Сверхдлинноволновая связь остаётся единственным способом довести радиосигнал до приёмника под толщей морской воды, и вся её физика сводится к борьбе с проводимостью среды. Морская вода поглощает радиоволны так, что на привычных частотах сигнал гаснет в первых метрах, и только на сверхдлинных волнах, где длина волны измеряется километрами, проникновение достигает глубин, пригодных для практического приёма. Цена этого решения известна заранее, узкие полосы и скорости передачи в единицы и сотни бит в секунду. В статье разобрано, как проводимость воды определяет глубину, что с ней делают приёмники и антенны и как считается бюджет связи до глубины погружения.
Морская вода как среда с большими потерями
Морская вода ведёт себя на радиочастотах как проводник с потерями, её проводимость составляет 3,5-5 S/m при типичном значении 4 S/m, а относительная проницаемость около 80. Соотношение токов смещения и проводимости смещает поведение среды в проводниковую область, и на частотах ниже единиц гигагерц вода работает как хороший проводник. Практическое следствие прямое, электромагнитная волна в проводящей среде затухает экспоненциально, и глубина проникновения считается по формуле δ = √(2/(ωμσ)), где ω угловая частота, μ магнитная проницаемость, σ проводимость. Для морской воды эта формула даёт числа, которые определяют весь класс систем, на 10 кГц глубина проникновения составляет около 2,5 м, на 1 кГц около 8 м, и только на частоте 76 Гц она достигает примерно 29 м. Зависимость от корня из частоты жёсткая, десятикратное снижение частоты увеличивает глубину лишь в 3,16 раза, и путь к глубинам погружения лежит через сверхдлинные и сверхсверхдлинные волны, где антенны и мощности становятся экстремальными. Физика проникновения заслуживает отдельного взгляда на волну внутри воды. Волна в проводящей среде теряет свойства поперечной волны свободного пространства, фронт искажается, и поляризация сохраняется лишь в первых слоях, что для приёмных антенн означает работу с квазиплоской волной у поверхности и с искажённой глубже. Длина волны в воде сокращается относительно свободного пространства, на 10 кГц она составляет сотни метров вместо тридцати километров, и масштаб структур внутри воды меняется пропорционально. Для расчётов это означает, что обычные формулы свободного пространства применяются только с поправками, и честный расчёт ведётся по формулам проводящей среды с комплексными параметрами распространения.
Глубина проникновения и затухание на рабочих частотах
Затухание в морской воде считается из глубины проникновения по формуле α = 8,69/δ дБ/м, и числа говорят сами за себя. На 10 кГц затухание составляет 8,69/2,5 ≈ 3,5 дБ/м, и на глубине 10 м сигнал слабеет на 35 дБ, на глубине 20 м на 70 дБ, что сводит приём к нулю для большинства систем. На 1 кГц затухание 8,69/8 ≈ 1,1 дБ/м, и глубина 20 м стоит 22 дБ, что уже в пределах бюджета системы с мощным передатчиком. На частоте 76 Гц затухание падает до 8,69/29 ≈ 0,3 дБ/м, и глубина 30 м стоит 9 дБ, что делает приём на глубинах погружения практичным. Диапазон сверхдлинных волн 3-30 кГц обеспечивает приём в верхних метрах, на глубинах перископного хода и с буксируемыми антеннами, а сверхсверхдлинные волны с частотами в десятки герц достигают глубин в десятки метров, ценой антенн километровых размеров и скоростей передачи в единицы бит в минуту. Расчёт бюджета для практического случая с приёмом на 20 кГц с глубины 10 м даёт затухание 8,69 × 10/1,8 ≈ 48 дБ, и такой бюджет требует либо буксируемую антенну ближе к поверхности, либо частоту ниже, и компромисс между глубиной и частотой определяет всю конструкцию системы. Зависимость затухания от глубины линейна, и каждый метр погружения стоит постоянного числа децибел на выбранной частоте. Это делает расчёт предельной глубины прямым, запас системы в децибелах делится на затухание в децибелах на метр, и результат даёт глубину в метрах. Для практических систем на 20 кГц с затуханием 8,69/1,78 ≈ 4,9 дБ/м запас в 20 дБ даёт глубину около 4 м, и та же система на 10 кГц с затуханием 3,5 дБ/м даёт около 6 м. Снижение частоты вдвое увеличивает предельную глубину примерно в полтора раза, и путь к глубинам идёт через десятикратные снижения частоты, каждое из которых стоит втрое большей антенны.
Приёмники и антенны на глубине
Антенны подводного приёма работают в проводящей среде, где электрические и магнитные приёмы ведут себя по-разному. Электрическая антенна, вертикальный провод или буксируемая длинная антенна, работает с электрической составляющей, которая в воде затухает так же, как магнитная, но её эффективная длина в проводящей среде сокращается, и практические буксируемые антенны делают длиной в сотни метров, чтобы набрать хоть какой-то эффективный размер. Магнитная антенна, рамка или ферритовый стержень, измеряет магнитную составляющую, которая проникает в воду на той же глубине, и для неё важна чувствительность, а не размер. Приёмный тракт строится на узкополосной фильтрации, полоса приёма измеряется десятками и сотнями герц при несущей в килогерцах, и добротность фильтрации определяет отношение сигнала к шуму. Усилители работают с микровольтными сигналами у входа, и собственный шум первого каскада ограничивает чувствительность снизу, для практических приёмников порог чувствительности составляет доли микровольта на метр. Синхронизация с передатчиком через точные опорные генераторы и навигационные системы позволяет вести когерентный приём с узкой полосой, и именно когерентность, а не мощность приёма, определяет предельную глубину работы системы. Буксируемая антенна заслуживает отдельного взгляда на её практику. Длинный провод за приёмником работает как эффективный электрический приём, и его длина в сотни метров набирает эффективный размер, который вертикальная антенна на глубине дать не может. Положение антенны по глубине управляется скоростью хода и длиной буксира, и рабочая глубина выбирается из того же компромисса, чем глубже, тем больше затухание, и чем ближе к поверхности, тем больше шум прибоя и волн. Механика буксировки добавляет шум движения, и практические антенны работают с фильтрацией движений, где медленные изменения уровня отделяются от сигнала.
Шум океана и атмосферный фон
Шумовая обстановка на сверхдлинных волнах определяется атмосферой, а не тепловым шумом приёмника. Грозовая активность планеты создаёт атмосферный шум, который на частотах ниже 30 кГц на десятки децибел выше теплового, и его уровень меняется с широтой, временем суток и сезоном, отличаясь между спокойными и грозовыми районами на 10-20 дБ. В полосе приёма в сотни герц суммарный атмосферный шум измеряется микровольтами на метр, и он, а не собственный шум приёмника, определяет предельную чувствительность. Импульсная структура атмосферного шума, отдельные грозовые разряды создают выбросы на десятки децибел выше среднего, и для них работают те же приёмы, что и в других импульсных каналах, ограничение выбросов и накопление. Шум прибоя и волн создаёт дополнительный фон в прибрежных районах, и его уровень зависит от состояния поверхности океана. Суммарная картина шума входит в бюджет связи наравне с затуханием в воде, и предельная глубина работы системы определяется произведением обоих слагаемых, затухания и шума, где каждый децибел любого из них меняет предельную глубину на метры. Сезонная и суточная динамика шума заслуживает отдельного взгляда. Грозовая активность меняется с сезоном в разы, и зимние месяцы дают шум на единицы и десятки децибел ниже летних, что для планирования работы системы означает окна с лучшим отношением сигнала к шуму. Суточная динамика слабее, но измерима, и предельная глубина приёма плавает с ней на метры. Практические системы закладывают запас по шуму в крайних условиях сезона, и предельная глубина, рассчитанная для среднего шума, в худший сезон сокращается на метры, что для систем на пределе глубины критично.
Расчёт бюджета связи до глубины погружения
Полный бюджет связи складывается из мощности передатчика, эффективности его антенны, затухания в среде распространения, затухания в воде, усиления приёмной антенны и шумовой обстановки. Для типичного случая берётся передатчик сверхдлинноволнового диапазона с излучённой мощностью в сотни киловатт и приём на 20 кГц с глубины 10 м. Затухание в воде 48 дБ из расчётов выше, потери распространения вдоль поверхности на дистанции в тысячи километров измеряются десятками децибел, и суммарные потери до приёмника достигают 80-100 дБ. Поле у приёмника составляет микровольты на метр, и при полосе приёма в 100 Гц отношение сигнала к шуму получается единицами и десятками децибел в зависимости от шумовой обстановки. Для надёжного приёма требуется запас в 10-15 дБ, и предельная глубина работы системы считается из этого запаса, каждый децибел запаса стоит примерно 0,2 м глубины на 20 кГц. В обратную сторону расчёт идёт так, система с запасом 15 дБ на 20 кГц работает до глубины 15/4,9 ≈ 3 м, и глубины в десятки метров достигаются только на сверхсверхдлинных волнах, где затухание падает до 0,3 дБ/м и ниже. Такой расчёт конструктор повторяет для каждой пары частота и глубина, и компромисс между ними определяет всю конструкцию. Проверка бюджета на испытаниях уточняет расчёт, фактическое затухание в воде зависит от проводимости района, фактический шум от сезона, и расхождение с расчётом в пределах нескольких децибел считают рабочим. Ответственный проект закладывает запас по обоим слагаемым и проверяет худшую комбинацию, глубокая вода в грозовой сезон, где затухание и шум максимальны. Такая дисциплина отличает рабочую систему от расчётной демонстрации, и предельная глубина, подтверждённая испытанием в худших условиях, становится характеристикой системы, а не расчётной оценкой.
Влияние проводимости на глубину и её изменения
Проводимость морской воды не постоянна, она меняется с температурой и солёностью, и её изменения тянут глубину проникновения за собой. Проводимость растёт примерно на 2 процента на градус температуры, и разница между холодными и тёплыми водами достигает 30-50 процентов, что для глубины проникновения, зависящей от корня из проводимости, означает изменения на 10-20 процентов. Солёность добавляет свой вклад, разница между опреснёнными и солёными водами меняет проводимость на десятки процентов, и глубина проникновения следует за ней. Практическое следствие для системы прямое, глубина приёма, рассчитанная для средней проводимости, плавает на метры с условиями, и ответственный проект закладывает запас по проводимости в крайних значениях, а не в средних. Приёмники компенсируют изменения автоматической регулировкой усиления, которая отслеживает уровень сигнала, и когерентный приём с точной синхронизацией сохраняет работоспособность при плаваниях уровня. Для расчётов используют карты проводимости поверхностных вод, и глубина приёма для конкретного района считается по его фактической проводимости, а не по среднему значению океана. Слоистость воды добавляет ещё одну тонкость, у поверхности температура и солёность меняются с глубиной, и проводимость поверхностного слоя отличается от глубинного. Волна проходит через слои с разной проводимостью, и суммарное затухание складывается по слоям, что для мелких глубин практических систем означает работу в верхнем слое с его фактической проводимостью. Для расчётов используют профиль проводимости по глубине района, и предельная глубина считается по сумме затуханий слоёв, а не по одной величине. Практическое следствие для приёма прямое, верхние метры с тёплой водой дают большее затухание, чем холодный слой ниже, и рабочая глубина антенны выбирается с учётом профиля.
Порядок проектирования системы подводного приёма
Проектирование системы подводной сверхдлинноволновой связи укладывается в пять шагов:
- определение предельной глубины приёма и выбор частоты из формулы глубины проникновения;
- расчёт бюджета связи от излучённой мощности до поля у приёмника на выбранной глубине;
- оценка шумовой обстановки района для выбранной полосы и времени работы;
- выбор антенны, буксируемой проводной или магнитной, и её эффективного размера;
- проверка запаса по проводимости в крайних условиях района и проверка приёма на испытаниях.
Такой порядок закрывает и физику, и практику, и предельная глубина системы определяется ещё до первого испытания. Опыт эксплуатации подтверждает расчёт, системы сверхдлинноволнового диапазона работают на глубинах, предсказанных формулой проникновения с точностью до запаса по проводимости, и именно эта предсказуемость делает класс систем надёжным. Скорость передачи при этом остаётся платой, сотни бит в секунду для сверхдлинных волн и единицы бит в минуту для сверхсверхдлинных, и эта плата фундаментальна, узкая полоса есть прямое следствие глубины проникновения, и другого пути к глубинам физика не предлагает.