付天暉，蘇 敏

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢 430033)

無人水下航行器(UUV)具有隱蔽性好、使用風(fēng)險(xiǎn)低、作戰(zhàn)使用靈活等特點(diǎn)，可執(zhí)行多種水下任務(wù)，是1 種發(fā)展迅速的新型裝備。通信系統(tǒng)對(duì)UUV 的指揮控制和數(shù)據(jù)傳輸起著至關(guān)重要的作用，目前主要采用短波、衛(wèi)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(dān)負(fù)近海或母船周圍的通信保障任務(wù)，對(duì)處于遠(yuǎn)海工作的UUV 不能實(shí)施有效的指揮控制。短波、衛(wèi)星通信雖然傳輸距離較遠(yuǎn)，但要求UUV 定時(shí)上浮至水面與衛(wèi)星或岸臺(tái)聯(lián)絡(luò)，這種通信方式存在明顯的弊端:①岸臺(tái)需要等待UUV 定時(shí)浮出水面后才能與其通信，無法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;②UUV 能量有限，頻繁從工作深度上浮至水面會(huì)導(dǎo)致能量消耗過快;③UUV 上浮通信時(shí)容易導(dǎo)致自身目標(biāo)的暴露。

目前長(zhǎng)波通信主要應(yīng)用于軍事通信和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。長(zhǎng)波通信具有傳播穩(wěn)定，不易受干擾，作用距離遠(yuǎn)，能穿透海水等顯著優(yōu)點(diǎn)。如采用長(zhǎng)波通信實(shí)現(xiàn)岸臺(tái)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(tài)的同時(shí)即可完成通信任務(wù)，既節(jié)約了能源又保持了自身的隱蔽性;同時(shí)，岸臺(tái)無需等待即可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV 的控制和數(shù)據(jù)傳輸。因此，采用長(zhǎng)波作為UUV 通信手段的有益補(bǔ)充，一方面可彌補(bǔ)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(zhǎng)波通信在無人水下航行器上的應(yīng)用方式

長(zhǎng)波通信在UUV 上的應(yīng)用可有效補(bǔ)充原有通信手段，與現(xiàn)有衛(wèi)星、短波通信相結(jié)合，可為UUV 的指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和導(dǎo)航定位提供更加豐富的手段。

1.1 長(zhǎng)波通信與衛(wèi)星通信相結(jié)合

該方案的思路是利用長(zhǎng)波通信距離遠(yuǎn)、入水深度大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)岸臺(tái)與UUV 間的不間斷通信。由于長(zhǎng)波通信系統(tǒng)信息傳輸速率較低，難以實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)通信，因此在該方案中長(zhǎng)波信號(hào)僅起振鈴作用，岸臺(tái)通過長(zhǎng)波信號(hào)呼喚UUV上浮至水面，并通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)與UUV 間的通信。該方案的優(yōu)點(diǎn)是間接實(shí)現(xiàn)了岸臺(tái)與UUV 間的不間斷通信，岸臺(tái)可隨時(shí)向UUV 發(fā)布命令，不需等待原有的約定時(shí)間，同時(shí)UUV也無需定時(shí)上浮之水面，可節(jié)省大量能量。但該方案也存在不足之處，一方面衛(wèi)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(shí)存在暴露自身目標(biāo)的可能。

1.2 長(zhǎng)波通信與短波通信相結(jié)合

為克服衛(wèi)星通信抗毀性差的問題，在該方案中UUV 收到長(zhǎng)波信號(hào)上浮至水面后改用短波通信的方式與岸臺(tái)聯(lián)絡(luò)。由于采用短波通信代替了衛(wèi)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(zhǎng)波通信獨(dú)立工作

在該方案中直接將長(zhǎng)波信號(hào)作為與UUV 間的通信信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是可保證UUV 始終不浮出水面完成通信任務(wù)，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(shí)信息傳輸速率較低。

2 水下接收天線的小型化技術(shù)

與中短波不同，長(zhǎng)波信號(hào)波長(zhǎng)很長(zhǎng)，在自由空間和海水中都有自己獨(dú)特的傳播模式和特點(diǎn)。再加上發(fā)射天線輻射效率低，UUV 與發(fā)信臺(tái)間距離遠(yuǎn)，到達(dá)接收天線的信號(hào)已經(jīng)非常微弱，這些使海水中工作的接收天線在結(jié)構(gòu)和性能上異于一般天線。本文針對(duì)長(zhǎng)波通信信號(hào)微弱但方向性較強(qiáng)的特點(diǎn)，分析了用來接收水下長(zhǎng)波信號(hào)的天線結(jié)構(gòu)。分別選擇磁性天線、電極對(duì)天線和超導(dǎo)量子干涉器作為研究對(duì)象，分析將其作為水下長(zhǎng)波信號(hào)接收天線的可行性。

2.1 電極天線

長(zhǎng)波信號(hào)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(zhǎng)波信號(hào)的天線應(yīng)該是水平極化天線。電極對(duì)天線是最早應(yīng)用于水下通信的接收天線。電極對(duì)天線是2 個(gè)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(cè)量2 點(diǎn)間電位差的探針，電極對(duì)天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電極對(duì)天線的結(jié)構(gòu)示意圖

電極對(duì)天線的最大有效長(zhǎng)度為兩電極間的物理距離，要想接收到較強(qiáng)的長(zhǎng)波信號(hào)就要求電極對(duì)天線具有較長(zhǎng)的尺寸，現(xiàn)有的電極對(duì)拖曳天線有效長(zhǎng)度不小于100 m。而UUV的體積有限，要想將電極對(duì)天線直接安裝在UUV 上十分困難，而且電極對(duì)天線難以實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波信號(hào)的全向接收，因此電極對(duì)天線不適合作為在UUV 上直接安裝的長(zhǎng)波接收天線。

2.2 超導(dǎo)量子干涉器

超導(dǎo)材料于1911 年由H.K.Onnes 首先發(fā)現(xiàn)。如今超導(dǎo)材料已經(jīng)在雷達(dá)、通信、航空、航天、天文觀測(cè)和數(shù)字計(jì)算機(jī)等傳統(tǒng)電子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)更是以其極高的靈敏度和優(yōu)良的低頻響應(yīng)在無線電頻譜的低段展示了無可置疑的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用背景。隨著高溫超導(dǎo)材料和技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)量子干涉儀(HTcSQUID)以其兼具高靈敏度和制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便、可靠性高的優(yōu)勢(shì)而得以廣泛應(yīng)用。在器件水平上，低溫SQUID 的磁場(chǎng)靈敏度的指標(biāo)可達(dá)10-15T 量級(jí)，HTcSQUID 磁場(chǎng)靈敏度也可達(dá)10-14T 量級(jí)。

若采用HTc SQUID 作為長(zhǎng)波信號(hào)的接收天線，則單個(gè)HTc SQUID 器件的接收靈敏度即可達(dá)到10-14T，完全能夠收到水下的長(zhǎng)波信號(hào)強(qiáng)度。目前采用SQUID 器件制作的超導(dǎo)天線驗(yàn)證模型長(zhǎng)度不超過10 cm，其靈敏度已基本接近10-14T，如果能進(jìn)行水下接收驗(yàn)證試驗(yàn)，則可說明超導(dǎo)磁性天線可以代替現(xiàn)有的拖曳天線，有望克服現(xiàn)有裝備天線的不足。

SQUID 作為UUV 長(zhǎng)波接收天線，首先要采取溫度控制技術(shù)解決其本身超導(dǎo)的問題;另外，當(dāng)天線處于較大深度時(shí)，大氣噪聲衰減較大，熱噪聲和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)。

SQUID 作為長(zhǎng)波信號(hào)接收裝置具有最小的體積和最高的靈敏度，但其設(shè)計(jì)開發(fā)較為困難，SQUID 裝置的低溫保存技術(shù)、三軸傳感器的正交性設(shè)計(jì)、后續(xù)的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。但有理由相信，隨著超導(dǎo)技術(shù)迅速的發(fā)展，將SQUID 技術(shù)應(yīng)用于水下長(zhǎng)波信號(hào)接收系統(tǒng)中的時(shí)間并不遙遠(yuǎn)。

2.3 長(zhǎng)波信號(hào)磁性接收天線

長(zhǎng)波發(fā)射天線輻射效率極低，能夠輻射到信道中的信號(hào)強(qiáng)度非常有限，并且信號(hào)從大氣進(jìn)入海水中和在水下傳播都會(huì)產(chǎn)生較大的衰減，導(dǎo)致到達(dá)水下接收點(diǎn)的長(zhǎng)波信號(hào)十分微弱。采用磁性天線接收水下長(zhǎng)波信號(hào)，首先要求天線具有較高的靈敏度，同時(shí)，還要考慮天線的工作頻帶應(yīng)包含長(zhǎng)波信號(hào)的頻率范圍。磁性天線由前端感應(yīng)線圈以及后續(xù)調(diào)理和放大電路組成，后續(xù)放大電路是在前端感應(yīng)線圈接收信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，因此，設(shè)計(jì)出具有高靈敏度的感應(yīng)線圈是設(shè)計(jì)磁性天線的基礎(chǔ)。研究磁芯和線圈各參數(shù)與天線靈敏度和天線的頻率響應(yīng)的關(guān)系，找出其存在的規(guī)律，從而較好地設(shè)計(jì)出在需要頻帶內(nèi)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(shù)，并找出對(duì)天線各指標(biāo)的影響情況是1 項(xiàng)十分重要的工作。

磁性天線的前端感應(yīng)線圈棒由骨架、線圈和磁芯3 部分組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 感應(yīng)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(qiáng)度且具有良好的穩(wěn)定性;線圈要求材料本身的電阻率較低，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在一般情況下有較好的耐腐蝕性;磁芯一般采用高磁導(dǎo)率的軟磁材料加工而成。磁芯置于骨架內(nèi)部，線圈繞于骨架上。

當(dāng)磁性天線放于交變的外磁場(chǎng)中時(shí)，其前端的感應(yīng)線圈棒兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，設(shè)磁性天線的感應(yīng)線圈棒置于H(t)=H0sinωt 的外磁場(chǎng)中，不考慮外磁場(chǎng)與天線之間的夾角，則感應(yīng)線圈棒兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

式中:f 為交變磁場(chǎng)頻率;N 為線圈匝數(shù);S 為磁芯橫截面積;μe為磁芯的有效磁導(dǎo)率，當(dāng)為空心線圈時(shí)，μe為真空相對(duì)磁導(dǎo)率;H0為交變磁場(chǎng)幅值。可見，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shù)、磁芯有效磁導(dǎo)率以及通過線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，式中負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)，必須在設(shè)計(jì)天線時(shí)重點(diǎn)考慮S、N、μe3 個(gè)參數(shù)。制作出的測(cè)試樣機(jī)實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 長(zhǎng)波磁性接收天線實(shí)物

2.4 不同天線的比較

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

2)SQUID 作為長(zhǎng)波信號(hào)接收裝置具有最小的體積和最高的靈敏度，但其設(shè)計(jì)開發(fā)較為困難，SQUID 裝置的低溫保存技術(shù)、三軸傳感器的正交性設(shè)計(jì)、后續(xù)的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3)磁性天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合自適應(yīng)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(zhǎng)波信號(hào)接收天線。

3 結(jié)束語

本文討論了將長(zhǎng)波通信技術(shù)應(yīng)用于UUV 時(shí)的通信方式，分析了適合直接安裝在UUV 上的長(zhǎng)波接收天線形式，分別對(duì)磁性天線，電極對(duì)天線、超導(dǎo)量子干涉器的組成結(jié)構(gòu)、接收性能及直接安裝在UUV 上實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收的可行性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:磁性天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可作為安裝在UUV 上的長(zhǎng)波信號(hào)接收天線。

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