長波通信在無人水下航行器上的應用

付天暉，蘇 敏

(海軍工程大學 電子工程學院，武漢 430033)

無人水下航行器(UUV)具有隱蔽性好、使用風險低、作戰使用靈活等特點，可執行多種水下任務，是1 種發展迅速的新型裝備。通信系統對UUV 的指揮控制和數據傳輸起著至關重要的作用，目前主要采用短波、衛星、水聲3 種通信方式，但這3 種方式在使用過程中均存在明顯不足。水聲通信作用距離近且通信可靠性不高，僅能擔負近海或母船周圍的通信保障任務，對處于遠海工作的UUV 不能實施有效的指揮控制。短波、衛星通信雖然傳輸距離較遠，但要求UUV 定時上浮至水面與衛星或岸臺聯絡，這種通信方式存在明顯的弊端:①岸臺需要等待UUV 定時浮出水面后才能與其通信，無法對其進行實時控制;②UUV 能量有限，頻繁從工作深度上浮至水面會導致能量消耗過快;③UUV 上浮通信時容易導致自身目標的暴露。

目前長波通信主要應用于軍事通信和地質勘探等領域。長波通信具有傳播穩定，不易受干擾，作用距離遠，能穿透海水等顯著優點。如采用長波通信實現岸臺與UUV 之間的通信，那么UUV 則無需浮出水面，在水下保持原有工作狀態的同時即可完成通信任務，既節約了能源又保持了自身的隱蔽性;同時，岸臺無需等待即可隨時隨地實現對UUV 的控制和數據傳輸。因此，采用長波作為UUV 通信手段的有益補充，一方面可彌補原有通信方式的不足，另一方面將使UUV 的使用與控制更加靈活。

1 長波通信在無人水下航行器上的應用方式

長波通信在UUV 上的應用可有效補充原有通信手段，與現有衛星、短波通信相結合，可為UUV 的指揮控制、數據傳輸和導航定位提供更加豐富的手段。

1.1 長波通信與衛星通信相結合

該方案的思路是利用長波通信距離遠、入水深度大的特點，實現岸臺與UUV 間的不間斷通信。由于長波通信系統信息傳輸速率較低，難以實現高速的實時通信，因此在該方案中長波信號僅起振鈴作用，岸臺通過長波信號呼喚UUV上浮至水面，并通過衛星實現與UUV 間的通信。該方案的優點是間接實現了岸臺與UUV 間的不間斷通信，岸臺可隨時向UUV 發布命令，不需等待原有的約定時間，同時UUV也無需定時上浮之水面，可節省大量能量。但該方案也存在不足之處，一方面衛星通信存在抗毀性差的問題，另一方面UUV 上浮之水面通信時存在暴露自身目標的可能。

1.2 長波通信與短波通信相結合

為克服衛星通信抗毀性差的問題，在該方案中UUV 收到長波信號上浮至水面后改用短波通信的方式與岸臺聯絡。由于采用短波通信代替了衛星通信，因此該方案的抗毀性有明顯提升，但仍存在隱蔽性不佳的問題。

1.3 長波通信獨立工作

在該方案中直接將長波信號作為與UUV 間的通信信號，其優點是可保證UUV 始終不浮出水面完成通信任務，具有較好的隱蔽性。但在該方案中，信息只能單向傳輸，且通信時信息傳輸速率較低。

2 水下接收天線的小型化技術

與中短波不同，長波信號波長很長，在自由空間和海水中都有自己獨特的傳播模式和特點。再加上發射天線輻射效率低，UUV 與發信臺間距離遠，到達接收天線的信號已經非常微弱，這些使海水中工作的接收天線在結構和性能上異于一般天線。本文針對長波通信信號微弱但方向性較強的特點，分析了用來接收水下長波信號的天線結構。分別選擇磁性天線、電極對天線和超導量子干涉器作為研究對象，分析將其作為水下長波信號接收天線的可行性。

2.1 電極天線

長波信號在海水中垂直向下傳播，近似為水平極化平面波，所以適合用來接收長波信號的天線應該是水平極化天線。電極對天線是最早應用于水下通信的接收天線。電極對天線是2 個相隔一定距離的電極，電極之間相互絕緣并分別與海水接觸，也可將其理解為在海水中測量2 點間電位差的探針，電極對天線的結構如圖1 所示。

圖1 電極對天線的結構示意圖

電極對天線的最大有效長度為兩電極間的物理距離，要想接收到較強的長波信號就要求電極對天線具有較長的尺寸，現有的電極對拖曳天線有效長度不小于100 m。而UUV的體積有限，要想將電極對天線直接安裝在UUV 上十分困難，而且電極對天線難以實現對長波信號的全向接收，因此電極對天線不適合作為在UUV 上直接安裝的長波接收天線。

2.2 超導量子干涉器

超導材料于1911 年由H.K.Onnes 首先發現。如今超導材料已經在雷達、通信、航空、航天、天文觀測和數字計算機等傳統電子學領域得到了廣泛應用。其中超導量子干涉儀(SQUID)更是以其極高的靈敏度和優良的低頻響應在無線電頻譜的低段展示了無可置疑的應用潛力和廣闊的應用背景。隨著高溫超導材料和技術的發展，高溫超導量子干涉儀(HTcSQUID)以其兼具高靈敏度和制冷系統實現方便、可靠性高的優勢而得以廣泛應用。在器件水平上，低溫SQUID 的磁場靈敏度的指標可達10-15T 量級，HTcSQUID 磁場靈敏度也可達10-14T 量級。

若采用HTc SQUID 作為長波信號的接收天線，則單個HTc SQUID 器件的接收靈敏度即可達到10-14T，完全能夠收到水下的長波信號強度。目前采用SQUID 器件制作的超導天線驗證模型長度不超過10 cm，其靈敏度已基本接近10-14T，如果能進行水下接收驗證試驗，則可說明超導磁性天線可以代替現有的拖曳天線，有望克服現有裝備天線的不足。

SQUID 作為UUV 長波接收天線，首先要采取溫度控制技術解決其本身超導的問題;另外，當天線處于較大深度時，大氣噪聲衰減較大，熱噪聲和運動感應噪聲成為主要的噪聲源，因此降低噪聲提高其靈敏度也成為關鍵技術。

SQUID 作為長波信號接收裝置具有最小的體積和最高的靈敏度，但其設計開發較為困難，SQUID 裝置的低溫保存技術、三軸傳感器的正交性設計、后續的信號處理電路設計都較為復雜，技術實現上存在一定的風險。但有理由相信，隨著超導技術迅速的發展，將SQUID 技術應用于水下長波信號接收系統中的時間并不遙遠。

2.3 長波信號磁性接收天線

長波發射天線輻射效率極低，能夠輻射到信道中的信號強度非常有限，并且信號從大氣進入海水中和在水下傳播都會產生較大的衰減，導致到達水下接收點的長波信號十分微弱。采用磁性天線接收水下長波信號，首先要求天線具有較高的靈敏度，同時，還要考慮天線的工作頻帶應包含長波信號的頻率范圍。磁性天線由前端感應線圈以及后續調理和放大電路組成，后續放大電路是在前端感應線圈接收信號的基礎上對信號進行放大，因此，設計出具有高靈敏度的感應線圈是設計磁性天線的基礎。研究磁芯和線圈各參數與天線靈敏度和天線的頻率響應的關系，找出其存在的規律，從而較好地設計出在需要頻帶內具有高靈敏度的磁性天線，分析天線中可能影響天線性能的各參數，并找出對天線各指標的影響情況是1 項十分重要的工作。

磁性天線的前端感應線圈棒由骨架、線圈和磁芯3 部分組成。其結構示意圖如圖2 所示。

圖2 感應線圈棒的示意圖

骨架一般采用非鐵磁性材料加工而成，要求具有一定的強度且具有良好的穩定性;線圈要求材料本身的電阻率較低，有足夠的機械強度，在一般情況下有較好的耐腐蝕性;磁芯一般采用高磁導率的軟磁材料加工而成。磁芯置于骨架內部，線圈繞于骨架上。

當磁性天線放于交變的外磁場中時，其前端的感應線圈棒兩端將產生感應電動勢，設磁性天線的感應線圈棒置于H(t)=H0sinωt 的外磁場中，不考慮外磁場與天線之間的夾角，則感應線圈棒兩端的感應電動勢為:

式中:f 為交變磁場頻率;N 為線圈匝數;S 為磁芯橫截面積;μe為磁芯的有效磁導率，當為空心線圈時，μe為真空相對磁導率;H0為交變磁場幅值。可見，感應電動勢e 與穿過線圈截面積的磁通變化率成正比，而磁通與線圈截面積、匝數、磁芯有效磁導率以及通過線圈的磁場強度成正比，式中負號表示感應電動勢的方向是反抗磁通變化的方向。由式(2)可以看出，要提高感應電動勢，必須在設計天線時重點考慮S、N、μe3 個參數。制作出的測試樣機實物圖如圖3 所示。

圖3 長波磁性接收天線實物

2.4 不同天線的比較

1)電極對天線的有效長度最大為兩電極間的物理距離，要想接收到較強的信號就要求電極對天線具有較長的尺寸，而UUV 上的體積有限，要想將電極對天線直接安裝在UUV 上十分困難，因此電極對天線不適合作為在UUV 上直接安裝的接收天線。

2)SQUID 作為長波信號接收裝置具有最小的體積和最高的靈敏度，但其設計開發較為困難，SQUID 裝置的低溫保存技術、三軸傳感器的正交性設計、后續的信號處理電路設計都較為復雜，技術實現上存在一定的風險。

3)磁性天線具有體積小、結構簡單、靈敏度高等優點，結合自適應噪聲抵消算法，磁性天線可有效降低UUV 自身電磁噪聲的影響，可作為直接在UUV 上安裝的長波信號接收天線。

3 結束語

本文討論了將長波通信技術應用于UUV 時的通信方式，分析了適合直接安裝在UUV 上的長波接收天線形式，分別對磁性天線，電極對天線、超導量子干涉器的組成結構、接收性能及直接安裝在UUV 上實現信號接收的可行性進行了分析。結果表明:磁性天線具有體積小、結構簡單、靈敏度高等優點，可作為安裝在UUV 上的長波信號接收天線。

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