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聲音的力量：水下聲波傳輸是如何克服挑戰的？
水下聲學通信是一種在水中發送和接收信息的技術。儘管有多種實現方式，但最常見的手段是使用水聽器。水下通信面臨眾多挑戰，例如多徑傳播、信道的時間變化、可用帶寬小和信號衰減特強，尤其是在長距離傳輸時。與地面通信相比，水下通信的數據傳輸速率偏低，因為它使用的是聲波而非電磁波。
20世紀初，一些船隻開始使用水下鈴進行通信，並利用該系統進行導航。當時，潛艇信號與原始的海洋無線導航系統相互競爭。而後來的Fessenden振盪器使潛艇通信成為可能。
水下聲學通信的調變類型
一般來說，為無線通信開發的調變方法可以適應水下聲學通信（UAC）。然而，有些調變方案更加適合水下聲學通信通道的獨特特性。以下是幾種UAC所使用的調變方法：
頻移鍵控（FSK）、相位移鍵控（PSK）、頻跳擴頻（FHSS）、直序擴頻（DSSS）、頻率和脈衝位置調變（FPPM和PPM）、多頻移鍵控（MFSK）、正交頻分複用（OFDM）、持續相位調變（CPM）
頻移鍵控
FSK是水下調變解調器中最早使用的調變形式。它通常利用兩個不同的頻率來調變數據，將頻率F1指定為比特0，而頻率F2則用於比特1。水下環境中的多徑效應是FSK面臨的最大挑戰，尤其在水下情境中，接收水聽器可能同時接收到多個強反射，這對於門檻檢測器來說是個挑戰，限制了其在垂直通道中的使用。雖然有使用自適應均衡方法來嘗試解決該問題，但由於環境條件快速變化，加上自適應調整的困難，成功有限。
相位移鍵控
相位移鍵控（PSK）是一種數字調變方案，通過改變参考信號的相位來傳輸數據。這種方法廣泛應用於無線會網、RFID和藍牙通信中。
正交頻分複用
正交頻分複用（OFDM）是一種數字多載體調變方案，在多個並行數據通道上傳輸數據，並利用密切間隔的正交子載波信號。OFDM在水下聲學通信中受到青睞，因為它能抵抗長延遲擴展的頻率選擇性信道。
持續相位調變
持續相位調變（CPM）是一種調變技術，其特點是連續的相位變化，避免相鄰符號之間的突然變化。這種平滑的相位軌跡減少了頻譜側瓣，使CPM在水下傳輸時能有效利用有限的帶寬。
向量傳感器的使用
相較於測量標量聲場的傳感器（如水聽器），向量傳感器能夠測量聲學粒子速度等向量場組件。向量傳感器可分為慣性和梯度傳感器。過去幾十年中，許多向量傳感器信號處理算法得到了廣泛的研究，並在聲納和目標檢測中得到了應用。
應用
水下電話
水下電話，也稱為UQC、AN/WQC-2或Gertrude，於1945年由美國海軍使用。這種設備讓潛艇與水面艦艇之間實現了語音或音頻音調（摩爾斯電碼）的雙向通信。
JANUS
2017年4月，北約海洋研究與實驗中心宣佈批准JANUS協議，該標準化協議用於通過聲學聲音傳送數字信息。該系統可支持軍用和民用設備之間的通信。
水下消息傳送
商業硬體產品設計為支持潛水員之間的雙向水下消息傳送。研究人員也探索了在防水套中使用智能手機進行水下通信的方法，並發展出應用程序以無需額外硬體的方式進行交流。來自華盛頓大學的Android應用程式AquaApp，可以利用智能手機的麥克風和揚聲器實現水下通信，經過測試可在潛水員之間進行數字消息的傳送。
結論
隨著科技的進步，水下聲音通信不僅提高了軍事應用的效率，也在民間的潛水活動中展現了其重要性和潛力。未來，隨著技術的持續演進，水下通信是否能徹底改變我們對水下世界的理解與探索呢？
