ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ: КРАТКИЙ ОБЗОР

Аннотация

Представлены результаты наиболее значимых теоретических и экспериментальных работ в области использования электромагнитных высокочастотных волн в морской среде, опубликованных в XX и начале XXI века. Кратко описаны основные характеристики распространения волн, наблюдаемые эффекты, а также рекомендации по разработке и конструированию эффективных подводных антенн.

Полный текст

Введение Современная прикладная электродинамика недостаточное внимание уделяет вопросам излучения, распространения и приема высокочастотных электромагнитных сигналов в водной среде. В особенности это характерно для морской среды, имеющей высокую удельную электропроводность. Во многих монографиях и научных статьях, на основании уравнений Максвелла и закона Ома, с использованием метода комплексных амплитуд вводится понятие комплексной диэлектрической проницаемости для проводящей среды. В результате получаются оценки для глубины проникновения высокочастотных электромагнитных волн в проводящую среду, например в морскую воду. Глубиной проникновения считается расстояние, на котором амплитуда электромагнитной волны уменьшается за счет поглощения в среде в e = 2,71828 раза. В результате, например, для частот в 1 МГц и выше расстояние, на котором может быть обеспечен энергетический бюджет потенциальной радиолинии, оценивается единицами метров. В результате в физике и радиотехнике среди специалистов, сформировалось устойчивое мнение о нецелесообразности практического применения электромагнитных волн в проводящих водных средах. Однако в последние десятилетия множество публикаций посвящено созданию подводных сетей связи и передачи данных, в которых именно электромагнитные каналы связи имеют преимущества перед гидроакустическими и оптическими каналами. Прежде всего, это связано с тем, что электромагнитные высокочастотные каналы связи могут обеспечить более высокие скорости передачи данных, чем гидроакустические каналы. В то же время электромагнитные каналы в меньшей степени зависят от прозрачности или мутности воды, чем оптические каналы. Но самое главное, что проведенные в разных странах разными группами исследователей прямые эксперименты по распространению высокочастотных электромагнитных волн в проводящих водных средах, в частности в морской среде, доказали, что теоретические расчеты по поглощению таких волн оказались значительно завышены. Задача настоящей статьи - показать развитие подводной высокочастотной радиосвязи по материалам публикаций в открытой печати и привлечь внимание исследователей и разработчиков прикладных систем к тематике этих работ. 1. Публикации в XX веке В настоящей работе не предполагается рассматривать системы электромагнитной связи в диапазонах сверхдлинных волн (СДВ), например [1; 2]. На эту тему в доступной литературе существует множество публикаций. Первые публикации в области подводной электромагнитной связи в море относятся к 1919-1920 годам. В 1919 году П. Лоуэлл (P.D. Lowell) [3] описал петлевые магнитные антенны, которые использовались для связи между подводными лодками и были встроены в их корпуса как часть антенной системы. В 1919 году А. Тейлор (A. Taylor) [4] проводил эксперименты с длинной (до 153 м) проводной антенной на подводной лодке в штате Вашингтон. В 1920 году Р. Бэтчер (R.R. Batcher) [5] использовал петлевые магнитные антенны, встроенные в корпуса подводных лодок. Были проведены эксперименты по передаче электромагнитных сигналов под водой между лодками на полной скорости хода, на расстоянии до 20 км с помощью магнитных антенн. В 1951 году Р. Мур (R.K. Moore) [6] впервые разработал теорию погруженных в морскую воду электромагнитных петлевых антенн. В частности, для связи подводных лодок испытывались горизонтальные и вертикальные дипольные антенны, погруженные в море. В 1969 году по программе SEDAR [7] успешно испытывалась система дистанционного подводного электромагнитного размыкателя для подъема оборудования, установленного на дне моря. Система состоит из буксируемой на поверхности антенной решетки, а также приемника и механизма размыкания заякоренных устройств на глубинах до 200 м. Система работала на дальностях до 1000 м при выходной мощности передатчика 1000 Вт. В 1959 году Р. Тернер (R.W. Turner) [8] подробно описал систему электромагнитной связи между подводными лодками во времена Второй мировой войны. Приведены варианты конструкций высокочастотных антенн. Указаны измеренные оценки затухания электромагнитных волн в морской воде с удельной электропроводностью 4 См/м. Например, для 1 МГц затухание составило около 10 dB/foot (32,8 дБ/м). 158 Лукин А.Ф. Высокочастотные электромагнитные волны в морской среде… В 1966 году компанией «Northrup Corporation of Washington» [9] опубликованы итоги экспериментов по распространению электромагнитных волн в морской среде. На частоте 500 MГц электромагнитные волны успешно передавались на коротких расстояниях. В экспериментах дочерней компании Page Communications Engineers были использованы сигналы с частотами от 100 Гц до 500 МГц, которые передавались на расстояние 12 футов (3,65 м) в пластиковом бассейне. Последующие эксперименты в заливе Сан-Франциско показали успешную передачу сигнала с помощью передатчика мощностью 250 Вт на глубине 250 футов (76 м) на расстояние 1500 футов футов (457 м). Сила сигнала на частоте 7 МГц при длине излучающего диполя 20 футов (6 м) практически не менялась с глубиной, что не допускало объяснение факта передачи поверхностными волнами. С ростом длины диполя сила сигнала также возрастала. Последнее замечание вызывает вопросы, так как ставит под сомнение резонансные характеристики дипольных антенн в проводящей среде. В 1973 году М. Сигел (M. Siegel) и Р. Кинг (R.W.P. King) [10] привели результаты исследования коротких диполей, погруженных на 0,15 м в океан на частотах 100 кГц и 14 МГц. Были измерены напряженности электрического поля, распределения токов по антеннам, а также импеданса. Приведены сравнения полученных данных с теорией. В 1972 году И. Боги (I.S. Bogie) [11] опубликовал данные о зависимости скорости электромагнитных волн, глубины проникновения, длины волны от частоты для морской воды. Приведены примеры использования электромагнитных волн под водой для связи между дайверами на глубинах 30 м, для расстояний в 100 м при мощности передатчиков 10 Вт. Береговая станция покрывала зону в 5 км2 при дальности 355 м и мощности передатчика 160 Вт. В 1987 году Л. Батлер (L. Butler) [12] исследовал эффекты распространения электромагнитных волн на частоте 1,8 МГц. Сделан вывод, что из-за высокого затухания сигнала в морской воде решения по организации каналов связи возможны в области частот 10-30 кГц. Работа на частоте 1,8 МГц ограничена высоким уровнем затухания в 46 дБ/м. В 1977 году U.S. Naval Underwater Ordnance Station, Newport, Rhode Island опубликовало материал «Electromagnetic radiation in sea water» [13]. В нем детально изложены, в зависимости от частоты, такие характеристики, как присущий морской воде импеданс, скорость распространения волн, степень затухания. Приводятся коэффициенты передачи волн через границу раздела «вода - воздух» в зависимости от углов падения для волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией. 2. Публикации в XXI веке В 2004 году Аль-Шамма (Al-Shamma) [14] вместе с другими учеными из Университета г. Ливерпуль (Великобритания), провели фундаментальные измерения затухания электромагнитных волн на мегагерцовых частотах в морской воде. Для электрических и магнитных антенн, в экспериментальном 159 Метафизика, 2025, № 1 (55) бассейне и в морских условиях (в одном из доков Ливерпуля) измерены зависимости затухания волн от расстояния. На частоте 1 МГц при удельной электропроводности воды 4 См/м основное затухание амплитуды наблюдалось в ближней зоне антенн на расстояниях 1-1,5 м. С дальнейшим ростом расстояния до 90 м затухание изменялось очень слабо с расстоянием. Аналогичное явление наблюдалось при распространении электромагнитных волн с увеличением глубины. От 0,6 до 1,3 м амплитуда сигнала уменьшалась от 0,04 мВ до 0,003 мВ, а далее - до 6 м находилась в пределах 0,003-0,004 мВ. Также было показано преимущество чувствительности магнитной рамки перед электрическим диполем. В 2008 году А. Гудевенок (Apostolous Goudevenoc) [15] обобщил результаты исследований, выполненных Университете Ливерпуля. Для пресной и для морской воды приведены таблицы по ослаблению сигнала для частот от 0,5 до 60 МГц, как с учетом его дифракции, так и поглощения в среде. Даны рекомендации по конструированию подводных антенн. В 2009 году Дж. Гох (J.H. Goh) и др. [16] разработали технологию создания системы подводной электромагнитной связи, включая расчет и конструирование рамочных магнитных антенн. Приведен расчет подводной магнитной антенны из двух витков для рабочей частоты 8 МГц. Исследованы характеристики уровня принимаемого сигнала для частот в диапазоне 4-20 МГц. Сделан вывод о том, что, несмотря на высокое затухание сигнала в ближней зоне антенны, сигнал в дальней зоне существенно выше, чем это считалось ранее. Описаны преимущества использования электромагнитных волн под водой для решения задач связи, передачи данных, передачи компрессированного видео и радиолокации. В 2014 году Н. Джордж (Nisha George) с соавт. [17] опубликовали практический обзор по конструированию и применению подводных электромагнитных антенн для использования в океане. Исследовано пиковое усиление, возвратные потери, диаграммы направленности. Отмечена высокая востребованность антенн, работающих в полосе частот более 500 МГц на короткие расстояния. В 2013 году Г. Хаттаб (Ghaith Hattab) и др. [18] рассмотрели модель подводных коммуникаций для создания сетей передачи данных. Выполнены оценки потери сигнала в зависимости от параметров морской среды. Приведены температурные зависимости диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности воды, коэффициенты отражения электромагнитных волн от границ раздела сред. Изложены теоретические результаты и результаты моделирования. В 2019 году О. Абадерин (Oluyomi Abaderin) [19] детально рассмотрел вопросы теории и практики расчетов и конструирования подводных электромагнитных антенн. Опубликованы расчеты характеристик многих конкретных антенн при работе в морских условиях. В 2007 году Дж. Лукас (J. Lucas) и К. Йип (C.K. Yip) и др. [20] привели результаты натурных экспериментов в морской воде и лабораторных экспериментов в волноводе. Отмечен высокий уровень потерь сигнала в ближней 160 Лукин А.Ф. Высокочастотные электромагнитные волны в морской среде… зоне передающей антенны. Впервые предложена модель распространения электромагнитных волн в проводящей морской среде, которая базируется на эффектах вторичного электромагнитного излучения возбужденными молекулами воды. Детальные экспериментальные измерения были выполнены в рамках Европейского проекта EMCOMM. В 2008 году К. Йип и др. [21] провели эксперименты по распространению электромагнитных волн в диапазоне частот 1-20 МГц в морской воде с удельной электропроводностью воды 4 См/м. При мощности передатчика 30 Вт дальность приема сигнала составила 100 м. В области частот 3,7-5,0 МГц уровень сигнала быстро снижался в области дистанций ближней зоны от передатчика, а затем медленно менялся с расстоянием до 90 м, оставаясь при этом выше уровня собственных электрических шумов в воде (-135 дБм). В 2017 году М. Тахир (Muhammad Tahir) и др. [22] рассмотрели возможные модели и механизмы сложной картины затухания электромагнитных волн в морской среде. В ближней зоне антенны доминировали токи проводимости, что вызывает высокую степень затухания. В дальней зоне доминировал диэлектрический молекулярный дипольный ток смещения, который вызывал значительно меньшие потери по затуханию. Теоретический анализ и проведенные эксперименты показали возможность подводной радиосвязи на расстояниях до 100 м в диапазоне частот 1-20 МГц при мощности передатчика 100 Вт. Сообщается, что в 2006 году был выпущен первый коммерческий подводный радиомодем S1550 от компании «Wireless Fibre Systems». Он позволял передавать данные со скоростью 100 бит/с на несколько десятков метров. В 2007 году та же компания выпустила подводный радиомодем S5550, который на расстоянии одного метра обеспечивал передачу данных со скоростями от 1 до 10 Мбит/с. В рамках проекта EMCOMM была успешно продемонстрирована связь между движущимся автономным подводным аппаратом и базовой станцией для выгрузки данных и передачи команд. Приводится пример использования подводной антенны, инкапсулированной в герметичный бокс, наполненный дистиллированной водой, с целью уменьшения потерь в ближней зоне. Работы финансировались Changchun University of Science and Technology, P.R. China. В 2008 году Л. Лю (Lanbo Liu) с соавт. [23], ученые из Университета штата Коннектикут (США), рассмотрели физические основы и инженерные реализации эффективного обмена информацией с помощью беспроводной связи, используя физические волны в качестве носителя между узлами в подводной сенсорной сети (UWSN). Анализируется отношение удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости морской воды как фактора, определяющего так называемую частоту перехода, равную 888 МГц. Авторы предполагают, что для частот ниже частоты перехода электромагнитное поле не является полноценной волной и ведет себя преимущественно как диффузное поле. Для частот, превышающих частоту перехода, поведение электромагнитного поля в большей степени является волновым процессом. 161 Метафизика, 2025, № 1 (55) В 2020 году П. Асвати (P.M. Aswathy) [24] исследовал вопросы ошибок и многолучевого распространения сигнала, а также надежность подводных датчиков и сетей в целом. Указывается на возможные применения подводных сетей для обнаружения объектов на дне океана, для мониторинга окружающей среды и сбора океанографической информации, а также для задач обороны и прогнозирования стихийных бедствий. В 2018 году российская компания ПАО «Ива» (IVA Technologies) [25] сообщила о создании электромагнитного комбинированного комплекса для подводной связи и передачи данных. Комплекс обеспечивает на расстояниях до 83 м магнитную связь, а до 2000 м гидроакустическую связь. Глубины, на которых работает система, - до 26 м. В 2022 году Институтом физики им. Л.В. Киренского СО РАН совместно с НПП «Радиосвязь» холдинга «Радиоэлектроника» [26] на водохранилище Красноярской ГЭС продемонстрирован эксперимент по магнитной индуктивной связи в области частот до 1 МГц. Антенна диаметром около одного метра из нескольких витков провода передавала данные с глубины 93 м со скоростью 120 Кбит/с. Передатчик имел мощность 200 Вт, отношение сигнал/помеха составило 20 дБ. В 2005 году В.П. Смагин (ВГУЭС) опубликовал работу [27], в которой излагается теория и экспериментальные результаты по исследованию электромагнитных полей в океане от береговых и корабельных акустических волн, а также от течений. Изложены результаты возникновения подводных электромагнитных шумов в океане и их источники. В 2006 году А.Н. Шибков из Владивостока опубликовал работу [28], в которой изложил теорию и экспериментальные результаты по подводной электромагнитной связи в морской воде. В 2021 году А.К. Томилин с соавт. [29] опубликовали результаты экспериментальных исследований по созданию подводного канала радиосвязи в морской воде на частоте 27 МГц. При мощности передатчика около 1 Вт дальность уверенного приема составила более 470 м с использованием специально сконструированных «шаровых антенн». В 2022 году А.Ф. Лукин с соавт. [30] опубликовали результаты экспериментов, связанных с распространением в морской среде Японского моря электромагнитных волн на частоте 27 МГц. Показано, что для прямых измерений принимаемой мощности сигнала на несущей частоте, на расстоянии 80 м между приемником и передатчиком, уровень отношения сигнал/помеха составил 28,7 дБ. Удельная электропроводность морской воды составляла 4.77 См/м. Мощность передатчика радиостанции составляла около 1 Вт. В 2023 году А.К. Томилин [31] опубликовал работу по теоретическому обоснованию экспериментов, изложенных в [29; 30]. В 2020 году А. Тарик (Auesha Tarig) и др. [32] обсудили новые методы и технологии в области подводных беспроводных сенсорных сетей (UWSN), которые используются для сбора информации под водой, мониторинга состояния среды, обмена данными с подводными аппаратами. Описано несколько архитектур средств связи и протоколов маршрутизации. 162 Лукин А.Ф. Высокочастотные электромагнитные волны в морской среде… В 2020 году И. Смольянинов (Igor Smolyaninov) и др. [33] опубликовали работу, в которой представлено несколько конструкций подводных антенн, малых волновых размеров для работы на частотах 2, 50 МГц и 2,4 ГГц. Антенны обладают особенностями по улучшению связи с поверхностными электромагнитными волнами. Согласование импеданса антенн со средой обеспечивается промежуточным корпусом, заполненным деионизированной морской водой. В эксперименте был зафиксирован уверенный прием видеосигнала Wi-Fi на расстояниях, значительно превышающих расчетную глубину проникновения радиосигнала частоты 2,4 ГГц. Т. де Пайетт (Thierry Deschamps de Paillette) и др. [34] в 2017 году опубликовали работу о конструкции подводной антенны для обслуживания датчиков подводной сенсорной сети. На основе оценок импеданса и коэффициента отражений волн была разработана петлевая антенна для диапазона 1-10 МГц, работающая с использованием эффекта ближнего поля в радиусе 5 м. В качестве диэлектрической оболочки антенны использовался резервуар с дистиллированной водой. 3. Обсуждение Материалы, процитированные в настоящем кратком обзоре публикаций посвящены теме применения электромагнитных волн для морской подводной связи и построения подводных сетей. В совокупности они опровергают сложившееся устойчивое мнение многих специалистов о нецелесообразности практического применения электромагнитных волн в проводящих водных средах. Проведенные экспериментальные работ указывают на актуальность и практическую значимость научно-технического направления по передаче электромагнитных сигналов в водной, в том числе в морской, среде. Полученные экспериментальные результаты по дальности уверенного приема радиосигналов в морской среде многократно превышают для разных диапазонов частот расчетные теоретические выводы о поглощении радиоволн в морской среде, которые публикуются в большинстве статей и монографий. Наблюдаемые экспериментально характеристики зависимости поглощения радиоволн в ближней и дальней зонах от антенн радиопередатчиков могут стать основой для разработки новых теорий поведения электромагнитных полей в проводящих средах. Можно отметить два конкретных характерных явления, которые наблюдаются в экспериментах. Первое связано с характерным резким, до 80 дБ, падением мощности излучаемого передатчиком сигнала в ближней зоне, с последующим относительно медленным поглощением мощности на значительных расстояниях. Второе явление заключается в существенном повышении эффективности работы антенн в морской проводящей среде, если металлические элементы антенн окружены прослойкой из дистиллированной или пресной деионизированной воды. Можно предположить, что перспективным направлением для разработки новых электромагнитных антенн для морских применений будут антенны с многослойными диэлектрическими экранами. 163 Метафизика, 2025, № 1 (55) Уже имеющиеся результаты проведенных работ указывают на прорывные перспективы использования электромагнитных высокочастотных волн для создания широкополосных подводных сетей, систем навигации и дистанционного обнаружения подводных объектов.