甚低频与超低频通信入水深度比较分析❋

左 卫 阚荣才 任席闯

（1.海军驻成都地区通信代表室 成都 434007）（2.海军大连舰艇学院92896部队 大连 116018）（3.91469部队 北京 100841）

1 引言

由于海水对电磁波的衰减特性，目前甚低频和超低频是对水下潜艇通信的具有独特重要的地位。甚低频电磁波在海水中的衰减比较小，能够穿透10多米的海水层与潜艇通信［1～2］；随着潜艇作用的提高，反潜技术和兵力也大幅提高和扩大，潜艇在小深度上被发现的概率大大增高。为了提高潜艇的隐蔽性和生存力，能够提供更大通信深度的通信手段——超低频（30Hz～300Hz频带称为超低频）通信得以应用，本文介绍甚低频通信和超低频通信的发展过程和技术特点，以及提出改善对潜通信保障能力的建议。

2 电磁波入水传播理论分析

在海面上，甚低频电磁波是在地面和电离层之间传播的，可以用波导传播理论进行分析和计算。按波导传播理论，电磁波在波导中以各种模式传播。甚低频电磁波在地—电离层形成的波导中以1阶模、2阶模、3阶模等总多模式传播。但高阶模衰减大，所以在远距离上主要的传播模式是1阶模。甚低频电磁场强度的计算可以用下面的近似公式大致计算场强［3～5］，以提供大功率发信台在远距离上产生的场强数值的大致概念。

式（1）中Ez为海面上的垂直电场强度；P为辐射功率，单位kW；f为工作频率，单位为kHz；d为距离，单位为km；a＝6370km，地球半径。

通信的好坏不仅决定于接收点的电场强度，还决定于该点的噪声。甚低频的大气噪声源是雷电。地球上各个地区的雷电活动不同，噪声也高低不同。我国南海海域噪声比较高。各个地区一年四季的噪声电平也不同。已经对大气噪声进行了广泛的研究测量，有关数据可以从文献［1，5］查出。在表1内列出太平洋中部几个频率的大气噪声垂直电场中值的大致数据（假定收信机的带宽等于100Hz）。所谓中值，是指噪声电平在50%时间内不会超过此数值。

海面上垂直电场与水平电场之间存在的关系［7～8］如式（2）：

式（2）中σ为海水的电导率。取σ＝4算出的水平电场幅度列在表1的第四行。

根据电磁场的边界条件，水平电、磁场从海面上侧过度到海面下侧数值不变，而垂直电场则减小／倍。k1为海水的波数，k0为海面上空间的波数，｜为海水的电导率。由此可见，垂直电场从海面上侧过度到下侧时衰减非常大；因此在海水中垂直电场比水平电场小得多，可以忽略。

超低频以下频率的电磁波基本上是垂直地从海面往下传播的，

E0ρ为海面上的水平电场，z（m）为海面下的垂直距离，E1ρ（z）为海面下z处的水平电场，k1为海水的波数

式（4）中α称为相位系数，单位为rad／m；β称为衰减率，单位为 N／m。它们的表达式［7～8］为

水平磁场的公式相同。如果衰减率β的单位改为dB／m，因为1（N／m）＝8.6858（dB／m），所以

在z（m）深处的水平电场绝对值则为

3 甚低频与超低频入水深度的比较

3.1 甚低频分析

海水对电磁波的衰减是随其频率的降低而降低的，而且是随深度的增加按指数规律降低的。电磁波在海水中的衰减率为［9～10］

式（7）中f为电磁波频率，Hz；σ为海水的电导率，一般等于4s／m；μ0为海水的导磁系数，一般取μ0＝4π×10－7H／m。按式（3）计算的三个频率的衰减率，列在表1的第五行。

电磁波从海面上往海水中传播基本上是垂直的。从海面传输至深度h处，电磁波水平分量（Ex或Hy）幅度衰减的倍数为［11］

几个不同频率甚低频传播至水下不同深度处的衰减量（dB）和衰减倍数如表1所示。

表1 甚低频海水中的衰减典型数据

3.2 超低频极低频分析

地面上超低频电磁波的传播机理与甚低频的相同，也是在地－电离层波导内传播的。但超低频的主要传播模式是0阶模式，而甚低频的主要传播模式是1阶模式，而且2阶模式和3阶模式也起一定作用。超低频在地－电离层波导内的衰减率比甚低频的略低一些。海水对电磁波的衰减是随其频率的降低而减小的（大致1010Hz以下频率都是如此）。

超低频频段68Hz、88Hz、132Hz以及更低频率10Hz、17Hz、23Hz六个频率电磁波在海水中的衰减率的计算结果，以及这些电磁波穿透100m和200m海水的衰减量的计算结果如表2所示。

表2的数据清楚地表明，超低频频段的三个频率穿过100m海水层受到的衰减为26～96倍，不算很大，但穿过200m海水层受到的衰减为701～9247倍，相当可观；然而，极低频频段三个频率穿过200m海水层受到的衰减比超低频三个频率穿过100m海水层受到的衰减小得多。

表2 海水对超低频电磁波的衰减

因此，要实现对潜通信从100m左右深度增加至200m左右深度，工作频率必须从超低频降至极低频。

4 结语

深潜潜艇的通信是一个极难解决的问题。岸基与水下潜艇（接收天线也在海面下）间的通信，目前只能用甚低频和超低频实现岸对潜艇的单向通信。甚低频通信与超低频通信比较，前者的优点是速度较高，但深度很浅；而后者是深度较深，但速度过慢。现有的超低频通信系统，如果要实现远距离、大深度通信，则通信速度过慢。提高通信速度有两条途径。第一是增加天线的长度和增大发信机功率（增大天线的电流矩或辐射功率）；第二是研究探讨新的调制方式。对于200m左右深度通信，极低频优于超低频。如果要实现更大深度的通信，譬如200m左右的通信，则以采用更低频率为好。

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