基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法技术

本发明专利技术是一种基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法，主要应用在高频电磁波(百兆级频率)在浅海面穿越海水到达海面接收机过程中的跨水气界面上行链路传输。本发明专利技术在水下采用气泡发生装置与天线相集成的波导装置，利用气泡波导发生单元产生水下气泡层，信号发射单元发射的信号通过水下气泡层向水上传播，本发明专利技术利用气泡改变海水特定空间等效的介电常数和电导率，继而改变电磁波传输环境，实现百兆级频率的高频电磁波在气泡波导中传输，并在跨海水界面后信号还有足够能量完成空、天基的信号传输。本发明专利技术方法操作简单、隐蔽性高、绿色环保，填补了跨水气界面传输的技术空白，使得高频电磁波能够打破衰减壁垒，真正运用到水下通信领域中。

【技术实现步骤摘要】
基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法
本专利技术涉及跨水气界面通信
，具体涉及一种基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法，主要应用在高频电磁波(百兆级频率)在浅海面穿越海水到达海面接收机过程中的跨水气界面上行链路传输。
技术介绍
当前跨水气界面通信一般是单向定时通信，时效性差，需要发信时上浮到潜望或水面状态通过外置天线进行短波、超短波或卫星通信。随着探测技术发展，这种方式不利于隐蔽，因此需要寻求一种新的水下发信方式进行水-气跨界面上行通信。目前水下已有通信方式有：激光通信、超长波通信、水声通信、光纤通信以及电磁通信。其中，激光通信需要从光密介质传播到光疏介质，散射严重，且保密性欠佳；超长波通信很难满足天线尺寸要求且传输速率低下；水声通信在浅海面受到严重的噪声干扰，传播速度慢、散射严重；光纤通信布设及维护困难，且灵活性差。电磁波作为一种有效的信号载体，具有通信速率高、抗噪声能力强、传播速度快、安全性高、穿透性强、较低功耗、对准要求低等优势，对空基通信表现出较好的匹配特性。但由于其不能很好地匹配水下环境，导致信号在传输过程中衰减严重，因而一直未能在水下通信系统中得到充分利用。高频电磁波，由于其波长短、频带宽、波束窄、保密性好、通信质量高等优势，可以有效地解决高速宽带无线接入面临的许多问题，然而高频电磁波在海水中衰减极大，很难满足水中传输需求。目前水下的电磁波通信多采用中低频段，相对于高频电磁波，其带宽极窄，传输速率极低，并且需要很大的天线尺寸。然而电磁波在海水中的衰减速度随着频率的升高而急剧增大，如下式所示，因此，很难将高频段的电磁波运用到实际海下场景中。P＝P0e-αk其中，P为电磁波功率，P0为初始功率，α为海水衰减常数，k为海水中的传输距离。不同频率的电磁波在海水中衰减MdB可以传输距离k米，有：其中：电磁波衰减量随频率和传输距离的变化关系如图1所示，可以看出高频电磁波在水下衰减严重，短距离传输情况下都能达到上千dB。因此，目前国内外还没有高频电磁波应用于水下传输的相关研究成果。为突破电磁波在水下传输的瓶颈，将电磁波作为水下发信方式，必须从根源解决衰减问题，人为改变水下信道的特征，才能将其有效应用于水下环境。
技术实现思路
面向跨水气界面通信，本专利技术提出了一种基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法，通过微孔介质产生传输性能可调的气泡波导，解决高频电磁波在水-气跨界面传输过程中的高衰减问题，可以保证舰船通信传输的隐蔽性、机动性。本专利技术的跨水气界面波导生成方法，水下发信设施采用气泡发生装置与天线相集成的波导装置，利用气泡改变海水空间等效的介电常数和电导率，继而改变电磁波传输环境。本专利技术所使用的波导装置包括气泡波导发生单元和信号发射单元。所述的气泡波导发生单元产生水下气泡层。所述的信号发射单元发射的信号通过所述的水下气泡层向水上传播。所述的气泡波导发生单元包括供气装置和微孔陶瓷管阵列。供气装置产生高压气体，高压气体通过微孔陶瓷管阵列切割成泡。本专利技术在纯海水中传输的基础上，使用微孔介质产生密集气泡，将海水介质转化为气泡波导介质，并通过该介质进行跨界面电磁波传输，实现百兆级频率的高频电磁波在气泡波导中传输。人工气泡由密集气泡组成，在自然上升过程中体积逐渐增大，由此可以通过减少海水介质的填充量，将水中电磁波大幅度的衰减转化为人工气泡液膜的散射和折射，大大减小信号传输的衰减率，使得跨海水界面后信号还有足够的能量完成空、天基的信号传输。通过人工干预产生气泡来改变海水传输介质的方式隐蔽性高，生态友好无污染，为解决跨水气界面的信息传输提供了保障。附图说明图1是电磁波衰减量随频率和传输距离的变化关系图；图2是气泡方案示意图；图3是信道决策控制方案图；图4是探头间气泡分布及电阻分布示意图；其中，(a)为气泡任意分布于探头极间M个横长方体内示意图，(b)为探头极间的电阻网络图，(c)为单个纵长方体内9个气泡呈3*3分布示意图，(d)为含有9个气泡的单个纵长方体的电阻网络图；图5是电导率随气泡含量的变化图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。考虑到海水中电磁波衰减严重，传输距离过短，本专利技术创造性地提出了提供了一种基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法，适用于跨水气界面的上行链路。本专利技术方法主要用于电磁波在浅海的跨水气界面传输，考虑到电磁波在海水中的衰减主要是由于海水的介质特性引起的，因而采用人工干预介质产生气泡的方法，制造密集气泡，改变海水介质的相关特性来改善水下信道，减少电磁波在水下的衰减。本专利技术提供的跨水气界面波导生成方法，如图2所示，将气泡发生装置与天线相集成的双效发射装置作为水下发信设施。本专利技术所使用的波导装置包括气泡波导发生单元和信号发射单元。其中，气泡波导发生单元用于水下气泡层的产生，气泡层的直径、密度、厚度及气泡速度可调，以产生分布、形状各异，传输性能不同的气泡波导，用以实验各个因素对信号衰减产生的影响。信号发射单元的信号频率可调，以测定不同频率范围内的衰减情况，为水下通信频段地选择做准备。如图2所示，气泡波导发生单元包括供气装置和微孔陶瓷管阵列。供气装置采用微孔陶瓷管作为微孔介质，辅以空压机作为气体来源，使得高压气体穿过陶瓷管微孔切割成泡。该方法可以通过调节气压来控制产生气泡的密度，气压越大，气泡密度越大；通过调整陶瓷管数量来控制气泡层的厚度，陶瓷管的数量越多，产生气泡层的厚度越大；通过调整陶瓷管微孔孔径来控制气泡的直径，陶瓷管微孔孔径与气泡直径呈现非线性再增大关系。由此可以产生大小、密度、厚度、产生速度可控的气泡波导，从而为电磁波提供较为稳定的传输环境。图2中，信号发射单元设置在微孔陶瓷管阵列上方，所发射的信号在产生的水下气泡层中向水上传播。气泡波导的具体的决策方案如图3所示。采用控制变量法分析不同变量下衰减值的变化情况，得出衰减值与直径d，密度p、速度v及厚度h的关系，以此建模，与原有理论模型进行比较后对模型进行调整，逐步增强其健壮性和鲁棒性。以减小信号载体通过气泡波导的衰减为目标，根据气泡直径、密度、产生速度及厚度等可控变量下的决策结果，测定不同频率下的电磁波衰减，为不同频段的高频电磁波选配合适的气泡波导参数。电磁波在海水中的高衰减特性，归根结底都是由于海水的高介电常数ε和高电导率σ引起的，电磁波的海水衰减参数α表示为：其中，μ0为磁导率常数，ω表示频率。电磁波在海水传播过程中，电场产生传导电流。电磁场能量通过电流转化为热能，致使电磁场的振幅不断衰减。因此可以通过对气泡波导的介电常数和电导率进行理论分析，从而建立气泡波导的衰减模型。下面说明含气泡海水的介电常数的理论计算。无气泡纯海水的介电常数ε2＝ε2′-jε2″，其中：其中，ε∞为高频介电常数，εs为静态介电常数，δi为电导率，τ为延迟时间。海水中气泡体积含量用R表示，含气泡海水的平均介电常数εa表示为：此处的R是指单位体积海水中的气泡体积所占的百分比。经分析发现，随着气泡含量的增长，海水中气泡波导的相对介电常数急剧下降，在气泡含量趋近于100％时，混合相对介电常数趋近于空气中的相对介电常数，表现出理想情况下的介质特性。本专利技术方法中，在设置气泡在海水中含量R在80％以上时，可以在近海面(水下1～2m处)进行百兆级及以下频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法，其特征在于，设置在水下发信的波导装置采用气泡发生装置与天线相集成，利用气泡改变海水特定空间等效的介电常数和电导率，继而改变电磁波传输环境；所述的波导装置包括气泡波导发生单元和信号发射单元；所述的气泡波导发生单元产生水下气泡层；所述的信号发射单元发射的信号通过所述的水下气泡层向水上传播。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工气泡的跨水气界面波导生成方法，其特征在于，设置在水下发信的波导装置采用气泡发生装置与天线相集成，利用气泡改变海水特定空间等效的介电常数和电导率，继而改变电磁波传输环境；所述的波导装置包括气泡波导发生单元和信号发射单元；所述的气泡波导发生单元产生水下气泡层；所述的信号发射单元发射的信号通过所述的水下气泡层向水上传播。2.根据权利要求1所述的跨水气界面波导生成方法，其特征在于，所述的气泡波导发生单元包括供气装置和微孔陶瓷管阵列；供气装置产生高压气体，高压气体通过微孔陶瓷管阵列切割成泡。3.根据权利要求2所述的跨水气界面波导生成方法，其特征在于，所述的气泡波导发生单元中，通过调节供气装置的气压控制产生气泡的密度，通过调整陶瓷管数量控制气泡层的厚度，通过调整陶瓷管微孔孔径控制气泡的直径。4.根据权利要求1或2所述的跨水气界面波导生成方法，其特征在于，所述的气...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫东，王朝炜，王旋，韩丽媛，秦彩，崔高峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11