CN110224765B - 一种跨冰层数据无线传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种跨冰层数据无线传输的方法，电磁波信号频率为低频及以下频率，频率范围为0.5kHz～50kHz，数据终端分别位于冰层下方海水中10m以内的深度，和冰层上方的空气层。发射天线采用电偶极子天线。接收天线采用磁性天线。电偶极子天线须进行密封和防海水腐蚀处理，防止海水和天线金属部位的直接接触。电磁波信号从水下跨越冰层后传输至空气中，从而构建了水下—冰层—空气中基于电磁波的数据无线传输链路，基于该链路可以将冰层下方海水中的数据无线传输至冰层上方的空气中。接收天线采用磁性天线，可以提高电磁波信号的检测灵敏度，从而增加数据传输距离。此外，增加冰层下方海水中发射电偶极子天线的电偶极矩，可以增大空气中的传输距离。

Description

一种跨冰层数据无线传输的方法
技术领域
本发明属于跨介质无线通信，涉及一种跨冰层数据无线传输的方法。
背景技术
由于地球南北极海域具有丰富的能源和矿产资源，尤其北极地区还具有重要军事战略价值，故其逐渐成为影响世界可持续发展和人类生存的新疆域，也是未来大国之间围绕利益和影响力竞争的战略制高点，因此急需对极地海域开展深入的科学研究。海洋环境信息等水下数据是对极地海域开展科学研究的基础。但极地地区的大部分海域被海冰所覆盖，使得水下数据难以有效跨冰层进行传输。
有线方式可以实现水下数据向冰层上方的空气中传输。有线数据传输需要将接收天线(水听器)放置于水下，通过电缆连接至冰层上方的接收装置，海冰浮标即是采用了有线方式(郭井学等.极地海冰浮标的现状与应用综述.极地研究,2011,23(02):149-157.)。该种方式需要对冰层进行钻孔，在冰层厚度很大和条件恶劣的极地地区，这无疑增加了工程的复杂度，并且降低了使用的便利性。
声波是目前海水中应用最为广泛的数据无线传输载体(Stojanovic M,PreisigJ.Underwater acoustic communication channels:Propagation models andstatistical characterization.IEEE communications magazine,2009,47(1):84-89.)。但由于海水、空气和冰层之间的声学参数差异巨大，海水中的声波难以有效跨越海水—空气界面或冰层界面进行传播。因此传统的水声技术无法直接应用于跨冰层数据无线传输领域。
因此，如何构建一种有效、便利的跨冰层数据传输方式，是极地海域水下数据传输的关键问题之一。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种跨冰层数据无线传输的方法，针对水下数据跨冰层向空气中传输手段缺乏的问题。该方法实施过程中，一个数据终端位于冰层下方海水中，另一个数据终端位于冰层上方的空气中。当采用既定天线形式在某个发射深度以内时，给定频段范围内的电磁波信号可以有效跨越冰层传输到空气中，从而实现水下数据的跨冰层无线传输。
技术方案
传统观念认为电磁波在海水中传播时会产生严重衰减，频率越高衰减越大。但近年来的研究表明，电磁波信号在海水中传播时，依靠介质分界面可实现远距离传输。这是因为电磁波在分层导电介质中传播时，表面波和侧面波的存在大大增加了传播距离。例如，当电磁波收发节点靠近海面时，除了跨界面的折射波分量外，界面附近还存在沿界面传播的侧面波和表面波分量，这些分量在离开辐射源向外传播的过程中互相叠加，并在接收点位置处被接收天线俘获。由于海冰介质的电导率远小于海水(仅为海水的约1/200)，在其中传播的侧面波和表面波分量有效避免了在海水中直接传播所带来的严重衰减，可以大大增加作用距离。因此，利用电磁波可以实现跨冰层数据无线传输。
一种跨冰层数据无线传输的方法，其特征在于：数据传输采用的信号为0.5kHz～50kHz范围内的电磁波信号，采用的发送天线为电偶极子天线，接收天线为磁性天线；两个数据传输终端分别置于冰层下方海水中和冰层上方的空气层，下方海水中的数据传输终端距离海面的深度小于1 0m。
所述电偶极子天线的电偶极矩为1Am。
所述电偶极子天线或磁性天线置于海水时须进行密封和防海水腐蚀处理，防止海水和天线金属部位的直接接触。
有益效果
本发明提出的一种跨冰层数据无线传输的方法，电磁波信号频率为低频及以下频率，频率范围为0.5kHz～50kHz，数据终端分别位于冰层下方海水中10m以内的深度，和冰层上方的空气层。发射天线采用电偶极子天线。接收天线采用磁性天线。电偶极子天线须进行密封和防海水腐蚀处理，防止海水和天线金属部位的直接接触。电磁波信号从水下跨越冰层后传输至空气中，从而构建了水下—冰层—空气中基于电磁波的数据无线传输链路，基于该链路可以将冰层下方海水中的数据无线传输至冰层上方的空气中。接收天线采用磁性天线，可以提高电磁波信号的检测灵敏度，从而增加数据传输距离。此外，增加冰层下方海水中发射电偶极子天线的电偶极矩，可以增大空气中的传输距离。
在本发明中，水下数据借助电磁波信号及其跨界面传播的性质实现数据的跨冰层无线传输。冰层的厚度基本不影响跨界面传输的性能。通过计算机数值仿真给出了冰层下方水平电偶极子辐射的电磁波跨越冰层传播的一组性能曲线。结合空气中电磁场的噪声门限来看，本发明提出的方法可以实现冰层下方数据的跨冰层无线传输。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种冰层上下数据无线传输的方法，即无需凿穿冰面即可将水下数据传输至冰层上方。
2、本发明提出的基于电磁波的跨冰层数据无线传输方法，能够弥补现有水声通信方法的缺陷，如难以跨越海洋界面、传播速度慢、传输带宽和数据率低、多途效应严重等。
附图说明
图1；跨冰层数据有线传输方式示意图
图2；冰层覆盖的海洋环境中水下声传播示意图
图3；本发明提出的跨冰层数据无线传输方法示意图
图4；本发明提出的电磁波跨冰层(10m厚冰层)传播的频率变化响应
图5；本发明提出的1kHz电磁波跨冰层(10m厚冰层)传播磁场衰减曲线
图6；本发明提出的电磁波跨冰层传播时冰层厚度的影响
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电磁波在分层导电媒质中传播时的跨界面传播性能来实现水下数据的跨冰层无线传输，从而可以避免现有有线方式(海冰浮标)的实施困难，弥补水声技术难以直接跨界面的缺陷。
本发明思想可以结合附图1、附图2、附图3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和2表示了现有的方法和技术，附图3表示了本发明方法。如图1所示，传统的跨冰层数据传输需要通过有线方式将水声通信天线(水听器)放置于水下，因此必须对冰层进行钻孔才能布放电缆。如图2所示，目前广泛应用的水声通信技术中，声波在海水—冰层界面处绝大部分能量都被反射和吸收，几乎无法跨越冰层传输到空气中。在本发明方法中，利用了电磁波在分层导电媒质中传播时存在跨介质的性能，将水下获取的数据转换成电磁波信号，再由天线发射后跨越冰层界面传输到空气中去。同时，由于冰层介质的电导率远小于海水，电磁波在其中传播时衰减很小，因此本发明可以实现水下数据跨冰层无线传输。本发明提出的跨冰层数据无线传输方法，实现的具体步骤如下：
步骤1：发射端利用电磁波信号发射机(信号处理系统和调制解调系统)完成水下数据到电磁波信号的转换。电磁波信号的频率范围为0.5kHz～50kHz。如图4所示，该频段范围内电磁波可以有效跨越冰层传输。
步骤2：水下电磁波信号通过电磁波信号发射天线进行发射。发射天线选择电偶极子天线。水下电偶极子天线能够承载的带宽相比磁偶极子天线要宽，从而可以提高数据传输的速率。对电偶极子天线的基本要求是尺寸小、重量轻，同时必须做水密和防海水腐蚀的处理，天线的金属部分必须和海水进行有效隔离。发射天线布放在冰层下方的海水中，海水中的布放深度不超过10m。当天线电偶极矩为1Am时，即可实现电磁波信号的跨冰层有效传输。如图5所示，1kHz频率时，不同发射深度下电磁波跨越冰层传播的衰减曲线。
步骤3：空气中的电磁波信号接收天线用于接收跨界面的电磁波信号，与接收天线连接的电磁波信号接收机可以完成信号的解调等。接收天线可以采用磁性天线，以提高接收信号的强度或增大接收距离。其次，增加海水中电磁波信号发射天线的电偶极矩，也可以提高空气中的接收距离。此外，冰层的厚度基本不影响跨界面传输的性能，如图6所示，不同冰层厚度对电磁波跨冰层传播基本没有影响。
上述仿真计算中，电偶极子天线的电偶极矩为1Am。
发明验证：
为了验证本发明的有效性能，发明人进行了验证性的理论计算。冰下海水中采用水平电偶极子(HED)作为发射天线，冰层厚度为10m，选择磁场
Figure BDA0002080689810000051
作为空气中接收分量，冰面上方1kHz带宽内磁场噪声门限为-155dBA/m。图4表示当发射天线位于冰层下方10m(冰层-海水分界面下方)和2m两种深度时，不同频率的磁场跨冰层传播后强度变化情况，可以发现，深度为10m时，0.5kHz-5.5kHz频带内的磁场分量可以有效跨冰层传播；深度为2m时，0.5kHz-50kHz频带内的磁场分量可以有效跨冰层传播。图5表示，发射频率为1kHz时，水下天线位于不同的深度上，空气中磁场随水平距离的变化情况，可以发现天线深度为10m时，1kHz的磁场分量可以有效跨越冰层进行传播。从图6可以看出，冰层厚度的变化对磁场跨冰层传播几乎没有影响。
上述理论计算结果证明本发明所提出的基于电磁波的跨冰层数据无线传输方法，可以实现冰层下方水下数据的有效跨界传输。

Claims (2)

1.一种跨冰层数据无线传输的方法，其特征在于：数据传输采用的信号为0.5kHz～50kHz范围内的电磁波信号，采用的发送天线为电偶极子天线，接收天线为磁性天线；两个数据传输终端分别置于冰层下方海水中和冰层上方的空气层，下方海水中的数据传输终端距离海面的深度小于1 0m；
所述电偶极子天线置于海水时须进行密封和防海水腐蚀处理，防止海水和天线金属部位的直接接触。
2.根据权利要求1所述跨冰层数据无线传输的方法，其特征在于：所述电偶极子天线的电偶极矩为1Am。
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