一种跨海水-空气界面的电磁波传输系统及方法
【技术领域】
[0001] 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 海水一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、跨海水一 空气界面无线传输的有效方法。
【背景技术】
[0002] 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。它们促使人们研宄 信息以合适的载体在海水、海水一空气界面、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。
[0003] 在专利文献的检索中，关于水下或跨海水一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 apparatus for 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，CN201，110,038,544， 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一空气界面传输方法主要有以下几种：
[0004] 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，难以跨越海水一空气界面进行传输也是限制其发展的重要因素。
[0005] 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 水一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。
[0006] 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 水一空界面的跨越，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。
[0007] 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】
[0008] 要解决的技术问题
[0009] 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一空气界面的电磁波传输系统及方法，该系统及方法 基于电磁波在海水一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。
[0010] 技术方案
[0011] -种跨海水一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。
[0012] 所述的水声-电磁波潜标为一个或多个。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] -种利用跨海水一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：
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 步骤5 :监控调制解调器将接收到的中