基于电流场理论的水下及地下电磁通信技术研究.doc.docVIP

PAGE  PAGE 5 项目名称基于电流场理论的水下及地下电磁通信技术研究项目目的和意义海洋覆盖着地球三分之二的表面积，它是人类探索和研究的最前沿的领域之一。进入21世纪以来,对海洋资源的研究和开发已经越来越引起人们的关注,尤其是在水下考察、水下管道、水下设施、防波堤坝、码头的建设及维护过程中以及水下救生、打捞过程中，往往需要潜水员潜到水下进行作业，这样一来水下通信系统也就越来越显出其重要性。基于电流场理论的水下及地下电磁通信系统是比较有发展前景的一种近距离水下通信形式。水下电流场通信是低噪声系统,完全可以实现近距离的水下无线通信,而且由于水下的电噪声非常低,与水声通信相比,利用水下电流场实现水下近距离的无线通信具有一定的优势。水下电流场通信在近距离浅海通信中的优势体现在以下几点： 1) 由于海水温度或密度变化以及障碍物引起的反射和折射,水声通信存在多径效应和盲区等方面的问题,在海水介质分层明显的区域,往往很难通信。电流场通信根本不存在这些问题,传输信号稳定,更不会因为海水分层而突然中断。 2) 海水对电磁波的吸收、反射和折射较大,频率越高,衰减越大,在高密度区域往往通信比较困难。 3) 与水声通信相比,水下电流场通信是低噪声系统,原则上,在不增加功率的条件下,增加电流,可以扩大有效通信范围，而水声信道是一个复杂的时变空变信道，往往会产生传播损失、多径传播及随机起伏现象。 4) 电流场通信方式既实现了无线通信又不必架设庞大的天线,简便而具有相当的灵活性。 该系统相对于声呐通信的优点在于：语音清晰度高，没有回响，在存在海藻，暗礁，水下声速分层情况下与同伴仍能保持通信，与潜水员之间的相对方位关联性小。 海水中含多种元素，但在每升海水中含量超过1 毫克的仅12 种（除水中的氢和氧外），它们以多种形式存在，绝大多数处于离子状态，其中Na+ ，K+ ，Ca+ ，Mg+ ，SO4- ，CO3- ，CI- ，HCO3- 8 种离子占海水中溶质总量的99%以上，这是使海水成为导体的主要原因，其电导率随海区盐度、深度、温度而不同，它高于纯水的电导率5－ 6 个数量???。所以对平面电磁波传播而言海水是有耗媒质，这就决定了平面电磁波在海水中的传播衰减较大。也正是由于海水的这种导电性使得基于电流场的传导电流实现近距离的水下电磁通信成为可能，并且相对于水声通信具有其独特的优越性。 河流及湖泊的导电性能与海水相比要差得多，但利用磁性线圈天线来实现淡水中的通信是完全可能的，我们前期的实验已经证实了这一点。 该项目的研究成果在民用方面可用于水下潜水员之间、岸基站与潜水员之间、舰船与潜水员之间的通信联络，在军用方面可用于水下蛙人部队之间的通信联络。另外，对于水下无线电磁数字通信技术，在接上传感器的情况下，还可应用于河流、湖泊及海洋的水文环境的调查。 项目主要实施的内容（包含理论依据、技术指标）1．理论论述 当电流或电场随时间发生变化时,传导电流和位移电流就必须同时考虑到。在海水中,位移电流可以被忽略,主要以传导电流为主。海水中的电流场为准静电场。电介质的静电场和导体中的恒流场具有相似的特性,因此可以利用静电场与恒流场的对偶原理,得到电流场在海水中的场特性和传播规律。如图1所示，在均匀介质中相距为d的电偶极子中电流为I0，则在P点产生的电场强度为 对于均匀介质来说，＝0。 其中，r为到观测点的距离，θ为方位角，，为单位方向向量。 图1 电流为I0时电偶极子电场强度示意图 当P点位于电偶极子对称轴上的时候，也就是时，此时电场强度为 因此，相距为d′的接收电极的电压差为： 以上就是电流场与接收电压的关系式，利用以上关系式即可恢复出所传送的信息。 2．电偶极子天线及磁性线圈天线的制作与优化 在海水情况下，由于电阻非常小，电偶极子天线两个电极间的电压小，因此主要应用电偶极子天线；在淡水情况下，由于电阻比海水中的电阻大的多，电偶极子天线两个电极间的电压比较大，对潜水员的影响较大，因此主要应用磁性线圈天线。关于电偶极子天线及磁性线圈天线的制作工作已经基本完成，但天线参数的优化及匹配方面的工作尚未完成，计划在2010年10－11月份完成。 3．基于电流场理论的水下潜水员电磁通信技术的模拟原理样机开发 潜水员用水下电磁模拟通信系统可以达到的技术指标： 调制频带为300-3000赫兹的声频段。通讯距离（潜水员对潜水员）70–80米，浅水区（深度20米以内）－大于100米。岸上与潜水员－大于500米。 如果岸上发射方采用250米长的电偶极子天线（末稍加上金属板的导线），接收端为2米长的偶极子电极，发射功率不超过5瓦的情况下，可保证单方通信距离2公里。 水上站： - 最大输出电流