电磁波跨越海—空界面传播特性研究

发布时间：2020-12-22 04:17

　　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... 

【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：159 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 研究历史及现状
        1.2.1 海水中电磁波的传播
        1.2.2 分层介质中电磁波的传播
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 电磁波在海水中的传播及其基础理论
    2.1 引言
    2.2 海水中的电磁波传播
        2.2.1 海水中电磁波的特征参数
        2.2.2 频率的初选和主要参数的确定
    2.3 海水中的偶极子天线
        2.3.1 垂直电偶极子
        2.3.2 水平电偶极子
        2.3.3 垂直磁偶极子
        2.3.4 水平磁偶极子
    2.4 海水中的环形天线
        2.4.1 海水中环形天线的辐射功率
        2.4.2 海水中环形天线的辐射电阻
    2.5 本章小结
第3章 海水中的偶极子在空气中辐射的电磁场
    3.1 引言
    3.2 海底–海水–空气组成的三层导电媒质
    3.3 空气半空间中的电磁场
        3.3.1 空气中的场分量
        3.3.2 海水介质中的波幅度
        3.3.3 空气介质中的波幅度
    3.4 空气中电磁场分布的数值计算
        3.4.1 Sommerfeld型积分方程的解法
        3.4.2 快速傅里叶变换法
        3.4.3 数值计算中关键参数的配置
        3.4.4 快速傅立叶变换法的推广
    3.5 海水中的水平电偶极子在空气中产生的电磁场
        3.5.1 电场分量
        3.5.2 磁场分量
        3.5.3 环境参数对电磁波跨界面传播的影响
    3.6 海水中的其他偶极子在空气中产生的电磁场
        3.6.1 垂直电偶极子
        3.6.2 水平电偶极子和垂直电偶极子性能比较
        3.6.3 水平磁偶极子
        3.6.4 垂直磁偶极子
        3.6.5 水平磁偶极子和垂直磁偶极子性能比较
    3.7 电偶极子和磁偶极子性能比较
    3.8 本章小结
第4章 海面电流片模型及界面两侧电磁场的连续性
    4.1 引言
    4.2 海水中的辐射源在海水–空气界面的菲涅耳带
        4.2.1 海面菲涅耳带的划分
        4.2.2 海空界面上的电流片区—1/3 第一菲涅尔带
    4.3 海水–空气界面上电流片的电流密度
        4.3.1 海水中的电偶极子
        4.3.2 电流片上的电流密度
        4.3.3 电流片的厚度
        4.3.4 电流片上的电流
    4.4 电流片在空气中的磁矢势
        4.4.1 矢势的理论推导
        4.4.2 矢势中积分的数值求解
    4.5 电流片在空气中的电磁场
        4.5.1 由磁矢势得到的电磁场
        4.5.2 部分模型计算结果
    4.6 海水中其他偶极子的电流片模型
        4.6.1 垂直电偶极子
        4.6.2 水平磁偶极子
        4.6.3 垂直磁偶极子
    4.7 电磁场在界面两侧的连续性
        4.7.1 FEKO模型的建立
        4.7.2 海面电场的分布
        4.7.3 界面两侧电磁场的连续性
    4.8 本章小结
第5章 界面和天线姿态变化对电磁波跨界面传播的影响
    5.1 引言
    5.2 起伏界面对电磁波跨界面传播的影响
    5.3 海水中的倾斜偶极子在空气中产生的电磁场
        5.3.1 电磁场的叠加原理
        5.3.2 海水中沿y轴放置的电偶极子在空气中产生的电磁场
        5.3.3 海水中的倾斜电偶极子在空气中产生的电磁场
        5.3.4 海水中的倾斜磁偶极子在空气中产生的电磁场
    5.4 倾斜偶极子产生的电磁场的数值计算
        5.4.1 倾斜电偶极子
        5.4.2 倾斜磁偶极子
        5.4.3 倾斜天线与水平/垂直天线的性能比较
    5.5 水下天线倾斜角的随机变化
        5.5.1 倾斜角的随机变化对垂直偶极子天线的影响
        5.5.2 倾斜角的随机变化对水平偶极子天线的影响
    5.6 本章小结
第6章 电磁波跨界面传播的海上实验
    6.1 引言
    6.2 实验系统描述
    6.3 发射端设计
        6.3.1 发射环形天线
        6.3.2 发射端电路
    6.4 接收端设计
        6.4.1 接收天线
        6.4.2 频谱分析仪
        6.4.3 感应电压
    6.5 海上实验
        6.5.1 海上实验参数设置
        6.5.2 海上实验中的信号和噪声
        6.5.3 海上实验结果
    6.6 理论计算结果与实验结果的对比
        6.6.1 海上实验结果和三层导电媒质模型结果的比较
        6.6.2 海上实验结果和电流片模型结果的比较
        6.6.3 海上实验结果和理论模型中天线姿态变化结果的比较
    6.7 跨界面电磁波远距离传播的预测
    6.8 本章小结
第7章 全文总结
    7.1 研究内容总结和主要创新点
    7.2 有待进一步研究的问题
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况
攻读博士学位期间申报的国家发明专利
攻读博士学位期间参加的部分科研情况


【参考文献】：
期刊论文
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[3]导电媒质平面上方垂直磁偶极源赫兹位函数的球面波展开式[J]. 江滨浩,刘永坦.  电子学报. 2006(06)
[4]AD9833型高精度可编程波形发生器及其应用[J]. 刘国良,廖力清,施进平.  国外电子元器件. 2006(06)
[5]海底光缆结构与发展[J]. 姬可理,张文轩.  光通信技术. 2006(05)
[6]频谱分析仪的原理和发展[J]. 班万荣.  现代电子技术. 2005(07)
[7]对潜通信系统及其发展探讨[J]. 江月明.  无线电工程. 2003(09)
[8]倾斜分层非均匀介质中磁偶极子场的数值分析[J]. 史晓锋,李铮,王宝发,肖红兵.  北京航空航天大学学报. 2003(02)
[9]海洋电磁法研究的现状和进展[J]. 何继善,鲍力知.  地球物理学进展. 1999(01)
[10]三层导电媒质中环天线的远区电磁场[J]. 龙云亮,蒋鸿雁,彭仲秋.  电子学报. 1995(06)

博士论文
[1]海洋电磁场的理论及应用研究[D]. 张自力.中国地质大学（北京） 2009
[2]空气中声源产生的水下声场建模与分析[D]. 张翼鹏.西北工业大学 2007

硕士论文
[1]海洋背景磁场数值模拟及东中国海上层海流磁场分布[D]. 张海滨.中国海洋大学 2008



本文编号：2931116