长波通信在无人水下航行器上的应用

付天晖，苏 敏

(海军工程大学 电子工程学院，武汉 430033)

无人水下航行器(UUV)具有隐蔽性好、使用风险低、作战使用灵活等特点，可执行多种水下任务，是1 种发展迅速的新型装备。通信系统对UUV 的指挥控制和数据传输起着至关重要的作用，目前主要采用短波、卫星、水声3 种通信方式，但这3 种方式在使用过程中均存在明显不足。水声通信作用距离近且通信可靠性不高，仅能担负近海或母船周围的通信保障任务，对处于远海工作的UUV 不能实施有效的指挥控制。短波、卫星通信虽然传输距离较远，但要求UUV 定时上浮至水面与卫星或岸台联络，这种通信方式存在明显的弊端:①岸台需要等待UUV 定时浮出水面后才能与其通信，无法对其进行实时控制;②UUV 能量有限，频繁从工作深度上浮至水面会导致能量消耗过快;③UUV 上浮通信时容易导致自身目标的暴露。

目前长波通信主要应用于军事通信和地质勘探等领域。长波通信具有传播稳定，不易受干扰，作用距离远，能穿透海水等显著优点。如采用长波通信实现岸台与UUV 之间的通信，那么UUV 则无需浮出水面，在水下保持原有工作状态的同时即可完成通信任务，既节约了能源又保持了自身的隐蔽性;同时，岸台无需等待即可随时随地实现对UUV 的控制和数据传输。因此，采用长波作为UUV 通信手段的有益补充，一方面可弥补原有通信方式的不足，另一方面将使UUV 的使用与控制更加灵活。

1 长波通信在无人水下航行器上的应用方式

长波通信在UUV 上的应用可有效补充原有通信手段，与现有卫星、短波通信相结合，可为UUV 的指挥控制、数据传输和导航定位提供更加丰富的手段。

1.1 长波通信与卫星通信相结合

该方案的思路是利用长波通信距离远、入水深度大的特点，实现岸台与UUV 间的不间断通信。由于长波通信系统信息传输速率较低，难以实现高速的实时通信，因此在该方案中长波信号仅起振铃作用，岸台通过长波信号呼唤UUV上浮至水面，并通过卫星实现与UUV 间的通信。该方案的优点是间接实现了岸台与UUV 间的不间断通信，岸台可随时向UUV 发布命令，不需等待原有的约定时间，同时UUV也无需定时上浮之水面，可节省大量能量。但该方案也存在不足之处，一方面卫星通信存在抗毁性差的问题，另一方面UUV 上浮之水面通信时存在暴露自身目标的可能。

1.2 长波通信与短波通信相结合

为克服卫星通信抗毁性差的问题，在该方案中UUV 收到长波信号上浮至水面后改用短波通信的方式与岸台联络。由于采用短波通信代替了卫星通信，因此该方案的抗毁性有明显提升，但仍存在隐蔽性不佳的问题。

1.3 长波通信独立工作

在该方案中直接将长波信号作为与UUV 间的通信信号，其优点是可保证UUV 始终不浮出水面完成通信任务，具有较好的隐蔽性。但在该方案中，信息只能单向传输，且通信时信息传输速率较低。

2 水下接收天线的小型化技术

与中短波不同，长波信号波长很长，在自由空间和海水中都有自己独特的传播模式和特点。再加上发射天线辐射效率低，UUV 与发信台间距离远，到达接收天线的信号已经非常微弱，这些使海水中工作的接收天线在结构和性能上异于一般天线。本文针对长波通信信号微弱但方向性较强的特点，分析了用来接收水下长波信号的天线结构。分别选择磁性天线、电极对天线和超导量子干涉器作为研究对象，分析将其作为水下长波信号接收天线的可行性。

2.1 电极天线

长波信号在海水中垂直向下传播，近似为水平极化平面波，所以适合用来接收长波信号的天线应该是水平极化天线。电极对天线是最早应用于水下通信的接收天线。电极对天线是2 个相隔一定距离的电极，电极之间相互绝缘并分别与海水接触，也可将其理解为在海水中测量2 点间电位差的探针，电极对天线的结构如图1 所示。

图1 电极对天线的结构示意图

电极对天线的最大有效长度为两电极间的物理距离，要想接收到较强的长波信号就要求电极对天线具有较长的尺寸，现有的电极对拖曳天线有效长度不小于100 m。而UUV的体积有限，要想将电极对天线直接安装在UUV 上十分困难，而且电极对天线难以实现对长波信号的全向接收，因此电极对天线不适合作为在UUV 上直接安装的长波接收天线。

2.2 超导量子干涉器

超导材料于1911 年由H.K.Onnes 首先发现。如今超导材料已经在雷达、通信、航空、航天、天文观测和数字计算机等传统电子学领域得到了广泛应用。其中超导量子干涉仪(SQUID)更是以其极高的灵敏度和优良的低频响应在无线电频谱的低段展示了无可置疑的应用潜力和广阔的应用背景。随着高温超导材料和技术的发展，高温超导量子干涉仪(HTcSQUID)以其兼具高灵敏度和制冷系统实现方便、可靠性高的优势而得以广泛应用。在器件水平上，低温SQUID 的磁场灵敏度的指标可达10-15T 量级，HTcSQUID 磁场灵敏度也可达10-14T 量级。

若采用HTc SQUID 作为长波信号的接收天线，则单个HTc SQUID 器件的接收灵敏度即可达到10-14T，完全能够收到水下的长波信号强度。目前采用SQUID 器件制作的超导天线验证模型长度不超过10 cm，其灵敏度已基本接近10-14T，如果能进行水下接收验证试验，则可说明超导磁性天线可以代替现有的拖曳天线，有望克服现有装备天线的不足。

SQUID 作为UUV 长波接收天线，首先要采取温度控制技术解决其本身超导的问题;另外，当天线处于较大深度时，大气噪声衰减较大，热噪声和运动感应噪声成为主要的噪声源，因此降低噪声提高其灵敏度也成为关键技术。

SQUID 作为长波信号接收装置具有最小的体积和最高的灵敏度，但其设计开发较为困难，SQUID 装置的低温保存技术、三轴传感器的正交性设计、后续的信号处理电路设计都较为复杂，技术实现上存在一定的风险。但有理由相信，随着超导技术迅速的发展，将SQUID 技术应用于水下长波信号接收系统中的时间并不遥远。

2.3 长波信号磁性接收天线

长波发射天线辐射效率极低，能够辐射到信道中的信号强度非常有限，并且信号从大气进入海水中和在水下传播都会产生较大的衰减，导致到达水下接收点的长波信号十分微弱。采用磁性天线接收水下长波信号，首先要求天线具有较高的灵敏度，同时，还要考虑天线的工作频带应包含长波信号的频率范围。磁性天线由前端感应线圈以及后续调理和放大电路组成，后续放大电路是在前端感应线圈接收信号的基础上对信号进行放大，因此，设计出具有高灵敏度的感应线圈是设计磁性天线的基础。研究磁芯和线圈各参数与天线灵敏度和天线的频率响应的关系，找出其存在的规律，从而较好地设计出在需要频带内具有高灵敏度的磁性天线，分析天线中可能影响天线性能的各参数，并找出对天线各指标的影响情况是1 项十分重要的工作。

磁性天线的前端感应线圈棒由骨架、线圈和磁芯3 部分组成。其结构示意图如图2 所示。

图2 感应线圈棒的示意图

骨架一般采用非铁磁性材料加工而成，要求具有一定的强度且具有良好的稳定性;线圈要求材料本身的电阻率较低，有足够的机械强度，在一般情况下有较好的耐腐蚀性;磁芯一般采用高磁导率的软磁材料加工而成。磁芯置于骨架内部，线圈绕于骨架上。

当磁性天线放于交变的外磁场中时，其前端的感应线圈棒两端将产生感应电动势，设磁性天线的感应线圈棒置于H(t)=H0sinωt 的外磁场中，不考虑外磁场与天线之间的夹角，则感应线圈棒两端的感应电动势为:

式中:f 为交变磁场频率;N 为线圈匝数;S 为磁芯横截面积;μe为磁芯的有效磁导率，当为空心线圈时，μe为真空相对磁导率;H0为交变磁场幅值。可见，感应电动势e 与穿过线圈截面积的磁通变化率成正比，而磁通与线圈截面积、匝数、磁芯有效磁导率以及通过线圈的磁场强度成正比，式中负号表示感应电动势的方向是反抗磁通变化的方向。由式(2)可以看出，要提高感应电动势，必须在设计天线时重点考虑S、N、μe3 个参数。制作出的测试样机实物图如图3 所示。

图3 长波磁性接收天线实物

2.4 不同天线的比较

1)电极对天线的有效长度最大为两电极间的物理距离，要想接收到较强的信号就要求电极对天线具有较长的尺寸，而UUV 上的体积有限，要想将电极对天线直接安装在UUV 上十分困难，因此电极对天线不适合作为在UUV 上直接安装的接收天线。

2)SQUID 作为长波信号接收装置具有最小的体积和最高的灵敏度，但其设计开发较为困难，SQUID 装置的低温保存技术、三轴传感器的正交性设计、后续的信号处理电路设计都较为复杂，技术实现上存在一定的风险。

3)磁性天线具有体积小、结构简单、灵敏度高等优点，结合自适应噪声抵消算法，磁性天线可有效降低UUV 自身电磁噪声的影响，可作为直接在UUV 上安装的长波信号接收天线。

3 结束语

本文讨论了将长波通信技术应用于UUV 时的通信方式，分析了适合直接安装在UUV 上的长波接收天线形式，分别对磁性天线，电极对天线、超导量子干涉器的组成结构、接收性能及直接安装在UUV 上实现信号接收的可行性进行了分析。结果表明:磁性天线具有体积小、结构简单、灵敏度高等优点，可作为安装在UUV 上的长波信号接收天线。

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