海洋對(duì)水下電磁通信的影響研究

楊立健

[摘 要]海洋環(huán)境水下電磁傳播是艦船及其他武器裝備之間進(jìn)行通信指揮和水下探潛的重要渠道。本研究工作通過(guò)建立水下垂直梯度的電磁環(huán)境模型和電磁波傳播模型的方法，進(jìn)行如下三個(gè)方面的研究：海水電磁波傳播模型，海底電磁散射和海水電磁波傳播干擾因素模型。

[關(guān)鍵詞]水下電磁通信 海洋環(huán)境 影響研究

中圖分類(lèi)號(hào)：F426.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）07-0296-01

1.概述

水下電磁波傳播的研究對(duì)于水下通信指揮系統(tǒng)的建立至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)40多年的研究發(fā)展，海洋電磁波傳播的研究已經(jīng)比較成熟，西方國(guó)家利用水下特殊的電磁環(huán)境進(jìn)行相關(guān)武器的研發(fā)也很有成效[1]。

本研究工作通過(guò)建立水下垂直梯度的電磁環(huán)境模型和電磁波傳播模型的方法，進(jìn)行如下三個(gè)方面的研究：

a. 海水電磁波傳播模型：研究海水流動(dòng)海水電磁性能參數(shù)的不同對(duì)電磁波傳播的影響。

b. 海底電磁散射背景庫(kù)：研究海底地理地貌對(duì)電磁波的反射、散射規(guī)律，并開(kāi)展建立海底地貌雷達(dá)電磁散射庫(kù)的研究，用以完整描述海底地貌的電磁散射特征。

c. 海水電磁波傳播干擾因素模型：研究海上作戰(zhàn)平臺(tái)（艦艇、潛艇）旋轉(zhuǎn)葉片對(duì)電磁波傳播產(chǎn)生的頻率調(diào)制效應(yīng)對(duì)水下電磁信號(hào)傳播的影響。

對(duì)于理論研究的驗(yàn)證，目前國(guó)外主要采用仿真計(jì)算和典型環(huán)境的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。國(guó)外在水下電磁環(huán)境的仿真計(jì)算方面非常先進(jìn)，在大型計(jì)算機(jī)上，使用專(zhuān)門(mén)研發(fā)的求解器，可以直接對(duì)具體的水下電磁環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)理論研究的成果進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)[2]。

2.研究?jī)?nèi)容

2.1 海水電磁波傳播模型

海水電磁傳播模型描述了真實(shí)海水中電磁波傳播的規(guī)律。通過(guò)對(duì)典型海水模型的大量仿真計(jì)算，分析并總結(jié)海水電磁傳播模型。根據(jù)文獻(xiàn)公布的實(shí)際數(shù)據(jù)，可以對(duì)此傳播模型進(jìn)行驗(yàn)證。

海水具有較高的介電常數(shù)，并且海水具備一定的導(dǎo)電性能，這些特點(diǎn)使得電磁波在海水中傳播時(shí)有很大的損耗。為了降低損耗，海水中的電磁通信一般使用較低的頻率，比如1MHz以下的頻率。

然而從海水表面到海水深處的電磁波傳播不僅要考慮到海水本身的電磁特性，還要考慮海水電磁特性的變化，即不同深度的海水具備不同的電磁參數(shù)，即不同的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)證明，海水總電導(dǎo)率σ？為離子電導(dǎo)率和偶極電導(dǎo)率之和[3]。通常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算海水的離子電導(dǎo)率，它表示為鹽度和溫度的函數(shù)。海水的偶極電導(dǎo)率與頻率有關(guān)。當(dāng)頻率低于 109Hz、溫度為17°C時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)海水的電導(dǎo)率為4.54～4.81西/米，是銅的10-7倍，玻璃的1012倍，而比一般湖水或河水大千倍以上。海水的介電常數(shù)與鹽度、頻率和溫度的關(guān)系，還只有半經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)頻率小于109Hz、溫度為 17°C時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)海水的相對(duì)介電常數(shù)約為81.5。

這里的研究將海水分成若干層，計(jì)算電磁場(chǎng)在海水中傳播受到不同層海水的影響。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的仿真研究，下面將1000米深的海水按照單層、兩層和四層進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)海水電磁參數(shù)在深度上的變化對(duì)于電磁波在海水中的傳播影響非常大。

此仿真假設(shè)在海面有一個(gè)發(fā)射天線，主波束垂直向海洋深處傳播。海水的電磁參數(shù)隨著深度的增加在不斷發(fā)生改變。

如下圖是海水按照單一層計(jì)算后得到的電場(chǎng)分布，即1000米深的海水具備相同的電磁參數(shù)（介電常數(shù)為81，電導(dǎo)率為4）：

如下圖是將海水分為兩層之后的計(jì)算結(jié)果，最上層海水介電常數(shù)為81和電導(dǎo)率為4，下層海水介電常數(shù)為89，電導(dǎo)率為6.8：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，海水在深度方向電磁參數(shù)的變化對(duì)電磁波在海水中的傳播有很大的影響，我們?cè)谘芯亢Ｋ须姶磐ㄐ判盘?hào)的傳播的時(shí)候，必須要考慮到海水在深度方向上電磁性能的變化。

2.2 海底電磁散射背景庫(kù)

海底電磁散射背景庫(kù)主要描述了各種海底場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)景的調(diào)用，可以得到電磁波傳播受到的不同影響。海底有若干種典型地理環(huán)境，根據(jù)仿真計(jì)算建立起來(lái)的此海底電磁散射背景庫(kù)應(yīng)可以很好的反映出各種典型環(huán)境。

如果海洋較深，潛艇或者探測(cè)器無(wú)法下潛到這樣的深度，或者電磁信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)竭@樣的深度，就不需要考慮海底地形對(duì)電磁傳播的影響了。但是如果海洋底部深度不深，通信信號(hào)足夠作用到這樣的深度，則需要考慮海底地形對(duì)電磁信號(hào)的影響。

這種影響主要是海底不同的幾何外形對(duì)電磁波造成的不同的反射。經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以觀察不同海底地形對(duì)電磁傳播的影響。如下圖是平坦的海底地形附近的電磁波場(chǎng)分布：

如下圖是波浪形海底對(duì)電磁波傳播的影響：

如下圖是斷崖式地形對(duì)電磁傳播的影響：

由以上仿真計(jì)算結(jié)果可以看出不同的地形對(duì)電磁傳播在海洋中的傳輸有很大的影響。大致歸結(jié)為平坦式海底（海底平原）、波浪形海底（海底丘陵）、斷崖式海底（大陸架邊緣）、這幾種典型地形。

3.結(jié)論

本文使用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)海洋中電磁傳播中的三個(gè)方面進(jìn)行了仿真研究。發(fā)現(xiàn)海水的分層模型、海底地形以及大型人工目標(biāo)對(duì)電磁波的傳播有著非常深刻的影響。要掌握海水中的電磁通信規(guī)律，就必須整理這些條件對(duì)電磁波傳播的影響規(guī)律，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，才能得到更好的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 何繼善，鮑力知，海洋電磁法研究的現(xiàn)狀和進(jìn)展，《地球物理學(xué)進(jìn)展》， 1999， 第1期：7-39.

[2] 王堃鵬，基于MPI的海洋可控源電磁法自適應(yīng)有限元2.5D正演研究，《成都理工大學(xué)》，2014.

[3] 余艷平，海底大地電磁數(shù)據(jù)處理方法研究，《成都理工大學(xué)》，2012.