电磁波跨越海—空界面传播特性研究

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1、＾学校巧码１＾９￣分类号０４５１－—－…密级学号２０１２１０００３７禱＾＜ｉ３Ｊ＾Ｎ乐ＯＲＴＨＷＥＳＴＥＲＮＰ＾ＯＬＹＴＥＣ文ＨＮ斗參ＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ博±学位论文题目电礎波跨魅海－空巧面传播特性硏究．作者王宏磊￣￣￣＾￣————■＂—￣水巧程学科、专业马迎良教授指导教师２０１５年１１月申请学位日巧．４西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：电磁波跨越海-空界面传播特性研究作者：王宏磊学科专业：水声工程指导教师：马远良教授2015年11

2、月Title:StudyonElectromagneticWavePropagationacrossSeawatertoAirInterfaceByWangHong-leiUndertheSupervisionofProfessorMaYuan-liangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofUnderwaterAcousticEngineeringXi’anP

3、.R.ChinaNovember2015摘要摘要利用电磁波实现海洋中信息的跨界面无线传输，是一个有待突破的科学技术问题；其深入研究对于水下无线传感器网络、潜艇通信等领域的发展具有重要的意义。本文系统地研究了海水中的偶极子天线辐射的电磁波跨越海水-空气界面传播的特性，获得了空气中电磁波的传播规律和空间分布，同时也揭示了不同偶极子、环境等因素对跨界面电磁波传播的影响。本文还建立了电流片模型，从二次辐射的角度出发研究了电磁波的跨界面传播，揭示了传播过程中的物理机理，弥补了现有方法物理意义层面研究的不足。本文将理论和方法的研究与实验验证紧密地结合，使得两者能够互

4、相验证、相互促进，具有重要的理论和应用价值。主要研究工作和结论如下：1.研究了海水中的偶极子在空气中产生的电磁场。针对电磁波跨越海水-空气界面传播，基于电磁场叠加原理，建立了海底-海水-空气三层媒质中电磁波的传播模型；利用快速傅立叶变换的数值方法对空气中电磁场的积分表达式进行了计算，获取了空气中电磁波的传播规律和空间分布。分析了相同参数和环境下海水中的四种偶极子在空气中辐射电磁场的性能，结果表明：水平偶极子优于同类型的垂直偶极子及磁偶极子优于电偶极子。针对环境因素和水下偶极子天线的配置参数可能对电磁波跨界面传播的影响，分析了海水深度、工作频率和发射天线深

5、度的变化对空气中电磁场分布的影响。本文首次系统地研究了海水中的四种偶极子在空气中辐射的电磁场；并指出利用电磁波能够实现海水中信息的跨海面远距离无线传输，且水下天线选择水平磁偶极子可提高作用距离。2.建立了基于海面感应电流二次辐射的电流片模型。针对现有电磁波跨界面传播模型计算复杂度高、物理意义阐述不明晰的缺陷，提出了一种可以描述电磁波跨越海水–空气界面传播物理过程的新模型：将电磁波跨界面传播视为水下辐射源在海水表面产生一个传导电流区域——称之为电流片区，由该电流片区向空气中进行二次辐射，将该二次辐射场视为海水中的辐射源在空气中产生的电磁场。该模型与三层媒质

6、模型的计算结果基本一致，且推导过程简单，避免了复杂的积分和代数运算，可以合理地解释电磁波跨界面传播的物理机理。针对界面在电磁波传播过程中产生的重要影响，采用FEKO软件分析了三层导电媒质时海水中的辐射源在海面和海底两层界面附近产生的电磁场，揭示了界面两侧电磁场的连续性；并利用该软件对电流片模型的部分结果进行了验证。这对于利用电磁波实现跨海面信息传输时辐射和接收天线的布放位置有指导作用。3.研究了水下天线姿态的变化对电磁波跨越海水–空气界面传播的影响。针对实际海洋环境对跨界面电磁波传播带来的影响，建立了海水中的倾斜偶极子天I摘要线和姿态随机变化的偶极子天线

7、在空气中辐射电磁场的模型。利用矢量叠加原理和三层媒质电磁波传播模型进行计算，结果表明：水下天线姿态的变化对空气中电磁场的强度和方向性产生影响，尤其姿态随机变化使得空气中电磁场产生相应的随机波动。同时还表明：水平偶极子天线相比垂直偶极子天线更加适合在实时变化的海洋环境中使用。本文的研究首次考虑了实际变化的海洋环境对电磁波跨越海水–空气界面传播的影响，为利用电磁波实现海洋中信息的跨界面传输提供了更加实用的模型。4.电磁波跨界面传播的实验研究。自主研发了电磁波跨海面传播的实验系统；开展了甚低频电磁波跨越海水-空气界面传播的海上实验；证实了电磁波跨海水–空气界面

8、传播时主要依靠空气中的传输路径获得远距离传播。进一步，将海上实验结果和建立的三种