楊立健

[摘 要]海洋環(huán)境水下電磁傳播是艦船及其他武器裝備之間進行通信指揮和水下探潛的重要渠道。本研究工作通過建立水下垂直梯度的電磁環(huán)境模型和電磁波傳播模型的方法，進行如下三個方面的研究：海水電磁波傳播模型，海底電磁散射和海水電磁波傳播干擾因素模型。

[關(guān)鍵詞]水下電磁通信 海洋環(huán)境 影響研究

中圖分類號：F426.91 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）07-0296-01

1.概述

水下電磁波傳播的研究對于水下通信指揮系統(tǒng)的建立至關(guān)重要。經(jīng)過40多年的研究發(fā)展，海洋電磁波傳播的研究已經(jīng)比較成熟，西方國家利用水下特殊的電磁環(huán)境進行相關(guān)武器的研發(fā)也很有成效[1]。

本研究工作通過建立水下垂直梯度的電磁環(huán)境模型和電磁波傳播模型的方法，進行如下三個方面的研究：

a. 海水電磁波傳播模型：研究海水流動海水電磁性能參數(shù)的不同對電磁波傳播的影響。

b. 海底電磁散射背景庫：研究海底地理地貌對電磁波的反射、散射規(guī)律，并開展建立海底地貌雷達電磁散射庫的研究，用以完整描述海底地貌的電磁散射特征。

c. 海水電磁波傳播干擾因素模型：研究海上作戰(zhàn)平臺（艦艇、潛艇）旋轉(zhuǎn)葉片對電磁波傳播產(chǎn)生的頻率調(diào)制效應(yīng)對水下電磁信號傳播的影響。

對于理論研究的驗證，目前國外主要采用仿真計算和典型環(huán)境的實驗測試。國外在水下電磁環(huán)境的仿真計算方面非常先進，在大型計算機上，使用專門研發(fā)的求解器，可以直接對具體的水下電磁環(huán)境進行仿真計算，根據(jù)仿真計算結(jié)果對理論研究的成果進行檢驗和校準[2]。

2.研究內(nèi)容

2.1 海水電磁波傳播模型

海水電磁傳播模型描述了真實海水中電磁波傳播的規(guī)律。通過對典型海水模型的大量仿真計算，分析并總結(jié)海水電磁傳播模型。根據(jù)文獻公布的實際數(shù)據(jù)，可以對此傳播模型進行驗證。

海水具有較高的介電常數(shù)，并且海水具備一定的導(dǎo)電性能，這些特點使得電磁波在海水中傳播時有很大的損耗。為了降低損耗，海水中的電磁通信一般使用較低的頻率，比如1MHz以下的頻率。

然而從海水表面到海水深處的電磁波傳播不僅要考慮到海水本身的電磁特性，還要考慮海水電磁特性的變化，即不同深度的海水具備不同的電磁參數(shù)，即不同的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。實驗證明，海水總電導(dǎo)率σ？為離子電導(dǎo)率和偶極電導(dǎo)率之和[3]。通常用經(jīng)驗公式計算海水的離子電導(dǎo)率，它表示為鹽度和溫度的函數(shù)。海水的偶極電導(dǎo)率與頻率有關(guān)。當(dāng)頻率低于 109Hz、溫度為17°C時，標(biāo)準海水的電導(dǎo)率為4.54～4.81西/米，是銅的10-7倍，玻璃的1012倍，而比一般湖水或河水大千倍以上。海水的介電常數(shù)與鹽度、頻率和溫度的關(guān)系，還只有半經(jīng)驗公式。當(dāng)頻率小于109Hz、溫度為 17°C時，標(biāo)準海水的相對介電常數(shù)約為81.5。

這里的研究將海水分成若干層，計算電磁場在海水中傳播受到不同層海水的影響。經(jīng)過詳細的仿真研究，下面將1000米深的海水按照單層、兩層和四層進行計算，發(fā)現(xiàn)海水電磁參數(shù)在深度上的變化對于電磁波在海水中的傳播影響非常大。

此仿真假設(shè)在海面有一個發(fā)射天線，主波束垂直向海洋深處傳播。海水的電磁參數(shù)隨著深度的增加在不斷發(fā)生改變。

如下圖是海水按照單一層計算后得到的電場分布，即1000米深的海水具備相同的電磁參數(shù)（介電常數(shù)為81，電導(dǎo)率為4）：

如下圖是將海水分為兩層之后的計算結(jié)果，最上層海水介電常數(shù)為81和電導(dǎo)率為4，下層海水介電常數(shù)為89，電導(dǎo)率為6.8：

根據(jù)以上計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，海水在深度方向電磁參數(shù)的變化對電磁波在海水中的傳播有很大的影響，我們在研究海水中電磁通信信號的傳播的時候，必須要考慮到海水在深度方向上電磁性能的變化。

2.2 海底電磁散射背景庫

海底電磁散射背景庫主要描述了各種海底場景，通過對不同場景的調(diào)用，可以得到電磁波傳播受到的不同影響。海底有若干種典型地理環(huán)境，根據(jù)仿真計算建立起來的此海底電磁散射背景庫應(yīng)可以很好的反映出各種典型環(huán)境。

如果海洋較深，潛艇或者探測器無法下潛到這樣的深度，或者電磁信號無法傳輸?shù)竭@樣的深度，就不需要考慮海底地形對電磁傳播的影響了。但是如果海洋底部深度不深，通信信號足夠作用到這樣的深度，則需要考慮海底地形對電磁信號的影響。

這種影響主要是海底不同的幾何外形對電磁波造成的不同的反射。經(jīng)過計算，可以觀察不同海底地形對電磁傳播的影響。如下圖是平坦的海底地形附近的電磁波場分布：

如下圖是波浪形海底對電磁波傳播的影響：

如下圖是斷崖式地形對電磁傳播的影響：

由以上仿真計算結(jié)果可以看出不同的地形對電磁傳播在海洋中的傳輸有很大的影響。大致歸結(jié)為平坦式海底（海底平原）、波浪形海底（海底丘陵）、斷崖式海底（大陸架邊緣）、這幾種典型地形。

3.結(jié)論

本文使用數(shù)值計算方法對海洋中電磁傳播中的三個方面進行了仿真研究。發(fā)現(xiàn)海水的分層模型、海底地形以及大型人工目標(biāo)對電磁波的傳播有著非常深刻的影響。要掌握海水中的電磁通信規(guī)律，就必須整理這些條件對電磁波傳播的影響規(guī)律，在實際的工程設(shè)計中，才能得到更好的結(jié)果。

參考文獻

[1] 何繼善，鮑力知，海洋電磁法研究的現(xiàn)狀和進展，《地球物理學(xué)進展》， 1999， 第1期：7-39.

[2] 王堃鵬，基于MPI的海洋可控源電磁法自適應(yīng)有限元2.5D正演研究，《成都理工大學(xué)》，2014.

[3] 余艷平，海底大地電磁數(shù)據(jù)處理方法研究，《成都理工大學(xué)》，2012.