极低频电磁场近区传播及其在混合传播路径中的理论分析与应用

发布时间：2020-07-11 17:20

【摘要】：极低频电磁波在潜艇通信、海底探测、地质勘探和地震电磁监测等诸多领域中有着重要的应用,这促使人们对其传播机制的理解不断深入。然而,在这方面的研究资料较少,尤其是极低频电磁波在近区的传播求解问题,需要更多的研究和关注。本文围绕极低频电磁波在近区传播的求解,及其在雷电、海底传播、混合路径波导等方面的应用进行了阐述及推导。现将主要研究工作总结如下:1、首先基于Sommerfeld积分的一般式,通过准静态近似的方法对垂直电偶极子激励下的电磁场分量进行了估值,推导出极低频电磁波在近区的解析近似表达式。并给出了极低频电磁波在半空间中沿空气和地表分界面传播的理论分析结果。2、进一步地,给出了垂直电偶极子激励下的瞬态解近似表达式。该瞬态式基于前文给出的频域解,适用于求解极低频电磁波在近区的计算。将此单位脉冲相应的结果与双指数源进行卷积计算,得到了双指数源激励的瞬态解析表达式,用于模拟雷电信号产生的极低频脉冲在空间中的时频相应特性。3、基于Sommerfeld积分的一般式,推导了水平电偶极子激励下的极低频电磁波的频域近似解。特别是沿海水和岩石分界面传播的海底结构中,水平电偶极子激励的极低频电磁波有极为重要的应用背景。通过将本文给出的解析近似解与已有结果的对比,论证了结果的正确性。4、进一步给出了水平电偶极子激励下沿一维各向异性介质表面传播的极低频电磁波的近区近似结果,通过与实测数据的对比,可以看到将海底岩石层结果当作各项异性介质相较于各向同性介质而言具有更好的比拟作用,所得出的数值结果比各向同性的情况更接近实测数据。5、对极低频电磁波在近区传播应用举例。研究了雷电信号激励的极低频电磁波在近区的传播特性,并将雷电过程看作双指数函数源产生极低频电磁波在空间传播的时域响应过程;还研究了极低频电磁波在海底近场传播时的空间分布以及坡印廷能流分布等,为极低频电磁波在海底勘探研究中的应用提供一定的理论帮助。6、最后研究了混合路径波导中极低频近区电磁波的传播计算方案。给出了陆-海过渡路径波导中极低频近区电磁波解析表达式和模转换系数,通过数值计算结果对混合多段路径波导中极低频近区的计算提供一定的参考。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN011
【图文】：

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大学博士学位论文１绪论逡逑另一方面，随着电磁场日益渗透着我们的日常生活，越来越多的人开始关注生物医学逡逑涉及到的细胞组织与电磁近场的互作用，其中属极低频电磁场（Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ邋Ｌｏｗ邋Ｆｒｅ？逡逑ｅｎｃｙ－Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｆｉｅｌｄ，邋ＥＬＦ－ＥＭＦ）邋对人体健康的影响最为瞩目邋。极低频电磁场健康逡逑研究主要有流行病学调查、人体、动物、细胞、生物物理等层次的研究［￣４］。２０１８年，逡逑

侧面波,传播模型,半空间

使得这些设备和仪器对于检测电磁波的灵敏度不断提高。生活中存在很多种电逡逑磁干扰源会影响这些精密设备和仪器的运行，本文则主要研究的是自然界的雷电干扰源，逡逑雷电环境如图１．１（ｅ）所示［１５］。雷电电磁脉冲就是与雷电放电相联系的电磁辐射，所产生的逡逑超强瞬态电场和磁场能够耦合到电器或电子系统中，从而产生干扰性的浪涌电流或浪涌电逡逑压。因此，雷电对电子设备和系统的威胁很大，电信系统的雷电电磁脉冲损失呈现越来越逡逑高的趋势，有关防护问题在国内外已引起了高度重视。为了保护电子设备和系统，提高人逡逑们的综合防护能力，加大对雷电电磁脉冲辐射场的研究是非常有必要的。雷闪产生的脉冲逡逑场，其主频都在低频、极低频范围［１６］，而且，能够产生这种强干扰的电磁脉冲激励源一般逡逑是距离地面很近的地方。所以，研究极低频近区瞬态电磁场的激励传播特性有着重要的现逡逑实思NB。逡逑实际监测到的雷电流波形各不相同，但是一般而言，电流具有单峰形式的豚冲电流波逡逑形

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￡ｆｉｒＸｐ，Ｚ），逦和句＂（ＡＺ）三项分别表示直徶波，理想反射波和侧面波。逡逑如图１．２所示，其物理模型表示的是位于地层中距离边界（空气和地层）很近的偶极逡逑子在两层介质中激励的电磁场中侧面波的传播路径。侧面波是指当发射天线和接收天线均逡逑放置在有耗介质中，例如海水、岩石。电磁波的传播方式是首先从发射天线向上传播穿过逡逑有耗介质层到达空气层，然后沿着空气层和有耗介质层的分界面上进行传播，在传播到接逡逑收天线上方的位置时，再往下穿透进有耗介质层传播到接收天线的位置。Ｋｉｎｇ等人在其著逡逑作中介绍了这种侧面波传播是沿着损耗较小的一侧传播的，幅度值随距离的变化的规律可逡逑以用菲涅尔积分或者误差函数来表示，这些理论已经被学术界广泛接受，并被很多学者验逡逑证。图１．３给出了直达波，理想反射波和侧面波的传播路径。逡逑区域０（空气）＇。，八，00；＜逡逑！、、、、、、、？逡逑—广－＾逦＾——逡逑叫Ｚ邋々、、逦！！ｚ逡逑ｌｉｉ邋：逦邋＼邋ｉ：逡逑发射源逦Ｌ￣逦：必逡逑区域１（岩石层＆逦倒欠点逡逑图１．３半空间模型电磁波传播模型逡逑１．３本文内容安排逡逑极低频电磁波在军事领域上是不可缺少的部分

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