厦门大学罗正钱教授、王晓忠副教授：声光水空接力、海豚哨声掩护的跨介质隐蔽通信 | 中国激光·封面

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封面展示了基于激光散斑微振动探测的跨水-空介质隐蔽通信方案。水下装置以人工合成的仿海豚哨声为信号载体，基于频移键控调制，发射出与真实海豚哨声相似度超过99%的声波。声波在水中低损耗传输，到达水-空界面时形成声表面波。空中探测装置发射的激光到达水面时被声表面波调制，部分光散射到空中形成激光散斑。该散斑信号被空中探测装置接收，解调出水下装置发出的原始信号。仿海豚哨声信号与真实海豚哨声的高度相似性，确保了通信的隐蔽性。

全文链接：杨子彧, 胡清越, 邓黎泽, 曾思科, 王晓忠, 付宏燕, 罗正钱. 基于激光散斑微振动探测的跨介质隐蔽通信[J]. 中国激光, 2026, 53(18): 1810001.

01

研究背景

构建高效、可靠的跨水-空介质通信网络，实现水下环境监测、资源勘探、国防安全及灾害预警等应用，是当前海洋技术研究的核心目标之一。隐蔽水声通信是实现水下信息隐蔽传输的核心手段，其通过在声信号中嵌入隐秘信息，并利用水声信道进行传输，旨在对抗第三方侦测和干扰。

然而，现有绝大多数水声通信，包括隐蔽水声通信研究均局限于水下水声接收，即信号始终在水下链路中传递。由于电磁波（如无线电、微波）在水体中衰减极为严重，而声波虽能在水下远距离传播却无法有效穿透水-空界面，在空中探查水下设备、海洋生物活动等方面，最终仍需通过易于暴露的浮标或潜航器将信息传递至空中，未能从根本上解决跨介质隐蔽通信上行问题。

如何实现水下节点与空中平台之间直接的、高效的通信，成为了长期制约水下信息体系发展的关键瓶颈问题。

02

创新工作

厦门大学罗正钱教授、王晓忠副教授团队提出了基于激光散斑成像微振动探测与仿生频移键控调制相结合的“声发光收”通信方案，实现水声信号的水下发射、空中光学接收的完全隐蔽链路，使接收端无需任何水下装置，可部署于飞机、无人机等空中机动平台，极大提升了通信系统的隐蔽性和灵活性。

整个跨介质隐蔽通信的信号调制解调过程如图1所示：二进制信号通过频移键控的方式调制海豚哨声信号，然后通过换能器发送。水下声波传输至水面，调制激光产生散斑，经空气中的成像器件记录后，获取振动信号。该信号与合成的哨声信号相干解调，得到最终的解调信号。

图1 信号调制解调流程图

实验中发现调制频差Δf 和码元宽度Δt 对隐蔽通信的误码率有较大影响。当频差小于100 Hz时，合成信号在时频特性曲线上与未经调制的合成信号差异不大，频差为200 Hz和400 Hz时，能较明显看出合成信号时频曲线出现截断现象。在调制频差Δf 一定时，Δt 为0.1 s和0.05 s时的误码率差距不大，且在Δf 取值为200 Hz和400 Hz时可达到无误码的结果，但缩短至0.02 s时，误码率明显增大（图2）。

图2 Δt 为0.05 s时发射信号时频图。(a) 码元宽度为0.05 s时的不同频率差信号；(b) 频差200 Hz的发射信号；(c) 频差400 Hz的发射信号

为了衡量重建信号时频特性的复原程度，本文分别计算了参考信号和重建信号与典型合成哨声信号的对数谱距离(LSD)。5次实验平均结果表明，参考信号的对数谱距离为1.647±0.006 dB，重建信号的对数谱距离为1.717±0.008 dB，跨介质复原信号与水下参考信号的对数谱距离相差0.05 dB（图3）。

图3 典型哨声信号。(a) 频差100Hz，码元宽度为0.05s时的合成哨声信号；(b) 水听器探测到的信号；(c) 激光散斑探测系统的重建信号

采用TFCC和MFCC评估合成信号与真实海豚哨声的相似度，结果表明，即使在400 Hz的频差下，二者的相似度依然超过了0.99，确保了通信的隐蔽性。

03

工作展望

论文实验数据是在实验室环境下测得，实际海洋环境更为复杂，存在各种噪声和干扰。未来的研究需要探索更加鲁棒的信号处理算法，开展实际海洋环境的验证实验，优化探测系统性能，以提高系统在复杂环境下的适应性。

厦门大学电子科学与技术学院罗正钱教授团队，十余年来从原理和系统层面深入研究了基于激光散斑成像的微振动探测技术，在探测体制、信号提取方法、探测目标特性、光学系统设计、振动信号重建方法等方面研究的基础上，提出了基于激光散斑微振动探测的跨水空介质隐蔽通信方案，并对影响系统性能的主要因素进行了理论分析和实验研究。在Nature Photonics、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research 等光电子领域期刊发表学术论文150余篇，10篇ESI高被引论文，论文总引用5300余次，单篇最高被引500余次，引用大于100次的论文10篇。主持国家级/省部级等各类项目30余项，研究成果以第一完成人获福建省自然科学奖二等奖。

罗正钱，厦门大学教授、博导、电子工程系主任，国家优秀青年科学基金获得者，福建省特支计划青年拔尖人才、福建省杰青。

王晓忠，厦门大学电子科学与技术学院副教授，主要从事光学微振动探测方面的研究。

科学编辑 | 厦门大学 王晓忠

编辑 | 沈灵灵

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《中国激光》是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等收录。中国科学院期刊分区表2区（2025）。《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。17次被评为“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次入选“中国精品科技期刊”、2次荣获“百强报刊”称号，并多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等荣誉。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划项目——领军期刊。