是一个让信号变弱的一个原因啊
对
然后就是高频的这种微波啊
它就会被水分子强烈的吸收和散射
那你可能
嗯
千兆赫兹级别的这种信号
它可能就是几厘米就没有了
那只有那种频率很低很低的才可以勉强的传的远一些
除了这种能量的损耗之外
还有什么会让这个水下的这个无线电信号变得乱七八糟的呢
嗯
海水中的这些浮游生物啊
悬浮的颗粒啊
甚至一些气泡啊
都会让这个电磁波往四面八方散射
然后包括这个海面和海底的多次反射啊
也会让同一个信号走不同的信号到你这个接收器这里
那这些多静的信号如果叠加起来的话
就会让你这个信号时强时弱
甚至会产生一些马尖干扰
就你数据传的就容易出错
那我们现在就来聊第二部分
就是这个低频通信啊
对
那我就想先问一下
就是这个极低频和甚低频这两种方式为什么会被潜艇优先选用
就是因为这个海水它对于高频的信号是很不友好的
那就是它的这个衰减特别快
嗯
但是对于这种频率很低很低的信号呢
它反而就比较容易穿透
那极低频的话
它可以穿透到水下上百米
那甚低频的话
它也可以在几十米的这个深度进行使用
所以这两个就成了潜艇进行隐蔽通信的首选
哦 原来如此
就是只有低频的才能保证这个信息可以传到深海
对
而且这些信号它是可以嗯
绕着地球在这个地表和电离层之间进行长距离的传播的啊
那就可以实现全球覆盖
或者说半球覆盖
就你只要有几个这种发射站
就可以让潜艇在远洋也可以收到信息
哎
那我想极低频和甚低频这两个方式分别都有哪些优势和劣势呢
极低频的最大的优势就是它的穿透力特别强
嗯
它可以让潜艇在很深的深度都可以收到这个信息
嗯
那它的缺点就是它的这个数据传输的速度极慢啊
慢到什么程度
就是可能新
嗯
几分钟才能传几个比特
然后它的这个发射设备也特别庞大
是一个非常非常耗电的一个东西
对
它的这个天线可能要几十公里长
几十公里长
对
所以它一般只用于战略级的这种单向的命令的传达
听起来就是挺适合那种需要极度保密的这种远距离的这种情况
对 没错
那渗低频呢
它的这个发射设备就会小一些
然后它的这个数据率会高一些啊
高到什么程度
就是可以达到几十波特啊
但它的这个缺点就是它的这个穿透深度有限啊
那潜艇必须要拖一个很长的天线或者用一个浮标
对
这个时候呢
它就会很容易暴露自己的位置
所以它一般是用于中远距离的这种战术通信
对它的这个抗干扰性和稳定性都非常好
哎
那就是说在实际应用当中
潜艇是怎么来选择到底是用极低频还是用渗低频的
如果说你是要在在深海里面保持绝对的隐蔽
然后你只是要接收总部给你的一些非常重要的命令
嗯
那这个时候极低频是最好的选择
对
那如果说你是要在比较浅的海域
或者说你是要跟其他的一些舰艇进行协同
那这个时候你就会用渗低频
因为你可以传的更快一些啊
你可以互相沟通战术
哎
那就是说这两种方式还可以配合起来用
对 没错没错
就是很多潜艇它都是这两种都装对
然后极低频就专门用来收一些预警啊
收一些核反击的命令啊这种非常重要的东西
那渗低频就用来进行一些正常的这个作战的协调啊之类的
那未来的趋势呢
可能还会加上一些比如像量子通信啊这种新的技术来进一步的提升它的这个安全性和传输的效率
然后咱们再来聊一聊这个水声通信
嗯
这个我也挺好奇的
就是说这个声波在水里面传递会遇到哪些比较棘手的问题
嗯
第一个就是声音在水中的传播速度其实只有每秒一千五百米左右啊
那这个速度呢
就会导致你这个信号比如说你要传个几十公里
那你的延迟就会非常的明显
而且如果说这个潜艇和这个接收方他们是在做相对运动的
那你这个声波还会发生多普勒平移
就会让你的信号变得更难以解调
听起来就是延迟和失真都很难避免
对 没错没错
然后呢
这个可用的带宽呢
它也是很有限的
你要传的远的话
你这个带宽就只有几千赫兹
再加上这个声波它会在海面和海底不断的反射
所以你会接收到很多个不同时间到达的这种信号
所以你就会有这种多茎衰落马尖干扰
再加上这个海水本身它的这个温度啊盐度导致的这种信道的时变性
所以这个水声通信就一直都是一个非常大的难题
那就是说现在既然有这么多的挑战
那现在有哪些比较有效的方法可以提升这个水声通信的性能呢
嗯
比如说像一些扩频啊
跳频啊这种方式啊
来让它变得更难被干扰
然后更隐蔽
也有一些新的这种信号处理的技术
比如说自适应均衡啊
多径分级啊
包括一些信道的编码等等的一些方式来对抗这个多图和这个衰落
也有一些新的这种mimo 的技术啊
Ofdm 的技术啊
让它这个带宽的效率和抗干扰的能力都有一个质的提升
看来就是说在算法和硬件上面都下了很多功夫
没错没错
是的是的
而且就是像这个西工大不是刚刚实现了这个六百多公里的这个无差错的传输嘛
就是靠的是这种自适应的信道的估计和这种迭代的纠错
然后同时还要去精准的控制这个声源的这个功率啊
和这个换能器的这个设计啊等等的一些方式
才能够真正的让这个水生通信变得又远又准
就是说这个水下的这个光通信啊
它有哪些比较突出的优点啊
然后又会遇到哪些比较头疼的限制
也是光通信它最大的好处就是它的这个带宽特别宽
然后它的这个速度也特别快
是可以达到这个
呃
几千比特每秒的这样的一个速度
而且它是一个激光嘛
它的这个波数很窄
所以它的这个保密性和抗干扰性也特别强
它的这个设备也可以做的很小很轻
听起来很理想
那是不是实际用起来没这么完美
对 没错没错
因为嗯
只有这个蓝绿光啊
能够在水中传播的比较远
然后一旦这个水稍微有一些浑浊
或者说有一些气泡啊
或者说有一些浮游生物啊
它就会被吸收或者说被散射掉啊
那你这个时候就通信的距离和稳定性就会大打折扣
而且你这个对准了也很难保持就是这个潜艇和这个飞机或者卫星之间
所以现在主要还是用在一些短距离的啊
这个非常高速的这个信息的传输
那现在的研究呢
也主要是在这个如何去用一些更好的编码啊
更好的一些呃光源啊
以及一些更智能的这种跟踪的方式啊
来提升它的这个实用性
好
到这儿我们其实已经把潜艇在水下通信遇到的这些挑战和目前能用的一些技术都给大家梳理了一遍
对
就是其实你会发现每一种方式都有它的短板
对
所以这个东西真的是一个长期困扰科学家和工程师的一个难题
对
今天的分享就到这里了
然后感谢大家的收听
咱们下期节目再见
拜拜