甚低頻與超低頻通信入水深度比較分析?

左 衛 闞榮才 任席闖

（1.海軍駐成都地區通信代表室 成都 434007）（2.海軍大連艦艇學院92896部隊 大連 116018）（3.91469部隊 北京 100841）

1 引言

由于海水對電磁波的衰減特性，目前甚低頻和超低頻是對水下潛艇通信的具有獨特重要的地位。甚低頻電磁波在海水中的衰減比較小，能夠穿透10多米的海水層與潛艇通信［1～2］；隨著潛艇作用的提高，反潛技術和兵力也大幅提高和擴大，潛艇在小深度上被發現的概率大大增高。為了提高潛艇的隱蔽性和生存力，能夠提供更大通信深度的通信手段——超低頻（30Hz～300Hz頻帶稱為超低頻）通信得以應用，本文介紹甚低頻通信和超低頻通信的發展過程和技術特點，以及提出改善對潛通信保障能力的建議。

2 電磁波入水傳播理論分析

在海面上，甚低頻電磁波是在地面和電離層之間傳播的，可以用波導傳播理論進行分析和計算。按波導傳播理論，電磁波在波導中以各種模式傳播。甚低頻電磁波在地—電離層形成的波導中以1階模、2階模、3階模等總多模式傳播。但高階模衰減大，所以在遠距離上主要的傳播模式是1階模。甚低頻電磁場強度的計算可以用下面的近似公式大致計算場強［3～5］，以提供大功率發信臺在遠距離上產生的場強數值的大致概念。

式（1）中Ez為海面上的垂直電場強度；P為輻射功率，單位kW；f為工作頻率，單位為kHz；d為距離，單位為km；a＝6370km，地球半徑。

通信的好壞不僅決定于接收點的電場強度，還決定于該點的噪聲。甚低頻的大氣噪聲源是雷電。地球上各個地區的雷電活動不同，噪聲也高低不同。我國南海海域噪聲比較高。各個地區一年四季的噪聲電平也不同。已經對大氣噪聲進行了廣泛的研究測量，有關數據可以從文獻［1，5］查出。在表1內列出太平洋中部幾個頻率的大氣噪聲垂直電場中值的大致數據（假定收信機的帶寬等于100Hz）。所謂中值，是指噪聲電平在50%時間內不會超過此數值。

海面上垂直電場與水平電場之間存在的關系［7～8］如式（2）：

式（2）中σ為海水的電導率。取σ＝4算出的水平電場幅度列在表1的第四行。

根據電磁場的邊界條件，水平電、磁場從海面上側過度到海面下側數值不變，而垂直電場則減小／倍。k1為海水的波數，k0為海面上空間的波數，｜為海水的電導率。由此可見，垂直電場從海面上側過度到下側時衰減非常大；因此在海水中垂直電場比水平電場小得多，可以忽略。

超低頻以下頻率的電磁波基本上是垂直地從海面往下傳播的，

E0ρ為海面上的水平電場，z（m）為海面下的垂直距離，E1ρ（z）為海面下z處的水平電場，k1為海水的波數

式（4）中α稱為相位系數，單位為rad／m；β稱為衰減率，單位為 N／m。它們的表達式［7～8］為

水平磁場的公式相同。如果衰減率β的單位改為dB／m，因為1（N／m）＝8.6858（dB／m），所以

在z（m）深處的水平電場絕對值則為

3 甚低頻與超低頻入水深度的比較

3.1 甚低頻分析

海水對電磁波的衰減是隨其頻率的降低而降低的，而且是隨深度的增加按指數規律降低的。電磁波在海水中的衰減率為［9～10］

式（7）中f為電磁波頻率，Hz；σ為海水的電導率，一般等于4s／m；μ0為海水的導磁系數，一般取μ0＝4π×10－7H／m。按式（3）計算的三個頻率的衰減率，列在表1的第五行。

電磁波從海面上往海水中傳播基本上是垂直的。從海面傳輸至深度h處，電磁波水平分量（Ex或Hy）幅度衰減的倍數為［11］

幾個不同頻率甚低頻傳播至水下不同深度處的衰減量（dB）和衰減倍數如表1所示。

表1 甚低頻海水中的衰減典型數據

3.2 超低頻極低頻分析

地面上超低頻電磁波的傳播機理與甚低頻的相同，也是在地－電離層波導內傳播的。但超低頻的主要傳播模式是0階模式，而甚低頻的主要傳播模式是1階模式，而且2階模式和3階模式也起一定作用。超低頻在地－電離層波導內的衰減率比甚低頻的略低一些。海水對電磁波的衰減是隨其頻率的降低而減小的（大致1010Hz以下頻率都是如此）。

超低頻頻段68Hz、88Hz、132Hz以及更低頻率10Hz、17Hz、23Hz六個頻率電磁波在海水中的衰減率的計算結果，以及這些電磁波穿透100m和200m海水的衰減量的計算結果如表2所示。

表2的數據清楚地表明，超低頻頻段的三個頻率穿過100m海水層受到的衰減為26～96倍，不算很大，但穿過200m海水層受到的衰減為701～9247倍，相當可觀；然而，極低頻頻段三個頻率穿過200m海水層受到的衰減比超低頻三個頻率穿過100m海水層受到的衰減小得多。

表2 海水對超低頻電磁波的衰減

因此，要實現對潛通信從100m左右深度增加至200m左右深度，工作頻率必須從超低頻降至極低頻。

4 結語

深潛潛艇的通信是一個極難解決的問題。岸基與水下潛艇（接收天線也在海面下）間的通信，目前只能用甚低頻和超低頻實現岸對潛艇的單向通信。甚低頻通信與超低頻通信比較，前者的優點是速度較高，但深度很淺；而后者是深度較深，但速度過慢。現有的超低頻通信系統，如果要實現遠距離、大深度通信，則通信速度過慢。提高通信速度有兩條途徑。第一是增加天線的長度和增大發信機功率（增大天線的電流矩或輻射功率）；第二是研究探討新的調制方式。對于200m左右深度通信，極低頻優于超低頻。如果要實現更大深度的通信，譬如200m左右的通信，則以采用更低頻率為好。

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