基于水下電流場的近距離通信技術研究

一、引言

隨著海洋資源的深度開發與探索，UUV、AUV等水下航行器得到了更加廣泛的應用，針對這些水下平臺的近距離通信與控制設備研究的重要性日益凸顯。在水下通信領域，常用的通信方式，如水聲通信、無線光通信、無線電通信，存在傳輸路徑復雜、傳輸速度較慢、傳輸時延大等問題，難以滿足多樣化的通信保障需求。因此，研究一種基于水下電場的近距離通信途徑，分析其系統研發的主要技術，成為水下通信領域的必然要求。

二、水下電流場通信技術分析

當前，水下通信技術主要包括水下聲通信、水下光通信、水下電磁波通信。水下電流場通信研究歷史較長，但是，受限于傳感器和信號處理技術，其在探測領域使用較多，在通信領域使用較少。水下電流場通信利用電流作為信號傳遞載體，有效彌補了其他通信手段的不足。與水下光通信相比，其傳輸距離大、可非直線傳輸；與無線電通信相比，其通信衰減較小，傳輸距離較遠，設備體積較小，適合于蛙人、水下平臺等場景。因此，采用基于水下電流場的通信系統可用于水下近距離的平臺大容量通信和遠距離應急通信，是有效彌補水下通信領域當前主用裝設備限制的有效途徑，可提升水下通信的質量保障。

三、發展現狀

國內聚焦水下電流場探測的研究較早，但是，在電流場通信方面的研究則相對較晚。目前，主要聚焦電流場通信的傳輸性能、應用可行性。2021年，吳佳楠等利用仿生箱魚進行了水下電流場通信的設計，并研究了相應組網算法。2023年，程天相等就水下電流場通信存在的跨介質數據傳輸問題，進行有限元分析，掌握了極板大小等要素影響。2024年，付國航等就電流場的陣列極板通信系統進行了仿真，并分別從頻域和時域進行了分析。2024年，徐湛等就極低頻電流場透地通信的通信路徑損耗進行了建模與分析，并進行了TTE通信測試3。通過對國內外研究現狀的分析可以看出，目前，電流場通信的理論研究趨于成熟，研究重點逐漸以性能提升的實際應用為主，并開始擴展應用方向。由此可以看出，未來水下電流場通信在各個領域的發展趨勢會逐步加快。

四、水下電場通信原理

海水中的宏觀電流主要包括傳導電流和位移電流，但是，對于一般的通信使用場景，其使用頻率較小，所以往往會忽略其中的位移電流，主要考慮傳導電流的影響。海水屬于導電介質，當其中存在穩定的傳輸電流時，也可以忽略其中的電磁場，稱為準靜電場。電介質的靜電場和導體中的恒流場具有相似的特性，因此，可以利用靜電場與恒流場的對偶原理，得到電流場在海水中的場特性和傳播規律，原理如圖1所示

如圖1所示，在海水的均勻介質中相距為 d 的電偶極子，其中電流為 ，則相距為 的 P 點產生的電流強度為下式：

對于海水均勻介質，

其中， 為電偶極子中心到觀察點的距離， θ 為方位角， r 和 θ 是單位向量， Δ 為系統工作頻率。當 P 點位于電偶極子對稱軸上，電場強度為

因此，距離為 d 的接收電極接收到發射電流產生的電壓差為：

對基于水下電流場的通信系統而言，為保持較好的工作性能，可通過增大發射端電流強度、增大發射電偶極子距離和接收端電偶極子距離實現，同時應該降低系統的工作頻率。

五、水下電場通信關鍵技術分析

基于水下電流場的通信系統，設計總體方案如圖2所示。對于發射端，通信信號發生器用于產生一定頻率和幅度的通信信息，基于不同的場景需要，可分別采用模擬信號和數字信號兩種制式，然后根據設備大小和通信距離要求，設計功率放大器，對于近距離通信，主要考慮便攜性和安全性。接收端的主要功能是電流場信號的采集、放大、濾波等功能，因此，一個低噪聲的接收電極和放大器是利用水下電場進行通信的關鍵。同時，由水下電流場通信原理可知，發射電極發射電場的方向同樣是實現水下電場較長距離通信的關鍵。

（一）低噪聲電極

利用水下電流場電極進行信號采集，主要是測量兩個電極間電場的大小，本質是測量一段海水上的電壓（如圖3所示），電場接收電極與海水存在界面效應，其界面可簡單等效為一個液接電阻和界面電容并聯。在實際測量中，除海水中電場產生的電壓外，電極表面吸附的離子數量同樣會產生額外的電勢。當兩個電極表面因吸附離子數量不同時，兩個電極會產生電勢差，電勢差還會隨時間變化產生一定水平的電壓噪聲，從而降低接收系統的信噪比。

電極是指氧化或還原的化學反應，如 、Ag/AgCl等電極。按照電極的工作用途可將其分為工作電極、輔助電極和參比電極。參比電極主要作為電位基準使用，以測量其他電極的電勢，具有良好的電勢穩定性和可逆性，同時具有較低的噪聲，因此，在海水電流場通信方面廣泛使用參比電極作為探測電極。

目前，國內外進行電流場通信所使用的電極主要有Ag/AgCl和碳纖維兩種電極。國內主要使用 作為探測電極，極少使用碳纖維電極。 Ag/AgCl 電極在水中依靠公式（1）的可逆反應保持電位穩定。 在海水中，表面存在大量的下式反應，當反應達到平衡時，電極的電位即達到平衡。平衡時，由于參與反應的離子數量巨大，電極會產生較強的交換電流密度，交換電流密度可達到 ，電流場電壓產生的電流通常在 以下。相對于電極本身的交換電流密度較小，電極本身因表面離子變化和流過電流場電流產生的電勢變化從而維持一個高的信噪比。

然而，在電導率低的液體中或者在淡水中，由于溶液中 含量極低，電極無法建立平衡反應，電極電勢極難以保持穩定，從而降低了通信系統的信噪比。

不同于 Ag/AgCl電極，碳纖維不屬于參比電極。在國內研究方面，海軍工程大學宋玉蘇等人在研究電極在海水中的電化學過程的基礎上，提出使用外接電阻的方法消除碳纖維電極電動勢的差異，從而使碳纖維具有低噪聲的特性。目前，國內外水下電流場電極技術水平匯總如表1所示。國內電極雖然在一些指標上達到了與國外相近的水平，但尚未有產品得到大規模的應用5。可以發現 只有在海水中才能使用，其穩定時間在24小時左右，可探測的頻帶范圍寬。碳纖維在水下呈現電容特性，不發生化學反應，壽命長、易保養、穩定時間較長，但通過一定的技術手段可解決其穩定時間長的問題，可適用于應急通信。綜合比較，兩種電極技術上各有優劣，應根據不同的應用場景研究其具體的使用效能。

（二）低噪聲放大器

在水下電流場探測中，所使用的頻段主要集中在 ，普通放大器在低頻段的噪聲來源主要是 f噪聲，因此，主要使用斬波放大和自穩零技術消除低頻段的自噪聲。其中，斬波放大器可以消除準靜電流場的1/f噪聲，但其所測的頻率通常只能達到百 Hz 。目前，國內設計的斬波放大器由于電路的反饋在中間放大級，存在不穩定、線性度低等問題。

而在水下通信中，主要使用 10kHz 頻率以下的電流場，所使用的頻率類似于聲場。這也是集成放大器的頻帶范圍。目前市售放大器的集成放大器噪聲典型電壓噪聲值為 ，但是存在1/f噪聲拐點頻率高的缺點。而國外機構（斯坦福SRS儀器）利用變壓器和分立JFET搭建前置放大器的噪聲可以達到

。目前所測量的水下電流場噪聲均與所使用的放大器的噪聲水平一致。如果使用更低噪聲的放大器可以增加水下電流場的通信距離。

而碳纖維電極具有壽命長，對放大器的輸入阻抗要求低等特征。相較于JFET晶體管，其閃爍噪聲拐點頻率低，項目使用多個三極管并聯結構獲得低噪聲前置放大器，簡易結構如圖4所示。

六、結束語

水下電流場通信技術是水下通信設備的重要組成部分，對于彌補無線光通信、聲通信等缺陷具有重要作用。通過原理分析可知，該通信系統研究應使用低頻率通信信號，應采用高靈敏度的Ag/AgCl、碳纖維傳感電極和低噪聲放大器作為系統關鍵核心研究，以增強電流場通信系統的性能指標。

作者單位：張揚 紀彥達姚琦海軍士官學校信息通信系

參考文獻

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[3]徐湛，溫曉雯，張涂.極低頻電流場透地通信路徑損耗建模與分析[J].電訊技術，2024，64（03）：376-381

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