海洋对水下电磁通信的影响研究

杨立健

[摘 要]海洋环境水下电磁传播是舰船及其他武器装备之间进行通信指挥和水下探潜的重要渠道。本研究工作通过建立水下垂直梯度的电磁环境模型和电磁波传播模型的方法，进行如下三个方面的研究：海水电磁波传播模型，海底电磁散射和海水电磁波传播干扰因素模型。

[关键词]水下电磁通信 海洋环境 影响研究

中图分类号：F426.91 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0296-01

1.概述

水下电磁波传播的研究对于水下通信指挥系统的建立至关重要。经过40多年的研究发展，海洋电磁波传播的研究已经比较成熟，西方国家利用水下特殊的电磁环境进行相关武器的研发也很有成效[1]。

本研究工作通过建立水下垂直梯度的电磁环境模型和电磁波传播模型的方法，进行如下三个方面的研究：

a. 海水电磁波传播模型：研究海水流动海水电磁性能参数的不同对电磁波传播的影响。

b. 海底电磁散射背景库：研究海底地理地貌对电磁波的反射、散射规律，并开展建立海底地貌雷达电磁散射库的研究，用以完整描述海底地貌的电磁散射特征。

c. 海水电磁波传播干扰因素模型：研究海上作战平台（舰艇、潜艇）旋转叶片对电磁波传播产生的频率调制效应对水下电磁信号传播的影响。

对于理论研究的验证，目前国外主要采用仿真计算和典型环境的实验测试。国外在水下电磁环境的仿真计算方面非常先进，在大型计算机上，使用专门研发的求解器，可以直接对具体的水下电磁环境进行仿真计算，根据仿真计算结果对理论研究的成果进行检验和校准[2]。

2.研究内容

2.1 海水电磁波传播模型

海水电磁传播模型描述了真实海水中电磁波传播的规律。通过对典型海水模型的大量仿真计算，分析并总结海水电磁传播模型。根据文献公布的实际数据，可以对此传播模型进行验证。

海水具有较高的介电常数，并且海水具备一定的导电性能，这些特点使得电磁波在海水中传播时有很大的损耗。为了降低损耗，海水中的电磁通信一般使用较低的频率，比如1MHz以下的频率。

然而从海水表面到海水深处的电磁波传播不仅要考虑到海水本身的电磁特性，还要考虑海水电磁特性的变化，即不同深度的海水具备不同的电磁参数，即不同的介电常数和电导率。实验证明，海水总电导率σ？为离子电导率和偶极电导率之和[3]。通常用经验公式计算海水的离子电导率，它表示为盐度和温度的函数。海水的偶极电导率与频率有关。当频率低于 109Hz、温度为17°C时，标准海水的电导率为4.54～4.81西/米，是铜的10-7倍，玻璃的1012倍，而比一般湖水或河水大千倍以上。海水的介电常数与盐度、频率和温度的关系，还只有半经验公式。当频率小于109Hz、温度为 17°C时，标准海水的相对介电常数约为81.5。

这里的研究将海水分成若干层，计算电磁场在海水中传播受到不同层海水的影响。经过详细的仿真研究，下面将1000米深的海水按照单层、两层和四层进行计算，发现海水电磁参数在深度上的变化对于电磁波在海水中的传播影响非常大。

此仿真假设在海面有一个发射天线，主波束垂直向海洋深处传播。海水的电磁参数随着深度的增加在不断发生改变。

如下图是海水按照单一层计算后得到的电场分布，即1000米深的海水具备相同的电磁参数（介电常数为81，电导率为4）：

如下图是将海水分为两层之后的计算结果，最上层海水介电常数为81和电导率为4，下层海水介电常数为89，电导率为6.8：

根据以上计算结果可以发现，海水在深度方向电磁参数的变化对电磁波在海水中的传播有很大的影响，我们在研究海水中电磁通信信号的传播的时候，必须要考虑到海水在深度方向上电磁性能的变化。

2.2 海底电磁散射背景库

海底电磁散射背景库主要描述了各种海底场景，通过对不同场景的调用，可以得到电磁波传播受到的不同影响。海底有若干种典型地理环境，根据仿真计算建立起来的此海底电磁散射背景库应可以很好的反映出各种典型环境。

如果海洋较深，潜艇或者探测器无法下潜到这样的深度，或者电磁信号无法传输到这样的深度，就不需要考虑海底地形对电磁传播的影响了。但是如果海洋底部深度不深，通信信号足够作用到这样的深度，则需要考虑海底地形对电磁信号的影响。

这种影响主要是海底不同的几何外形对电磁波造成的不同的反射。经过计算，可以观察不同海底地形对电磁传播的影响。如下图是平坦的海底地形附近的电磁波场分布：

如下图是波浪形海底对电磁波传播的影响：

如下图是断崖式地形对电磁传播的影响：

由以上仿真计算结果可以看出不同的地形对电磁传播在海洋中的传输有很大的影响。大致归结为平坦式海底（海底平原）、波浪形海底（海底丘陵）、断崖式海底（大陆架边缘）、这几种典型地形。

3.结论

本文使用数值计算方法对海洋中电磁传播中的三个方面进行了仿真研究。发现海水的分层模型、海底地形以及大型人工目标对电磁波的传播有着非常深刻的影响。要掌握海水中的电磁通信规律，就必须整理这些条件对电磁波传播的影响规律，在实际的工程设计中，才能得到更好的结果。

参考文献

[1] 何继善，鲍力知，海洋电磁法研究的现状和进展，《地球物理学进展》， 1999， 第1期：7-39.

[2] 王堃鹏，基于MPI的海洋可控源电磁法自适应有限元2.5D正演研究，《成都理工大学》，2014.

[3] 余艳平，海底大地电磁数据处理方法研究，《成都理工大学》，2012.