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声音的力量：水下声波传输是如何克服挑战的？
水下声学通信是一种在水中发送和接收信息的技术。尽管有多种实现方式，但最常见的手段是使用水听器。水下通信面临众多挑战，例如多径传播、信道的时间变化、可用带宽小和信号衰减特强，尤其是在长距离传输时。与地面通信相比，水下通信的数据传输速率偏低，因为它使用的是声波而非电磁波。
20世纪初，一些船只开始使用水下铃进行通信，并利用该系统进行导航。当时，潜艇信号与原始的海洋无线导航系统相互竞争。而后来的Fessenden振荡器使潜艇通信成为可能。
水下声学通信的调变类型
一般来说，为无线通信开发的调变方法可以适应水下声学通信（UAC）。然而，有些调变方案更加适合水下声学通信通道的独特特性。以下是几种UAC所使用的调变方法：
频移键控（FSK）、相位移键控（PSK）、频跳扩频（FHSS）、直序扩频（DSSS）、频率和脉冲位置调变（FPPM和PPM）、多频移键控（MFSK）、正交频分复用（OFDM）、持续相位调变（CPM）
频移键控
FSK是水下调变解调器中最早使用的调变形式。它通常利用两个不同的频率来调变数据，将频率F1指定为比特0，而频率F2则用于比特1。水下环境中的多径效应是FSK面临的最大挑战，尤其在水下情境中，接收水听器可能同时接收到多个强反射，这对于门槛检测器来说是个挑战，限制了其在垂直通道中的使用。虽然有使用自适应均衡方法来尝试解决该问题，但由于环境条件快速变化，加上自适应调整的困难，成功有限。
相位移键控
相位移键控（PSK）是一种数字调变方案，通过改变参考信号的相位来传输数据。这种方法广泛应用于无线会网、RFID和蓝牙通信中。
正交频分复用
正交频分复用（OFDM）是一种数字多载体调变方案，在多个并行数据通道上传输数据，并利用密切间隔的正交子载波信号。 OFDM在水下声学通信中受到青睐，因为它能抵抗长延迟扩展的频率选择性信道。
持续相位调变
持续相位调变（CPM）是一种调变技术，其特点是连续的相位变化，避免相邻符号之间的突然变化。这种平滑的相位轨迹减少了频谱侧瓣，使CPM在水下传输时能有效利用有限的带宽。
向量传感器的使用
相较于测量标量声场的传感器（如水听器），向量传感器能够测量声学粒子速度等向量场组件。向量传感器可分为惯性和梯度传感器。过去几十年中，许多向量传感器信号处理算法得到了广泛的研究，并在声纳和目标检测中得到了应用。
应用
水下电话
水下电话，也称为UQC、AN/WQC-2或Gertrude，于1945年由美国海军使用。这种设备让潜艇与水面舰艇之间实现了语音或音频音调（摩尔斯电码）的双向通信。
JANUS
2017年4月，北约海洋研究与实验中心宣布批准JANUS协议，该标准化协议用于通过声学声音传送数字信息。该系统可支持军用和民用设备之间的通信。
水下消息传送
商业硬体产品设计为支持潜水员之间的双向水下消息传送。研究人员也探索了在防水套中使用智能手机进行水下通信的方法，并发展出应用程序以无需额外硬体的方式进行交流。来自华盛顿大学的Android应用程式AquaApp，可以利用智能手机的麦克风和扬声器实现水下通信，经过测试可在潜水员之间进行数字消息的传送。
结论
随着科技的进步，水下声音通信不仅提高了军事应用的效率，也在民间的潜水活动中展现了其重要性和潜力。未来，随着技术的持续演进，水下通信是否能彻底改变我们对水下世界的理解与探索呢？
