CN104618032B - 一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，包括一个或多个水声‑电磁波潜标和一个监控平台，水声‑电磁波潜标将水声传感器接收的水下装置的水声信号先转换成电磁信号，主要经过导电率较小的介质中电磁波的侧面波传播路径传输到监控平台被接收；反过来，监控平台发射的电磁波控制信号经过类似的链路传输到水声‑电磁波潜标。

Description

一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法

技术领域

本发明属于海洋工程、海洋环境监测、水下无线电通信技术领域，具体涉及一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，利用电磁波实现水下信号隐蔽、安全、跨海水－空气界面无线传输的有效方法。

背景技术

水下导航与通信、海洋中的信息与数据的跨界面传输、对海洋环境和港口及海岸线的实时监控等技术手段对国民经济的发展和军事应用有重要的价值。它们促使人们研究信息以合适的载体在海水、海水－空气界面、大气中安全、实时有效的传输。未来的海洋开发更需要构建水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Network)，从而对于信息传输的实时性、准确性、高效性、及多介质中传输的需求更是不可避免的。令人遗憾的是，由于复杂多变的海洋环境，人类活动及海洋生物的干预，海水中的悬浮物质等使得目前的各种信息传输技术与方法都不能完全应对这种挑战。

在专利文献的检索中，关于水下或跨海水－空气界面无线通信的方法，检索到五个专利。其中涉及水声通信，检索到两个美国专利：US 6,130,859A，Method and apparatusfor carrying out high data rate and voice underwater communication和US 4,975,890A，Underwater sound transmitting system。关于水下光波通信检索到两个中国专利：CN 103,095,380A，水下无线光通信装置及其方法，CN 201,110,038,544，LED光源水下短距离数据通信的方法及系统。关于水面通信浮标，检索到一个中国专利CN 102,122,003B，一种远距离水声通信的方法和装置。根据专利和文献的分析及现有技术的使用，信息在海水中或跨海水－空气界面传输方法主要有以下几种：

第一种：水声通信方法。这种方法是通过水声信道(海洋)，把水声信号由甲地传往乙地。此种方法的最大特点是信号传输全过程是在同一媒质(海水)中进行的，例如潜艇之间、潜艇与水面舰之间、蛙人之间的水声通信就是这种方法的典型应用。优点是通信距离远、可靠性高、技术成熟、广泛应用。水声通信方法的缺点是水声信道传输带宽有限、传输时延长、传输速率低，其传输速率随着距离的增大而降低。此外受海洋环境噪声以及浅海多途效应的影响大，难以跨越海水－空气界面进行传输也是限制其发展的重要因素。

第二种：光波通信方法。这种方法是利用海水中某几个频段的光波衰减小，如波长在450～550纳米波段的蓝绿激光，通过类似于大气中的透光窗口，使得信息能够跨越海水—空气界面在海水中实现高速、大数据量通信。光学系统最大的局限是极易受到海水中悬浮物质的影响，在能见度很低的浑浊海水中，利用光波进行通信时，传播距离通常限制在几米的范围内。

第三种：无线电浮标中继传输方法。这种方法是借助浮标构成一个水上无线电通信链路，将水声传感器采集的水声信号调制成无线电信号，从天线辐射出去，由此实现海水－空界面的跨越，并通过空中信道传到远端。例如无线电声纳浮标和一些水声遥测系统通过UHF/VHF或HF无线电波把水声信号传到飞机或水面平台或陆上基地进行信息处理。浮标传输方法的缺点是使用的载波频率高(UHF/VHF/HF)，它们只能作短距离的视线无线电传输。更重要的是，浮体位于海面之上，易被航行的舰船或作业渔船干扰和捕获，从而大大降低了其隐蔽性和安全性。

以上分析表明，现有的各种水下或跨界面信号传输技术与方法，不是通信速率上不去、容量小、距离近、易受海洋环境的影响，就是应用成本高、采用中继、部署不灵活。其它的挑战还包括水下无线通信的安全性、隐蔽性、可靠性、稳定性和通信设备小型化以及降低使用成本的要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有水下无线通信方法的实时性差、界面影响大、隐蔽性差、通信速率低的严重缺点，本发明提出一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，该系统及方法基于电磁波在海水－空气组成的分层导电介质中的传播特性，利用了侧面波成分，有效避免了电磁波在海水中直接传播时的巨大衰减，从而增加了传播距离。

技术方案

一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统，其特征在于包括水声-电磁波潜标和监控平台，其中水声-电磁波潜标位于海面下，监控平台位于水面或陆上或水下；所述的水声-电磁波潜标包括标载水声传感器、标载水声信号预处理器、标载调制解调器和标载中低频电磁波天线，标载水声传感器将水声信号转换成电信号，标载水声信号预处理器完成电信号的放大、滤波、增益控制、数字化与格式化，标载调制解调器将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上，标载电磁波天线经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径收发电磁波信号；所述的监控平台包括监控电磁波天线、监控调制解调器和监控处理器，监控电磁波天线接收来自水声-电磁波潜标的电磁波信号，并向水声-电磁波潜标发送控制命令，监控调制解调器解调与解码水声信号，监控处理器完成所需的各种水声信号处理计算和目标信息显示与系统控制。

所述的水声-电磁波潜标为一个或多个。

所述的标载水声传感器采用水平/垂直线列阵、扩展圆柱阵或体积阵、低频大孔径分布式随机阵。

所述的标载电磁波天线、监控电磁波天线采用电偶极子天线或磁偶极子天线。

所述的标载调制解调器和监控调制解调器采用模拟或数字的调制解调方式。

一种利用跨海水－空气界面的电磁波传输系统实现的电磁波传输方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：标载水声传感器接收海洋中的水声信号并将水声信号转换成电信号；

步骤2：标载水声信号预处理器对电信号进行放大、滤波、增益控制、数字化与格式化；

步骤3：标载调制解调器将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上；

步骤4：标载电磁波天线将产生的中低频电磁波信号发射出去，中低频电磁波经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径到达监控电磁波天线；

步骤5：监控调制解调器将接收到的中低频电磁波信号进行解调与解码，提取水声信息；

步骤6：监控处理器对提取的水声信息进行处理计算、信息显示。

有益效果

本发明提出的一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)能够克服现有水声通信方法的严重缺点(隐蔽性差、跨界面难、实时性差、声传播速度低)，提供一种直接用电磁波跨越水－空界面，主要以空气中的侧面波成分传输，可广泛应用于水下－水下、水下－水面、水下－陆上的水声信号传输的技术与方法。

2)提供一种较远距离无线通信方法，使得均位于海底的装置之间可以利用电磁波的海底侧面波成分进行有效的通信或数据传输。避免了海底线缆的铺设，海洋环境的波动性和海底环境的复杂性导致的有物理联结的通信手段的不便性和不稳定性。

3)能够扩展构建成水下无线传感器网络，提供一种能有效增强未来水下通信网络节点能力的技术与方法，以大大增加水下通信的带宽、通信速率和覆盖面。

4)相比现有的水下有线传输、浮标中继传输，提供一种有较好安全性和隐蔽性，以及便利性的水声信号传输方法。

5)能够提供一种使得水下通信设备部署灵活、使用方便、成本低廉、维护简单的技术与方法。

附图说明

图1：常规水声信道、有线电或浮标中继方式实现水声信号远距离传输的方法

图2：采用跨海水－空气界面的电磁波传输方法

图3：跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法

1-潜标；2-标载水声传感器；3-标载水声信号预处理器；4-标载调制解调器；5-标载中低频电磁波天线；6-监控电磁波天线；7-监控调制解调器；8-监控处理器。6示意的两种天线位置(实线和虚线)表示接收天线可放置在水面或者水下。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的思想是利用基于海面侧面波传播的电磁波来弥补传统的有线方式(如电缆或光缆)、无线方式(如水声信道)、海面中继方式(如无线电浮标)传输水声信号时的缺陷。

电磁波在海水中直接传播时会产生巨大的衰减，并且频率越高，衰减越大；但是当电磁波在海水－空气两层介质中传播时，存在这样一种侧面波分量，假设辐射源位于海水中，其产生的电磁波先是从场源垂直往上传播至海水－空气界面，然后沿界面上侧水平向远处传播；若接收点在空气中靠近海面的位置，那么直接传播到接收位置；若接收点在海水中，那么待电磁波传播到达接收点上方后再垂直往下跨过空气－海水界面传播至接收点。该侧面波分量由于利用了界面上方的空气路径，海水的吸收衰减只表现在水下发射和水下接收这两段距离上，可以有效避免其完全在海水中直接传播时的巨大衰减。

当辐射源位于海水中，海水中某处的电场和磁场分量有如下的形式

其中E、H为电场和磁场分量，z为接收点的深度，d为辐射源的深度，ρ为收发点之间的水平距离，γ为关于海水中的传播常数和积分变量λ的函数。被积函数中的第一项表示海水中的直达波分量，第二项表示海面理想反射波分量，第三项表示海面侧面波分量。若是再考虑海底介质的话，还应该包含海底理想反射波分量和海底侧面波分量。当发射和接收装置靠近海面时，应当重点关注空气中侧面波分量，当发射和接收装置靠近海底时，应当重点关注海底侧面波分量。

这种发明思想可以结合附图1、附图2加以说明。为了比较本发明与现有方法的区别与联系，附图1表示了现有的三种可能的方法，附图2表示了本发明方法。在本发明方法中水声信号不再借助传统的水声信道传输，也不借助一般的浮在海面的无线电浮标或有线方式传输，而是首先利用悬浮在水下的潜标将水声信号转换成中低频的电磁波信号，然后直接跨越海水－空气界面，再借助靠近海面的侧面波传输路径把载有水声信息的电磁波信号传到远处。由于中低频电磁波在海水中有较小的衰减，并且能够直接跨越海水－空气界面后利用侧面波路径传播，所以本方案能够实现水声信号的隐蔽、便捷、实时、较远距离传输，还可以方便地实现多个节点的组网。具体步骤如下：

步骤1：标载水声传感器接收海洋中的水声信号并将水声信号转换成电信号；

步骤2：标载水声信号预处理器对电信号进行放大、滤波、增益控制、数字化与格式化；

步骤3：标载调制解调器将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上；

步骤4：标载电磁波天线将产生的中低频电磁波信号发射出去，中低频电磁波经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径到达监控电磁波天线；

步骤5：监控调制解调器将接收到的中低频电磁波信号进行解调与解码，提取水声信息；

步骤6：监控处理器对提取的水声信息进行处理计算、信息显示。

附图3描述本方案由一个或多个水声-电磁波潜标A和一个监控平台B组成，水声-电磁波潜标A位于海面下，其功能是实现水声信号的获取、水声信号与电磁信号的相互转换、信号的调制、以及电磁波信号的收发；监控平台B可以位于水面或岸上(实线表示的监控天线6)，或者水下(虚线表示的监控天线6)，其功能是完成电磁波信号的收发、水声信号的解调和信息处理、显示以及逆向的对每个发射端的状态控制。水声-电磁波潜标A、监控平台B二者相距一定的距离。水声-电磁波潜标A将水声传感器接收的水下装置的水声信号先转换成电磁信号，主要经过导电率较小的介质中电磁波的侧面波传播路径传输到监控平台B被接收；反过来，监控平台B发射的电磁波控制信号经过类似的链路传输到水声-电磁波潜标A；电磁波传输链路中的无线电信道的主要传输媒介为相比海水电导率较小的空气(或者海底)。

水声-电磁波潜标A由标载水声传感器2、标载水声信号预处理器3、标载调制解调器4、标载中低频电磁波天线5组成。标载水声信号预处理器3和标载调制解调器4组成了潜标1，标载水声传感器2和标载中低频电磁波天线5分别联接到潜标1的下方和上方，并且均位于海面以下。监控平台B进一步由监控电磁波天线6、监控调制解调器7、监控处理器8组成。连接水声-电磁波潜标A、监控平台B的是靠近海面的电磁波侧面波传输路径。

上述系统中的水声-电磁波潜标A中：潜标1是水下系统，对它的基本要求是具有观测时间长、隐蔽、测量不易受海面气象条件影响、可根据实际需要调节深度的功能，此外要便于布放和回收。标载水声传感器2决定着本发明的应用方向与范围，它可以采用不同的设计方案，例如水平/垂直线列阵、扩展圆柱阵或体积阵、低频大孔径分布式随机阵等等。对标载电磁波天线5的基本要求是磁偶极子天线、尺寸小、重量轻、便于布放与回收，此外还要绝缘、密封防水，最典型的应用是采用环形天线。对监控电磁波天线6的基本要求是磁偶极子天线、尺寸小、重量轻，也要绝缘、密封防水。除了上述特需的专门设计之外，其余包括水声-电磁波潜标A、监控平台B中的各个部件，几乎都可以依靠常规的水声/无线电/电子技术来实现。

标载调制解调器4的载波频率为中低频频率，范围为几百赫兹～几兆赫兹，该频段的电磁波完全可以作为水声信号中的绝大部分典型信号的载波，或是控制信号、指令信号等。系统的数据传输速率根据信道特征、信号强弱、工作频率、作用距离来确定，如系统工作距离在公里级时，数据的传输速率只能达到几个～几百bit/s，工作距离在百米级时，数据率可达几百～几千bit/s，若工作距离在米级时，数据率能达到兆bit/s以上。系统发射功率须根据信道特征、信号强弱、距离远近进行设置，范围在1W～1000W之间。

水声-电磁波潜标由标载水声子系统和标载电磁波子系统组成；标载水声子系统是由标载水声传感器和标载水声信号预处理器组成：标载水声传感器2将水声信号转换成电信号，水声信号预处理器3完成电信号(模拟信号)的放大、滤波、增益控制、数字化与格式化；标载电磁波子系统由标载调制解调器4和标载电磁波天线5组成：标载调制解调器4将格式化的水声信号调制到中低频的电磁波信号上，标载电磁波天线5经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径收发电磁波信号。

监控电磁波天线6的功能是从靠近海面的侧面波传输路径(或者为侧面波路径+一段海水传输路径)中接收来自水声-电磁波潜标的电磁波信号，并向水声-电磁波潜标发送控制命令；监控调制解调器7的功能是解调与解码水声信号；监控处理器8的功能是完成所需的各种水声信号处理计算和目标信息显示与系统控制。

为了保证远距离传输信息的正确性，标载调制解调器4和监控调制解调器7可采用模拟或数字的调制解调方式，如双边带(DSB)、单边带(SSB)、残留边带(VSB)等模拟调制，以及振幅键控(ASK)，频率键控(FSK)、相移键控(PSK)等数字调制方式。

水声-电磁波潜标和监控平台在海水中的布放深度可根据实际的应用以及工作频率来确定，这两个深度决定了海水对电磁波传播的直接吸收损耗，例如1kHz的电磁波在海水中的衰减约为1.1dB/m，而1MHz时，衰减增大到35dB/m，因此应用背景决定了布放深度，从而决定了工作频率。

标载电磁波天线5和监控电磁波天线6可采用典型的电偶极子天线或磁偶极子天线，由于电磁波在海水中传播时波长会有大幅度的缩短(1kHz时海水中波长50m，只是空气中的1/6000)，因此天线的尺寸也会相应的大幅减小，同时由于海水的导电性和腐蚀性，天线必须做绝缘和密封防水处理。

该电磁波传输系统不仅用于传输水声信号，还可以用于海面平台或陆地基站对海洋进行遥测，对水下无人航行器的控制与导航，海底基站间的数据交互，海底基站与水下无人航行器之间的数据交互等其他领域。

多个水声-电磁波潜标能够扩展构建成水下无线传感器网络，提供一种能有效增强未来水下通信网络节点能力的技术与方法，以大大增加水下通信的带宽、通信速率和覆盖面。

本发明的一些可能的主要应用方式如下：水下信息的无线、安全、隐蔽传输，如海洋潜标数据的跨界面传输，水下无人航行器之间、水下无人航行器与海面/海底基站间的数据交互或通信，或海底基站间的通信；大范围的水下无线传感器网络的构建；水下目标的电磁信号的接收、识别与分析；水下信息多节点中继的超远距离隐蔽传输等。

以上所述，仅说明本发明的原理及其功效，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。

Claims (2)

1.一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统，其特征在于包括水声-电磁波潜标和监控平台，其中水声-电磁波潜标位于海面下，监控平台位于水面或陆上或水下；所述的水声-电磁波潜标包括标载水声传感器(2)、标载水声信号预处理器(3)、标载调制解调器(4)和标载中低频电磁波天线(5)，标载水声传感器(2)将水声信号转换成电信号，标载水声信号预处理器(3)完成电信号的放大、滤波、增益控制、数字化与格式化，标载调制解调器(4)将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上，标载中低频电磁波天线(5)经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径收发电磁波信号；所述的监控平台包括监控电磁波天线(6)、监控调制解调器(7)和监控处理器(8)，监控电磁波天线(6)接收来自水声-电磁波潜标的电磁波信号，并向水声-电磁波潜标发送控制命令，监控调制解调器(7)解调与解码水声信号，监控处理器(8)完成所需的各种水声信号处理计算和目标信息显示与系统控制；所述的标载水声传感器(2)和标载中低频电磁波天线(5)分别联接到潜标的下方和上方，并且均位于海面以下；

所述的水声-电磁波潜标为一个或多个；所述的标载水声传感器(2)采用水平/垂直线列阵、扩展圆柱阵或体积阵、低频大孔径分布式随机阵；所述的标载中低频电磁波天线(5)、监控电磁波天线(6)采用电偶极子天线或磁偶极子天线；所述的标载调制解调器(4)和监控调制解调器(7)采用模拟或数字的调制解调方式。

2.一种利用权利要求1所述的跨海水－空气界面的电磁波传输系统实现的电磁波传输方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：标载水声传感器(2)接收海洋中的水声信号并将水声信号转换成电信号；

步骤2：标载水声信号预处理器(3)对电信号进行放大、滤波、增益控制、数字化与格式化；

步骤3：标载调制解调器(4)将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上；

步骤4：标载中低频电磁波天线(5)将产生的中低频电磁波信号发射出去，中低频电磁波经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径到达监控电磁波天线(6)；

步骤5：监控调制解调器(7)将接收到的中低频电磁波信号进行解调与解码，提取水声信息；

步骤6：监控处理器(8)对提取的水声信息进行处理计算、信息显示。