设计水下电流场通信系统需注意的几个问题.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 0 年2 月 舰船科学技术 S H I PS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y V 0 1 3 2 ，N o 2 F e b ，2 0 1 0 设计水下电流场通信系统需注意的几个问题 汪丹丹，王永斌，陈斌 ( 海军_ T - 程大学电子工程学院，湖北武汉4 3 0 0 3 3 ) 摘要：介绍了水下电流场通信的原理，并根据电流场的特点提出了利用恒流场模型作为水下电流场通信的 模型，得到了输入输出之间的关系，分析了电流场通信方式的优势，探讨丫水下电流场通信系统设计中需注意的几个 问题，得到以下结论：通信频率最好选择在甚低频段；增大某一方向通信距离；收发两点电极的垂直平分线重合或电 极基线重合；采用窄带、能量利用率高的调制解讽方式以达到抗干扰的方法，为进一步研究水下电流场遁信系统提供 一定的参考。 关键词： 接收天线；电流场；恒流场；电偶极子 中图分类号：T P 2 7 4文献标识码： A 文章编号：1 6 7 2 7 6 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 5 6 0 3D O I ：1 0 3 4 0 4 j is s n 1 6 7 2 7 6 4 9 2 0 1 0 0 2 0 1 3 T h ea t t e n t iv ep r o b le m sind e s ig n in gu n d e r w a t e re le ct r iccu r r e n tco m m u n ica t io ns y s t e m W A N GD a n d a n ，W A N G Y o n g b in ，C H E NB in ( C o lle g eo fE le ct r o n icE n g in e e r in g ，N a v a lU n iv e r s it yo fE n g in e e r in g ，W u h a n4 3 0 0 3 3 ，C h in a ) A b s t r a ct ：T h isp a p e rin t r o d u ce st h ep r in cip iu m ino fu n d e r w a t e re le ct r ic cu r r e n tco m m u n ica t io n ，I nt e r m s o ft h ech a r a ct e ro fe le ct r ica lcu r r e n tf ie ld t h eco n s t a n tcu r r e n tf ie ldm o d e liSb r o u g h tf o r w a r df o rt h ee le ct r ica l cu r r e n tf ie ldco m m u n ica t in ，a n dt h er e la t io nb e t w e e nin p u ta n do u t p u tisg iv e n ，t h ea d v a n t a g e so fe le ct r iccu r r e n t co m m u n ica t io na lea n a ly z e d S e v e r a la t t e n t iv ep r o b le m sind e s ig n in gu n d e r w a t e re le ct r iccu r r e n tco m m u n ica t io n s y s t e r ma led is cu s s e d T h eco n clu s io n sin clu d et h eco m m u n ica t io nf r e q u e n cyh a db e t t e ro p tf o rV L F ；in cr e a s in g t h eco m m u n ica t io nd is t a n ceinace r t a ino r ie n t a t io n ；t h ev e r t ica lb is e ct o r so rb a s e lin e so ft h er e ce iv in ge le ct r o d e s a n dt r a n s m it in ge le ct r o d e ss h o u ld b es u p e r p o s it io n ；ino r d e rt oa ch ie v et h ea imo fa n t i- j a m m in g ，t h ew a yo f m o d u la t ea n d d e m o d u la t io ns h o u ldch o o s en a lr o w b a n da n dh ig h le v e l p o w e re f f icie n cy ，w h ichw ill b es t a t e d r e f e r e n ceo ns t u d y in gm o r eu n d e r w a t e re le ct r iccu r r e n tco m m u n ica t io ns y s t e r m K e yw o r d s ：r e ce iv in ga n t e n n a ；e le ct r iccu r r e n t ；co n s t a n tcu r r e n t ；e le ct r icd ip o le s 0 引 言 进入2 l世纪以来，对海洋资源的研究和开发已 经越来越引起人们的关注，水下通信系统也就越来越 显出其重要性。水下电流场通信是低噪声系统，完全 可以实现近距离的水下无线通信 ，而且由于水下 的电噪声非常低，与水声通信相比，利用水下电流场 实现水下近距离的无线通信具有一定的优势。近年 来，利用电流场通信技术进行探测和通信的研究已有 一些成果，如穿透岩层的地下电流场通信信道的相关 研究；水文缆道采样器无线遥控的实现等”1 。本 文主要在分析水下电流场通信机理的基础上介绍设 计电流场通信系统中应该注意的几个问题。 l 水下电流场通信 1 1 水下电流场通信的原理 一般而言，当电流或电场随时间发生变化时，传 导电流和位移电流就必须同时考虑到。但是在时间 变化很小的情况下，位移电流是可以被忽略掉的。当 导体中存在稳定电流的时候，电流场和电磁场的关系 就如同传导电流与位移电流的关系一样，在某些情况 下电磁场也是叮以被忽略掉的。以上描述的电流场 收稿日期：2 0 0 9 0 4 2 0 ：修回日期：2 0 0 9 0 7 一t O 作者简介：汪丹丹( 1 9 8 5 一) ，女，硕士研究生，主要从事无线通信研究。 第2 期汪丹丹，等：设计水下电流场通信系统需注意的几个问题5 7 称之为准静电场。 电磁波的产生和传播是由于电流场的变化引起 的，也就足说，在媒介中的位移电流相对于电介质，海 水的电导率要大得多，因此，在海水中，位移电流可以 被忽略，主要以传导电流为主。海水中的电流场为准 静电场。 电介质的静电场和导体中的恒流场具有相似的 特性，因此町以利用静电场与恒流场的对偶原理，得 到电流场在海水中的场特性和传播规律 。 如图1 所示，在均匀介质中相距为d 的电偶极 子，其中的电流为L ，则在P 点产生的电场强度为： E = E ，+ E 口+ E ，( 1 ) 对于均匀介质，E i= 0 。 E ，：娑掣， ( 2 ) E 。：警0 。 ( 3 ) 其中，r 为至观察点的距离，0 为方位角，r 和0 是单 位向量。 、 孬藤 ，飞 刷 弓 1 。 E E 图l 电流为厶时电偶极子电场强度示意图 F ig 1 T h es k e t chm a po fe le ct r ic d ip o le s 8e le ct r ic f ie ld in t e n s it yw h e nt h ecu r r e n tist o 当P 点位于电偶极子对称轴上的时候，也就是 0 = 叮r 2 ，此时电场强度为： f 、d E = E d = _ 兰1 。( 4 ) 4 F ；O t - 因此，距离为d7 的接收电极的电压差为： 一1 f 、d d r V = JE d s = 。( 5 ) 3 0 4 r r 盯r 上面的等式给出了电流场传输和接收的关系。 1 2 水下电流场通信在近距离通信中的优势 1 ) 由于海水温度或密度变化以及障碍物引起的 反射和折射，水声通信存在多径效应和盲区等方面的 问题，在海水介质分层明显的区域，往往很难通信。 电流场通信根本不存在这些问题，传输信号稳定，更 不会因为海水分层而突然中断。 2 ) 海水对电磁波的吸收、反射和折射较大，频率 越高，衰减越大，在高密度区域往往通信比较困难。 3 ) 与水声通信相比，水下电流场通信是低噪声 系统，原则上，在不增加功率的条件下，增加电流，可 以扩大有效通信范围。 4 ) 电流场通信方式既实现了无线通信又不必架 设庞大的天线，简便而具有相当的灵活性。 2 设计水下电流场通信系统中应该注意的几 个问题 2 1 通信频率的选择 由于海水的电导率盯0 ，使海水中的电磁波传 播常数为复数，即在传播过程中不仅有相移而且有衰 减。当海水的电导率在电磁波频率可满足盯0 ) 8 时( s 海水的介电常数) ，海水中的电磁波基本上以传 导电流的形式存在，相比之下位移电流町忽略；波阻 抗变小且成r 复数，电场和磁场分量不再同相位，电 场超前于磁场约订4 ，磁场能大于电场能。设：为海 水深度，：= 0 为海面，由大气进入海面的电场水平分 量可表示为E 。( 0 ) ，其向下( 近似于垂直向下 传播 过程的电场水平分量可用下式表示”3 ： E ，( = ) = E ，( 0 ) e - “e 一，V m 。 式中：E ，( 二) 为深度等于：处的水平电场分量；d 一 ( , t r f x 。盯) “2 为单位距离上的衰减常数，N p m ；口一 ( 1 r f l, 。盯) “2 为单位距离上的相移常数，r a d m 。 当IE 。( z ) l衰减到I 互。( 0 ) I e 时( 此处的e 是自然对数的底) ，称此深度为穿透深度，以6 表示， 艿= 1 a 。可以看出，频率越高，衰减越大，穿透深度 愈小。为此，希望将电磁波信号送到较大深度时，就 需要适当降低频率。 在保持接收天线和发射天线在水下相距4 01 1 1 的 情况下，得到r 如图2 所示的结果 。由图2 可知， 海水中电流场的频率特性在音频段是接近平坦的，而 且频率增大后其衰减会增大，这与理论值一致。 综合考虑以上几点，水下通信的频率最好选择在 甚低频段。 t 川。 晏。6 0 枷” 萋巧， 一S E - 7 5 E 山u Ju 4 0 t 0 05 0 01 0 0 05 0 0 0t 0 0 0 0 2 0 0 0 0 频率H z 图2 海水中电流场的频率特性 F ig 2 F r e q u e n cych a r a ct e r is t ic o fe le ct r iccu r r e n tins e a w a t e r 2 2 增大某一方向通信距离的方法 增大通信距离的方法有很多种。由式( 5 ) 可得 5 8 舰船科学技术第3 2 卷 到，接收电极的电压差与发射电极的电流成正比，与 偶极子的极间| 日J 距d ，d 成正比，因此，增大发射电极 的电流和收发偶极子的极间I 臼J 距，都可以增大通信距 离。在空气中，为了提高通信距离，使用定向天线是 一种有效的方法。当然，在海水中也同样适用，并且 这种方法与上述2 种相比更加有效。当信号被加到 一对电极对上，携带信号的电流场将向一Y ，+ Y 两个 方向传播，见图3 ( a ) 。然而，如果在一Y 方向上设置 非导电材料，那么在该方向上传播的电流场被阻挡并 且反射到+ ，方向上，见图3 ( b ) 。在非导电材料的 分界面上，反射的电流场包含有相同的振幅和相位。 该电流场将会加到在+ Y 方向上传播的电流场上。 为了使电流场在一个方向上的强度最大，可将非导电 材料如图3 ( b ) 放鼍，跟原来相比，通信范围增加了。 试验结果表明 ，这种方法能使通信距离增加 2 5 ，并且进一步证实：改进电极对天线的结构，实现 通信距离增加1 倍是完全可能的，见图3 ( C ) 所示。 因此，设计电极对天线，最好考虑采用这种方法，不仅 实现比较简单，而且可以增大某一方向通信距离。 1 竹 + J + “) J ：( ：) J ( c) 最理想单向通信 图3 电流场例子 F ig 3 E le ct r iccu r r e n tf ie ldillu s t r a t io n sf o r 2 3 收发天线相对位置的摆放 对于收发天线，两者的相对位置不同对接收天线 两电极对之间的电压影响也不同。 如果仅进行单工通信，只要接收点电极基线与该 点处场强方向重合，在发射点周围任意角度均可以接 收到良好的信号。 若进行双工通信，如图4 所示，则A ，曰两点电极 既是发射电极，同时也是接收电极，要求A ，B 两点电 极摹线都分别与该点处场强方向重合，即当收发两点 电极的垂直平分线重合( 收发偶极子完全平行) 或电 极基线重合时有最佳接收效果。此时，通信范围较其 他接收天线位置有显著增加。因此，设计水下电流场 通信系统时，接收天线的位置应该设计的比较容易改 变，接收时可以小断地改变接收天线的位置，以达到 最佳接收效果。 丘 图4A ，B 两点进行通信示意图 F ig 4 T h eco m m u n ica t io ns k e t chm a pb e t w e e nAa n dB 2 4 抗干扰方法 在水下进行通信时，由于水下环境比较复杂，各 种电噪声的干扰比较大，设计电流场通信系统可以通 过采用窄带、能虽利用率高的调制解调方式，虽然降 低了通信的质量，但是能够准确传达信息。因此，在 传播话音信号时，可以减低话音清晰度，缩小频带宽 度，从而提高系统