第一道橋梁,漂浮在海面上的水聲-無線電浮標(biāo)。
在其水下部分懸掛著接收水聽器或水聽器陣,在其空中部分有無線電發(fā)射機(jī),兩者之間是信號處理電路。
任何具有這種功能的水面平臺都可作為橋梁,將水聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電信號后送出水面,進(jìn)入大氣空間。
還有一種微型的彈出式浮標(biāo),可以被布放在海底自主觀測站上。
當(dāng)需要發(fā)送信息時,彈出式浮標(biāo)被釋放并通過其浮力運(yùn)送到水面,向空中傳輸無線電信號。
第二道橋梁,甚低頻電磁波(VLF, 3~30 kHz)。
甚低頻電磁波非常適合于跨越水空界面的信號傳輸。
特別是當(dāng)輻射源處于水面以下幾米或幾十米時,所發(fā)射的電磁波信號(包括從水聲信號轉(zhuǎn)換而來的電磁波信號)可直接穿透水空界面在空氣中產(chǎn)生水平傳播的側(cè)面波,沿界面?zhèn)鞑サ街械染嚯x的目的地或中繼節(jié)點(diǎn)。
這種技術(shù)途徑的明顯優(yōu)點(diǎn)是:
不需要海面浮體或類似平臺,所以特別適合于自主水下航行器或其他水下移動平臺使用;
同時可以避免水聲通信的干擾和海面平臺的碰撞。
在近岸地區(qū),還有可能利用海水-海底-陸地傳播路徑,將信號直接送往陸地。
其他頻段的電磁波,如甚高頻和極低頻電磁波都有其特殊的用武之地。
甚高頻電磁波適合作為短距離高數(shù)據(jù)率的載波信號,穿透水空界面?zhèn)鞑サ娇罩小?/p>
極低頻電磁波適用于從規(guī)模龐大的陸基天線,將指令控制信息傳播到數(shù)千公里外的海面上方,并從那里穿透海水后到達(dá)接收機(jī)。
極低頻的顯著優(yōu)點(diǎn)是,電磁波的傳播路徑絕大部分在空氣中,其傳播速度接近光速,只有傳播路徑的最后部分,即從海面向下到接收機(jī)的幾百米,涉及在海水中的低速傳播。
電磁波在導(dǎo)電海水中的傳播速度隨頻率的降低而減小。
當(dāng)頻率降低到10 Hz時,傳播速度僅為5000 m?s-1。
即便如此,從陸地到數(shù)千公里外的水下指令傳輸也只需十分之一秒的時間。
與具有幾千秒時間延遲的水聲傳輸相比,這樣的時間延遲在實(shí)際應(yīng)用中是非常重要的。
第三道橋梁,即海洋移動平臺。
它可以在全水深中游弋,收集任何水聲探測裝置上獲得的數(shù)據(jù),在航行到水面后將數(shù)據(jù)傳送給無線電接收機(jī)。
誠然會有航行帶來的時延,但是可以借助批處理方法,以近距離高速率方式收集數(shù)據(jù),一旦天線露出水面就在短時間內(nèi)把大量數(shù)據(jù)發(fā)送到電波信道中。
實(shí)際上,激光通信技術(shù)也有類似應(yīng)用,不過獲取數(shù)據(jù)時的對準(zhǔn)問題要得到適當(dāng)?shù)慕鉀Q。
顯然,自主水下航行器、無人水下航行器、遙控?zé)o人潛水器甚至有人潛水器都可以具備這種功能。
第四道橋梁是一種新發(fā)現(xiàn)的方法,對水下聲音產(chǎn)生的海表面條紋進(jìn)行微波探測。
當(dāng)水聲信號入射到海面時,會產(chǎn)生一定的紋理,混合于海面波浪的擾動之中。
最近MIT的一個團(tuán)隊(duì)報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室測試的結(jié)果,用微波方法獲得令人鼓舞的結(jié)果。
2009年,也有學(xué)者在MIT該項(xiàng)工作之前在水箱實(shí)驗(yàn)中獲得了成功。
這種方法是單方向的,僅用于接收。
不過,有研究者利用聲波調(diào)制的激光束或者微波束照射海水,在水下產(chǎn)生聲波信號。
其原理就是使水面下方的水體受到高強(qiáng)度激光或者微波的照射,受熱并爆炸性膨脹,汽化后產(chǎn)生聲脈沖,進(jìn)而產(chǎn)生具有垂直方向的聲波波束。
然而,此種方式下信號波形的控制仍是有待解決的問題。
還有一種單向的跨界面?zhèn)鬏敺椒?,就是用聲波近似垂直地直接照射海面,它可以沿著照射點(diǎn)周圍的“透聲窗口”進(jìn)入水中。
如果聲波頻率較低,則有可能傳播到水下很遠(yuǎn)的地方。
多年前報(bào)道過一艘潛艇在深海區(qū)檢測到數(shù)百公里之外的飛機(jī)輻射噪聲信號。
不幸的是,反過來在空氣中直接檢測水下聲信號卻不可行,除非聲源的深度遠(yuǎn)小于波長。
有人做了理論證明,在此條件下水下聲波可以直接穿透界面進(jìn)入空中,就像聲源上方的薄水層(與波長相比)不存在一樣。