甚低頻與超低頻通信入水深度比較分析?

左 衛(wèi) 闞榮才 任席闖

（1.海軍駐成都地區(qū)通信代表室 成都 434007）（2.海軍大連艦艇學(xué)院92896部隊(duì) 大連 116018）（3.91469部隊(duì) 北京 100841）

1 引言

由于海水對(duì)電磁波的衰減特性，目前甚低頻和超低頻是對(duì)水下潛艇通信的具有獨(dú)特重要的地位。甚低頻電磁波在海水中的衰減比較小，能夠穿透10多米的海水層與潛艇通信［1～2］；隨著潛艇作用的提高，反潛技術(shù)和兵力也大幅提高和擴(kuò)大，潛艇在小深度上被發(fā)現(xiàn)的概率大大增高。為了提高潛艇的隱蔽性和生存力，能夠提供更大通信深度的通信手段——超低頻（30Hz～300Hz頻帶稱為超低頻）通信得以應(yīng)用，本文介紹甚低頻通信和超低頻通信的發(fā)展過(guò)程和技術(shù)特點(diǎn)，以及提出改善對(duì)潛通信保障能力的建議。

2 電磁波入水傳播理論分析

在海面上，甚低頻電磁波是在地面和電離層之間傳播的，可以用波導(dǎo)傳播理論進(jìn)行分析和計(jì)算。按波導(dǎo)傳播理論，電磁波在波導(dǎo)中以各種模式傳播。甚低頻電磁波在地—電離層形成的波導(dǎo)中以1階模、2階模、3階模等總多模式傳播。但高階模衰減大，所以在遠(yuǎn)距離上主要的傳播模式是1階模。甚低頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算可以用下面的近似公式大致計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)［3～5］，以提供大功率發(fā)信臺(tái)在遠(yuǎn)距離上產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值的大致概念。

式（1）中Ez為海面上的垂直電場(chǎng)強(qiáng)度；P為輻射功率，單位kW；f為工作頻率，單位為kHz；d為距離，單位為km；a＝6370km，地球半徑。

通信的好壞不僅決定于接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，還決定于該點(diǎn)的噪聲。甚低頻的大氣噪聲源是雷電。地球上各個(gè)地區(qū)的雷電活動(dòng)不同，噪聲也高低不同。我國(guó)南海海域噪聲比較高。各個(gè)地區(qū)一年四季的噪聲電平也不同。已經(jīng)對(duì)大氣噪聲進(jìn)行了廣泛的研究測(cè)量，有關(guān)數(shù)據(jù)可以從文獻(xiàn)［1，5］查出。在表1內(nèi)列出太平洋中部幾個(gè)頻率的大氣噪聲垂直電場(chǎng)中值的大致數(shù)據(jù)（假定收信機(jī)的帶寬等于100Hz）。所謂中值，是指噪聲電平在50%時(shí)間內(nèi)不會(huì)超過(guò)此數(shù)值。

海面上垂直電場(chǎng)與水平電場(chǎng)之間存在的關(guān)系［7～8］如式（2）：

式（2）中σ為海水的電導(dǎo)率。取σ＝4算出的水平電場(chǎng)幅度列在表1的第四行。

根據(jù)電磁場(chǎng)的邊界條件，水平電、磁場(chǎng)從海面上側(cè)過(guò)度到海面下側(cè)數(shù)值不變，而垂直電場(chǎng)則減?。丁1為海水的波數(shù)，k0為海面上空間的波數(shù)，｜為海水的電導(dǎo)率。由此可見(jiàn)，垂直電場(chǎng)從海面上側(cè)過(guò)度到下側(cè)時(shí)衰減非常大；因此在海水中垂直電場(chǎng)比水平電場(chǎng)小得多，可以忽略。

超低頻以下頻率的電磁波基本上是垂直地從海面往下傳播的，

E0ρ為海面上的水平電場(chǎng)，z（m）為海面下的垂直距離，E1ρ（z）為海面下z處的水平電場(chǎng)，k1為海水的波數(shù)

式（4）中α稱為相位系數(shù)，單位為rad／m；β稱為衰減率，單位為 N／m。它們的表達(dá)式［7～8］為

水平磁場(chǎng)的公式相同。如果衰減率β的單位改為dB／m，因?yàn)?（N／m）＝8.6858（dB／m），所以

在z（m）深處的水平電場(chǎng)絕對(duì)值則為

3 甚低頻與超低頻入水深度的比較

3.1 甚低頻分析

海水對(duì)電磁波的衰減是隨其頻率的降低而降低的，而且是隨深度的增加按指數(shù)規(guī)律降低的。電磁波在海水中的衰減率為［9～10］

式（7）中f為電磁波頻率，Hz；σ為海水的電導(dǎo)率，一般等于4s／m；μ0為海水的導(dǎo)磁系數(shù)，一般取μ0＝4π×10－7H／m。按式（3）計(jì)算的三個(gè)頻率的衰減率，列在表1的第五行。

電磁波從海面上往海水中傳播基本上是垂直的。從海面?zhèn)鬏斨辽疃萮處，電磁波水平分量（Ex或Hy）幅度衰減的倍數(shù)為［11］

幾個(gè)不同頻率甚低頻傳播至水下不同深度處的衰減量（dB）和衰減倍數(shù)如表1所示。

表1 甚低頻海水中的衰減典型數(shù)據(jù)

3.2 超低頻極低頻分析

地面上超低頻電磁波的傳播機(jī)理與甚低頻的相同，也是在地－電離層波導(dǎo)內(nèi)傳播的。但超低頻的主要傳播模式是0階模式，而甚低頻的主要傳播模式是1階模式，而且2階模式和3階模式也起一定作用。超低頻在地－電離層波導(dǎo)內(nèi)的衰減率比甚低頻的略低一些。海水對(duì)電磁波的衰減是隨其頻率的降低而減小的（大致1010Hz以下頻率都是如此）。

超低頻頻段68Hz、88Hz、132Hz以及更低頻率10Hz、17Hz、23Hz六個(gè)頻率電磁波在海水中的衰減率的計(jì)算結(jié)果，以及這些電磁波穿透100m和200m海水的衰減量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2的數(shù)據(jù)清楚地表明，超低頻頻段的三個(gè)頻率穿過(guò)100m海水層受到的衰減為26～96倍，不算很大，但穿過(guò)200m海水層受到的衰減為701～9247倍，相當(dāng)可觀；然而，極低頻頻段三個(gè)頻率穿過(guò)200m海水層受到的衰減比超低頻三個(gè)頻率穿過(guò)100m海水層受到的衰減小得多。

表2 海水對(duì)超低頻電磁波的衰減

因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)潛通信從100m左右深度增加至200m左右深度，工作頻率必須從超低頻降至極低頻。

4 結(jié)語(yǔ)

深潛潛艇的通信是一個(gè)極難解決的問(wèn)題。岸基與水下潛艇（接收天線也在海面下）間的通信，目前只能用甚低頻和超低頻實(shí)現(xiàn)岸對(duì)潛艇的單向通信。甚低頻通信與超低頻通信比較，前者的優(yōu)點(diǎn)是速度較高，但深度很淺；而后者是深度較深，但速度過(guò)慢?，F(xiàn)有的超低頻通信系統(tǒng)，如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大深度通信，則通信速度過(guò)慢。提高通信速度有兩條途徑。第一是增加天線的長(zhǎng)度和增大發(fā)信機(jī)功率（增大天線的電流矩或輻射功率）；第二是研究探討新的調(diào)制方式。對(duì)于200m左右深度通信，極低頻優(yōu)于超低頻。如果要實(shí)現(xiàn)更大深度的通信，譬如200m左右的通信，則以采用更低頻率為好。

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