一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法技术

本发明专利技术涉及一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法，先分别两层介质建模、后矢量叠加合成的新的建模方法。该方法实施过程中，例如当辐射源位于海水介质中时，先针对空气

【技术实现步骤摘要】
一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法


[0001]本专利技术属于海洋电磁场计算，涉及一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法。

技术介绍

[0002]利用电磁波可以在海洋界面附近进行数据的远距离无线传输和通信。该技术本质上是利用了电磁波在分层导电介质中传播时，存在跨界面的表面波和侧面波分量，从而可以大大增加传播距离(王宏磊，电磁波跨越海—空界面传播特性研究，西北工业大学博士学位论文，2015)。利用该物理现象可以实现海面附近和海底附近的数据无线传输，例如水下航行体与海面舰船之间的数据无线传输和通信，海底布放的传感器节点之间的数据无线传输和通信等。
[0003]电磁波在海洋界面附近的传播模型和电磁场强度计算是实现基于电磁波的数据无线传输和通信的基础理论。分层导电媒质中电磁波的传播理论常常用于海洋分层介质中电磁波的传播建模(R.W.P.King,Lateral Electromagnetic Waves:Theory and Applications to Communications,Geophysical Exploration,and Remote Sensing.New York:Springer London,Limited,1992)。针对海水中电磁波的传播建模，空间介质一般分成空气
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海水
‑
海底三层导电媒质，如图1所示，发射和接收天线可以位于三种介质中的任意位置，天线形式可以是电偶极子也可以是磁偶极子。根据分层导电媒质中电磁波的传播理论，可以直接写出三个区域中的Maxwell方程组(当辐射源位于某层区域时，该层区域的Maxwell方程中多了辐射源的参数)，然后联合海面、海底上下两层界面附近的边界条件，求得三层介质中任意位置的辐射电场和磁场。
[0004]一般来说，联立各层介质中的Maxwell方程组和各个分界面附近边界条件即可得到空间中的电场和磁场。两层介质是最基础的模型，比如仅考虑空气
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海水两层介质时，只存在一个分界面且两层都是无限大半空间。当介质层数超过两层时，如上述的空气
‑
海水
‑
海底三层介质，虽然模型更加符合实际海洋环境，计算结果也应更加准确，但是层数的增加使得求解方程数量增加，同时各层之间的电磁场还存在耦合影响，导致模型的构建和求解过程的难度大大增加。为了得到电场和磁场强度，往往需要对表达式进行近似或者增加计算资源，反而会降低模型计算的准确度或者计算效率。进一步，为了准确刻画海洋环境和提高模型计算的精度，需要将海水的不均匀性考虑进去，此时海水也被视为多层媒质。此种情况下构建的模型中介质的层数远远大于三层，如图2所示，方程的数量更多，各层电磁场之间的耦合更加复杂，基于传统分层理论下模型的构建难度会近似指数规律增加，计算效率和计算精度更会大大降低，同时各层复杂的耦合关系导致电磁场传播的物理机理也难以解释。
[0005]综上所述，如何降低海洋分层导电媒质中电磁波传播模型的构建难度，同时提高计算效率、计算精度，增加计算结果的物理解释性，成为该领域研究的热点问题之一。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法，针对空气
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海水
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海底三层媒质中电磁波的传播建模，提出一种先分别两层介质建模、后矢量叠加合成的新的建模方法。该方法实施过程中，例如当辐射源位于海水介质中时，先针对空气
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海水两层介质进行建模计算，再针对海水
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海底两层介质进行建模计算，最后将各自模型计算结果进行矢量合成，便得到了三层介质时的结果。如此做法，在降低建模复杂度的同时，可以保证计算效率、计算准确度和结果的物理解释性。
[0008]技术方案
[0009]一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法，其特征在于：当海水深度D大于趋肤深度δ时，即式中：工作频率f、海水电导率常数ζ和海水磁导率常数μ，建模步骤如下：
[0010]步骤1、将空气
‑
海水
‑
海底三层媒质拆分为两个两层媒质模型：
[0011]1、以空气
‑
海水两层半无限大媒质，构建电磁波传播模型，海水中产生的矢量电位F
′
1z
为：
[0012][0013]其中ε1为海水介电常数，I
m
dl磁偶极子的磁偶极矩，γ1为海水中传播常数，γ2为空气中传播常数，z为接收天线至海面的距离，d为发射天线至海面的距离，λ为积分变量，ρ为水平距离，J0为零阶贝塞尔函数；
[0014]2、以海水
‑
海底两层半无限大媒质，构建电磁波传播模型，得到海水中产生的矢量电位F
″
1z
为：
[0015][0016]其中D为海水深度，γ
‑1为海底中传播常数；
[0017]步骤2：将两层媒质模型进行叠加，得到三层媒质时的结果，获得空气
‑
海水
‑
海底三层媒质时海水中的垂直磁偶极子在海水中产生的矢量电位F
1z
为：
[0018][0019]步骤3：利用矢量电位和电磁场之间关系，推导得到电场和磁场的表达式：
[0020][0021][0022]其中F为矢量电位，E表示电场，H表示磁场，ω为角频率，为旋度算子。
[0023]当辐射源为水平磁偶极子时，所述步骤2中，将两层媒质模型进行叠加，得到三层媒质时的结果，获得空气
‑
海水
‑
海底三层媒质时海水中的水平磁偶极子在海水中产生的矢量电位；当辐射源为水平磁偶极子时，矢量电位除了有z方向分量F
1z
外，还存在x方向分量F
1x
：
[0024][0025][0026]其中其中为场点与ρ之间的夹角，J1为一阶贝塞尔函数；
[0027]将矢量电位F
1z
和F
1x
带入步骤3，得到电场和磁场的表达式。
[0028]当辐射源为垂直电偶极子，所述步骤2中，将两层媒质模型进行叠加，得到三层媒质时的结果，获得空气
‑
海水
‑
海底三层媒质时海水中的垂直电偶极子在海水中产生的矢量磁位A
1z
：
[0029][0030]其中μ1为海水磁导率，Idl为电偶极子的电偶极矩；
[0031]将矢量磁位A
1z
带入下式，得到电场和磁场的表达式：
[0032][0033][0034]其中A为矢量磁位，E表示电场，H表示磁场，为旋度算子。
[0035]当辐射源为水平电偶极子，所述步骤2中，将两层媒质模型进行叠加，得到三层媒质时的结果，获得空气
‑
海水
‑
海底三层媒质时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法，其特征在于：当海水深度D大于趋肤深度δ时，即式中：工作频率f、海水电导率常数ζ和海水磁导率常数μ，建模步骤如下：步骤1、将空气
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海水
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海底三层媒质拆分为两个两层媒质模型：1、以空气
‑
海水两层半无限大媒质，构建电磁波传播模型，海水中产生的矢量电位F1′
z
为：其中ε1为海水介电常数，I
m
dl磁偶极子的磁偶极矩，γ1为海水中传播常数，γ2为空气中传播常数，z为接收天线至海面的距离，d为发射天线至海面的距离，λ为积分变量，ρ为水平距离，J0为零阶贝塞尔函数；2、以海水
‑
海底两层半无限大媒质，构建电磁波传播模型，得到海水中产生的矢量电位F
″
1z
为：其中D为海水深度，γ
‑1为海底中传播常数；步骤2：将两层媒质模型进行叠加，得到三层媒质时的结果，获得空气
‑
海水
‑
海底三层媒质时海水中的垂直磁偶极子在海水中产生的矢量电位F
1z
为：步骤3：利用矢量电位和电磁场之间关系，推导得到电场和磁场的表达式：步骤3：利用矢量电位和电磁场之间关系，推导得到电场和磁场的表达式：其中F为矢量电位，E表示电场，H表示磁场，ω为角频率，
▽
为旋度算子。2.根据权利要求1所述海洋多层介质中电磁波传播时电磁场的建模方法，其特征在于：当辐射源为水平磁偶极子时，所述步骤2中，将两层媒质模型进行叠加，得到三层媒质时的结果，获得空气
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海水
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海底三层媒...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏磊，杨益新，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：