一种电磁波跨越海与空界面电磁场的获得方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电磁波跨越海与空界面传播电磁场的获得方法，适用于水下、海 水-空气间利用电磁波进行无线通信与数据传输，属于分层介质中电磁波的传播、水下无 线电通信技术等领域。
【背景技术】
[0002] 电磁波具有传播速度快、不受海洋环境噪声和多途效应的影响、以及优良的穿透 海水-空气界面的性能等，因此在水下数据交互与通信、跨界面无线数据传输、海空天监 测网络、以及水下无线传感器网络等领域具有广泛的应用和迫切的需求。关于电磁波在海 水-空气组成的多层导电媒质中的辐射与传播的研宄方法也是多种多样的。
[0003] 传统的解决途径是基于Maxwell方程和边界条件的方法。建立海底-海水-空 气三层导电媒质模型，结合不同媒质中电磁波在分界面上某个方向分量连续的条件，得到 一组偏微分方程，最后解得不同区域中各个分量的表达式。由于得到的电磁场的表达式 为Sommerfeld形式的积分（SI)，不能直接得到结果，因此后来的研宄多是围绕如何求解 该积分。关于求解积分的方法很多，主要分为解析方法和数值方法：（1)数值方法。在近 场情况下，直接数值积分的方法往往是有效和实用的，典型的有文献I "Electromagnetic Fields in a Dissipative Half-Space:A Numerical Approach, Journal of Applied Physics 1970, vol. 41，p. 2415-2423"公开的沿被积函数的实轴对SI进行直接积分，并通 过与其他方法和实验结果的比较，证明了其有效性。文献2 "Numerical evaluation of electromagnetic fields due to dipole antennas in the presence of stratified media, Journal of Geophysical Research, 1974, vol. 79, p. 2077-2080" 公开的米用快速 傅立叶变换法（FFT)将积分中的被积函数的某项展开，最后再进行有限次加和，从而有效 减少了计算时间。这些方法只能得到近场情况下的场强分量，对于远场，由于被积函数的快 速震荡，使得数值方法有很高的计算复杂度和较低的精度。（2)解析方法。基于复镜像理 论（complex image theory)和驻相法求解远场条件下的SI，典型的有文献3 "Far-region electromagnetic radiation with a vertical magnetic dipole in sea, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2001 vol. 49, p. 992-996" 公开的将 SI 积分展开 成无穷级数，利用复镜像理论和展开式中慢变部分在驻相点没有奇异性等特征，得到SI 积分的远场近似。这类方法虽然能得到电磁波在分层导电媒质中辐射与传播的近似结 果，但只是单纯的利用数学技巧去求解波动方程，并没有对辐射和传播的过程进行合理的 物理解释，同时其计算过程十分复杂和冗长。文献4 "A channel model for wireless underground sensor networks using lateral waves, in Global Telecommunications Conference(GL0BEC0M 2011)，2011IEEE，p. 1-6"将导电媒质中传播的电磁波根据传播路径 分解成直达波、反射波和侧面波，详细推导并分析了这三种成分的表达式和对总场的贡献。 该方法简单并且物理意义明晰，但是只能应用于电磁波在同一媒质中的辐射与传播，而跨 界面的情形不能得到有效的解决。
【发明内容】
[0004] 要解决的技术问题
[0005] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电磁波跨越海与空界面传播电磁 场的获得方法，弥补现有技术操作复杂和适用范围有限的不足。
[0006] 技术方案
[0007] 一种电磁波跨越海与空界面传播电磁场的获得方法，其特征在于基于海水中的辐 射源在海面激起的感应电流，将该感应电流在空气中产生的二次辐射场视为海水中的辐射 源产生的电磁波跨越海水-空气界面后在空气中产生的电磁场，步骤如下：
[0008] 步骤1 :将海水与空气的分界面S分成不同的区域Zi,且每个区域中的辐射波的相 位一致；
[0009] 所述不同的区域：中心的Z1区为一个圆形，向外依次Z2，…，Z n区都是环带；第i 个环带的面积为
【主权项】
1. 一种电磁波跨越海与空界面传播电磁场的获得方法，其特征在于步骤如下： 步骤1 :将海水与空气的分界面S分成不同的区域Zi，且每个区域中的辐射波的相位一 致； 所述不同的区域：中心的Z1区为一个圆形，向外依次Z 2，…，Zn区都是环带；第i个环 带的面积为
其中：λ为空气中的波长，Γ(ι是辐射源深度，P ^为空气中任意一点P点距海面高度， β、k分别为电磁波在海水和空气中的相移常数； 步骤2 :P处的总场A表示为A = AJA2+……+An，A1, A2,……，An为所有环带在P处产 生的辐射场强度的幅度；总场强为第一菲涅耳带贡献的一半，即A ~ 4/2,第一菲涅耳带Z1 前三分之一的贡献近似等于全空间的A值，与Z1前三分之一区域对应的半径：
其中=F1为第一菲涅耳带的半径； 以半径为a的圆形区域为海面感应电流产生二次辐射的主辐射区，称其为电流片区； 步骤3、确定电流片上电流密度：以水下辐射源在海面处产生的电场强度乘以海水的 电导率σ，得到由电场E引起的传导电流密度J ; 步骤4、电流片在空气中产生的磁矢势：圆形区域上的一个小面元ds(r，Θ，〇)在空气 中P (/八6 z')·处产生的磁矢势为dA。对整个电流片区积分就得到电流片区在p处产生的 磁矢势 -dve 4π^ R 式中：μ C1为空气中的磁导率，R为面元到场点P的距离； 步骤5 :根据磁场分量和磁矢势之间的关系S = Vxzi，求出空气中磁场的各个分量； 根据Maxwell方程VxB二求出空气中电场的各个分量，至此就得到了水下的 辐射源跨越海水与空气界面后在空气中产生的电磁场E和B的各个分量。
【专利摘要】本发明涉及一种电磁波跨越海与空界面传播电磁场的获得方法，利用海水的导电性，给出了水下辐射源在海水-空气界面产生的感应电流，结合惠更斯-菲涅耳原理确定了海面感应电流的分布和区域大小，继而将海面感应电流区域看作为已知电流密度分布的天线，通过它向空气中进行二次辐射，从而确定出空气中的电磁场分布。本发明避免了直接求解SI积分，克服了现有技术操作的复杂，能够简单明确地给出电磁波跨界面传播的物理过程和场的分布，且有闭式的表达式。
【IPC分类】G01R29-08
【公开号】CN104833860
【申请号】CN201510096415
【发明人】杨坤德, 王宏磊, 郑琨, 马远良
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月4日