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VLF/SLF波的传播特性及其在对潜通信中的应用
作者:未知 如您是作者,请告知我们
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  【摘要】在科学技术飞速发展的今天,水下通信和导航中开始广泛应用VLF/SLF电波传播;本文简要分析了VLF/SLF波的传播特性及其在对潜通信中的应用,希望可以提供一些有价值的参考意见。 
  【关键词】VLF/SLF波;传播特性;对潜通信 
  0 前言 
  在全世界各国海军中,非常重要的一支战略力量就是潜艇,潜艇可以深入到水下几百米至几千米,以避免被敌人发现,当接收到上级攻击命令后,突然袭击敌人。潜艇的存在,可使国家安全和政治经济利益得到保障,如今,世界各国都对潜艇和配套作战能力建设给予了足够的重视。但是,值得注意的是,尽管潜艇的攻击能力很强,却没有较强的自身防卫能力,如果一旦被暴露,就会遭到毁灭性打击,因此,隐蔽性是潜艇的一个重点,必须要在水下隐蔽的完成一切通信导航等技术。海水的盐分较多,因此,可以将其作为一种媒介,通常情况下,地面和水面上使用的无线电,对海水无法渗透,无法达到较远的传播通信距离。对各种因素综合考虑之后,人们发现VLF波和SLF波有着较低的频率,可以渗透到海水中,潜艇上的接收设备可以对传输通信内容有效接收,促使水下潜艇的隐蔽通信和导航得到实现。 
  1 甚低频波的传播特性 
  具体来讲,VLF电波的频率范围在3~30kHz之间,它有着10~100千米之间的波长。同时,VLF电波会在传播过程中较大程度上受到地面和电离层的反射作用,电波来回反射于地面和电离层之间,被导引传播,存在多个传播波形存在于电离层之间。VLF波段发射天线通常采用的垂直天线高度在几百米以上。 
  因为VLF波导传播各阶模的参数计算难度较大,因为有多个传播波模存在于波导中,这些波模有着差异化的传播速度和衰减率,部分地方互相抵消,部分地方则是互相叠加,在工程应用中主要采用全波法[1]。 
  如果固定接收点和发射台有着较远的距离,在地球周日运动下,会在较大程度上改变传播路径的电离层状态。白天和夜晚电离层有着不同的等效反射高度,前者在70千米左右,后者则为90千米左右,因此昼夜变化会影响接收点信号场强和相位,特别是对于较长的传播路径,昼夜变化影响更大[2]。很多地球物理因素都会影响到电离层的状态,如地震、高能宇宙粒子、地磁暴扰等,会有一定的随机变化出现于电离层对VLF波的等效反射高度与表面阻抗在其期望值附近,因此,就会在一定程度上影响到接收点信号场强。长波通信的通信距离与许多因素有关,除了与发信功率密切相关之外,主要还有接收点噪声电平,大地导电率、传播地段、天线覆盖层等。长波技术的主要难点在于接收点信号微弱,引起信号微弱的主要原因是天线效率低、电波衰减严重和天电干扰严重等[3]。 
  2 VLF波的工程应用 
  一是地基VLF通信系统:如今,各国海军在用的主要对潜指挥通信系统就是地基的VLF通信系统,地基的VLF通信发射台有着较高的发射机功率,可以达到2MW左右,发射天线采用的铁塔数量较多,铺设较大面积的地网。地基的VLF发射台有着较大的信号覆盖范围,可以达到几千千米左右,通信速率有300波特率左右;水下接收天线通常应用水平拖曳天线,有15米左右的水下接收距离。借助于地基的VLF通信系统,可以向海水下传递指挥部的命令,潜艇在水下就可以接收到信号,这样潜艇的隐蔽性得到了保持。另外一方面,虽然可以在地下的洞库中隐蔽地基的VLF发射台的发射机房,但是由于发射天线较大,侦察卫星很容易掌握天线位置,在战争中容易遭到打击[4]。 
  二是VLF导航系统:在20世纪60年代,美国开始对VLF水下导航系统大力研制,在80年代已经完成了建设。如今,在全世界建设的地基VLF导航发射台有八个之多,按照特定的顺序,每一个发射台对三个频率的连续波信号进行发射,每个发射台之间的时间同步保持下去,这些来自各个不同发射台的信号被潜艇上的导航接收机所接收之后,对它们到达接收点的时间差分别测定,由于电磁波传播速率已知,利用电磁波在水中的传播速率,那么就可以对接收点相对于各个发射台的距离差进行推测。由于各个发射台的位置已知,通过同时对不同发射台的信号进行接收,就可以依据双曲线定位原理,对接收点的位置进行测定。本系统有10米左右的水下接收深度,有着3海里左右的定位精度,隐蔽接收是其主要的优点,但是却没有较高的定位精度[5]。 
  三是车载的VLF发射系统:由于地基的VLF通信发射系统规模较大,容易被敌人发现,进而遭受攻击,因此,一些发达国家都对车载的机动VLF发射系统进行了研发。在科学技术飞速发展的今天,在较大程度上减少了VLF发射机的体积和重量,因此,车载机动的要求已经可以被200kW的VLF发射机所满足。对于机动的VLF天线,主要是采用系留气球天线。如美国某公司研发出来的气球天线有着1400米左右的升高高度,可以对10级风进行抵抗,用氮气来填充气球,气球的最大直径和长度分别为10米和31米,可以连续10天在空中工作,只需要一个小时就可以补充氮气。对于车载的机动VLF发射系统,不需要对地网进行铺设,相较于固定台,有着较低的辐射效率和发射机动功率。 
  四是机载的VLF发射系统:美国对机载发射系统进行了构建,也就是塔卡木系统,本系统可以发挥中转站的作用,如果大规模毁灭了本土通信系统,利用该系统可以对核潜艇有效的指挥作战。在20世纪80年代,美国将波音客机改造成对潜通信中继机,飞机有48米长度,空中起飞重量在150吨以上,最大速度为每小时950千米,巡航时间6小时,将200kW的VLF发射台和拖曳天线在飞机上装设,对VLF电波进行发射[6]。 
  五是星载的VLF发射系统:在车载和机载的VLF发射系统基础上,科学技术飞速发展,降低了卫星发射成本已经大为降低,发达国家又开始试验从低轨小卫星上对VLF/ELF波进行发射。20世纪90年代,美国和意大利合作,在某航天飞机上发射系留卫星,整个天线和负载有360千克左右的总重量,设计天线生产的感应电势和电流分别为21kV和10A。系留卫星有200到700千米之间的轨道高度。俄罗斯也大力研究了星载VLF发射,俄罗斯使用将金属环天线作为VLF发射装置。 
  3 结语 
  综上所述, 潜艇成为一种非常重要的作战力量,VLF/SLF波因为其自身的特点,已经被广泛应用到对潜通信和导航中;科学技术的飞速发展和进步,如今也开始大力研发其他先进技术,取得了不错的成绩。在具体研发过程中,需要对VLF/SLF波的传播特性深入研究,科学应用到对潜通信中。本文简要分析了VLF/SLF波的传播特性及其在对潜通信中的应用,希望可以提供一些有价值的参考意见。 
  【参考文献】 
  [1]靳致文.VLF/SLF波传播及其在对潜通信与导航中的应用[J].装备环境工程,2008,5(2):123-125. 
  [2]刘俊才.超长波通信信号建模及干扰分析[J].电子科技大学,2009,2(10):99-101.
  [3]史伟,腾敦朋.基于接地天线的超低频信号全向辐射方法[J].现代电子技术,2012,2(22):88-90. 
  [4]张俊昌,曹海鹏,谢家祥.甚低频对潜通信数据压缩编码技术研究[J].通信技术,2008,2(12):55-57. 
  [5]郭定容,陆洪,陈宇.船载CLF/VLF对潜通信系统可行性分析[J].电波科学学报,2011,2(6):144-146. 
  [责任编辑:薛俊歌]

 

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