采用超低频电流场实现深水UUV遥控

王永斌，路洋洋，付天晖

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉430033)

0 引 言

无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)是一种以潜艇或水面舰船为支援平台，能够在水下自主远程航行的新概念武器。其体积小、重量轻、隐蔽性好、操作安全、活动范围大、造价低，可执行扫雷、水下打捞、水下侦查与攻击、中继通信等任务。通信系统对UUV 的遥控和数据传输起着至关重要的作用，在UUV 下潜深度较小(小于100 m)时，可采用岸基长波台发送遥控信号，而当UUV 下潜深度较大时，目前主要采用水声通信方式。但水声通信方式有很大的局限性，它极易受到自然和人为噪声的影响，在海水不同温度层和密度层间信号的反射和折射引发了多径效应和通信盲区。此外，水声通信的信息传输速率低、时延长、设备体积大。为了弥补水声通信的这些缺陷，对于近距离大深度的情况，可以采用水下无线电通信实现对UUV 的遥控。由于海水的电导率很高，海水中以传导电流为主，而位移电流可忽略不计。海水电流场与电磁场的关系如同传导电流与位移电流，电磁场也可忽略不计，因此水下无线电通信主要依赖于水下电流场。

1 深水UUV 遥控原理分析

在深水近距离情况下采用水下电流场遥控UUV时，发送的控制信号可以看成直接传播，不必考虑反射波、侧面波，其辐射场可近似看作海水中电偶极子辐射的电流场。

根据麦克斯韦方程组

由场论知识可知，旋度的散度恒为0。因此引入一个矢量位函数A，使得B=▽×A。

图1 海水中电偶极子辐射示意图Fig.1 Schematic diagram of electric dipole radiation in seawater

式中A 为矢量位函数，Wb/m。把B 代入式(1)得［1］:

由于梯度的旋度恒为0，因此无旋的矢量可用一个标量函数的梯度代替。为此引入标量位函数φ，使。

即

线性、均匀、各向同性媒质本构关系方程为

将式(4)代入式(1)得

利用矢量恒等式▽×▽×A=▽(▽·A)－▽2A，式(5)可写为

为了简化式(6)，可采用洛伦兹规范，令

因此，式(6)可写为

可解得矢量位函数

对于电偶极子，其体积元dV=dlΔS，J=I/ΔS，则

将A 转化为球坐标

解得

而在海水中，σ ＞＞ωε，

则可解得

当接收电极与发射电极轴线重合且距离为R时，此时θ=90°，接收电极处的场强为:

间距为d2的接收电极间的电势差可表示为:

从以上分析可以看出，接收信号的电压与发射电流、收发电极间距和通信距离有关。

2 深水UUV 遥控接收电流场特性分析

为了分析采用电流场实现深水UUV 遥控的系统性能，且考虑到可实现的系统规模，设定发射电流为50 A，发射电极间距为100 m，接收电极间距为10 m，进行仿真分析。

图2 接收电压与频率的关系曲线(通信距离为300 m)Fig.2 Relation graph of received volage and frequency(the communication distance is 300 m)

如图2所示，接收信号的电压随着通信频率的增加而减小，根据图示，此规律近似为指数衰减。根据现有接收机的灵敏度，当收信电极间距为10 m 时，收信机可接收到的最小信号为0.1 nV，因此当频率降到400 Hz 时，现有接收机很难检测到信号。为了接收到较强的信号，通信频率应尽可能降低，然而频率的降低将会导致信息传输速率的减小。因此，合理选择频率对于UUV 的接收性能至关重要。从图中可以看出，超低频段是个比较好的选择，其频率范围为30 ～300 Hz，此时接收信号电压比较大。虽然超低频段信息传输速率比较低，但对于发送信息速率较低的遥控信号来说仍适用。

图3 接收电压与通信距离的关系曲线(通信频率为100 Hz)Fig.3 Relation graph of received volage and communication distance(the frequency is 100Hz)

图3 是接收信号电压与通信距离的关系曲线图，其频率为100 Hz。随着通信距离的增加，接收信号的电压也逐渐减小，从图中可以看出，当通信距离达到500 m 时信号的电压值已经接近现有接收机可检测的极限。因此，提高通信距离是实现深水UUV遥控面临的重要问题。

3 提高深水UUV 遥控距离的方法

水下无线电通信不同于自由空间的通信，其通信距离受到了很大的限制。从UUV 接收信号电压的表达式我们可以看出，降低频率和增大收发电极间距可以在一定程度上增大通信距离，然而受到信息传输速率和收发方便性的影响，这2 种方式不太适合用来提高通信距离。发射电极与海水形成的回路满足欧姆定律，发射电流的大小与发射电压、电极与海水的接触阻抗有关，因此增大信号强度可通过增大发射电压、减小接触阻抗的方式进行，接触阻抗可以通过改变电极材料和接触面积来实现。下面是几种提高通信距离的新方法，主要应用于发射电极间距比较小的情况。

当电极间距比较小时，可以在电极一端加装反射绝缘板，如图4所示。这样可以改变信号传输的方向，使射向另一端的电波反射回接收UUV 的方向，从而提高了信号传输距离。其原理类似于定向天线。

在电极间加装绝缘板也是一种增加通信距离的方法，如图5所示。其原理是增大电极的间距，从而增加了通信距离。

此外，利用电极的形状增益也可以放大电场，从而可以增大通信距离。

图4 电极加装反射绝缘板Fig.4 Installing reflecting insulating board on electrode

图5 电极加装间隔绝缘板Fig.5 Installing isolating insulating board on electrode

4 结 语

以上分析了针对UUV 的遥控方式，得出无线电遥控的优势。分析了水下电流场通信的原理，推导出了海水中电极对天线接收信号表达式。给出了影响接收电压的关键参数，得出了接收电压在不同参数下的变化规律。最后对于增大通信距离的方法进行分析，得出一些实用性的结论。

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