覆冰雪海域水下电磁波传播模型及水下电磁场的求解方法

本发明属于海洋电磁场仿真技术，涉及一种覆冰雪海域水下电磁波传播模型及水下电磁场的求解方法。

背景技术：

1、随着极地地区战略重要性的日趋凸显，极地资源的探测、开发和利用也成为当前世界各国关注的焦点，因此对极地环境进行监测和研究也变得非常重要。然而不同于中低纬度地区，极区存在大范围海冰覆盖的高纬度海洋，建立冰下无人观测网络是实现极地长期自动观测的关键手段之一。其中，观测设备间的数据交互与信息回传则是构建极区冰下观测网的基础，而电磁波则是实现这一基础的重要载体。但不同于陆地，极地环境多变，且海水和冰雪是损耗介质，电磁波传播存在较大的吸收损耗。因此，构建覆冰雪海域水下电磁波传播模型，并提出相应的求解方法，以研究水下电磁波在极地环境中的传播特性，为覆冰雪海域水下电磁波通信信道模型的建立奠定基础是十分必要的，而且这有助于开展极区冰下观测网络的设计与性能评估。

2、现有水下电磁波传播模型大都被简化为空气-海水-海底三层媒质模型，这在中低纬度地区是适用的，但并不适合比拟极区环境。此外，由于极区冰雪层存在初期冰、一年冰和多年冰等，其电磁参数各不相同。且受冰层影响，海水电导率随深度变化，无法在传播模型中使用一层媒质进行统一替代。因此，构建极区适用的覆冰雪环境下水下电磁波传播模型并实现准确求解是十分必要的。

3、由于现有水下电磁波传播模型不适合比拟极区的传播环境，导致无法准确地获得电磁波的传播特性。因此本发明目的在于构建适用于极区适用的覆冰雪环境下水下电磁波传播模型，并针对传播模型提出准确求解方法，为传播特性的获得和信道模型的建立奠定基础，进而指导以电磁波为通信载体的极区冰下观测网络设计实现。

4、为了获得极区适用的覆冰雪环境下水下电磁波传播特性，为信道模型的建立奠定基础，指导以电磁波为通信载体的极区冰下观测网络设计实现，提出了本发明的方法。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种覆冰雪海域水下电磁波传播模型及水下电磁场的求解方法，该多层模型可较好地比拟极区的覆冰雪环境，所提出的求解方法具备较高的稳健性和准确度。

3、本发明的主要内容有：

4、1、基于极区冰雪层和海水电磁参数的垂直分布特性，建立覆冰雪海域水下电磁波多层传播模型。模型中第1层对应空气，第2-5层媒质的电磁参数与厚度分别对应积雪、多年冰、一年冰和冰水混合层的相关参数，第n层对应海底层，第6-n-1层对应海水层，海水层数量根据海水电磁参数垂直分布设定。

5、2、针对覆冰雪海域水下电磁波多层传播模型，提出一种具备高稳健性和准确度的求解方法。该方法通过将各层的局部坐标原点放置在边界层，避免了波幅度相差过大，提高了算法的稳健性。根据边界条件和偶极子天线类型，构建直接全局矩阵，并对矩阵进行求解得到各层的幅度系数。然后根据接收点所在位置，选取相应幅度系数代入电磁场计算表达式中，最后使用直接法或快速傅里叶变换法对表达式进行求解，得到接收电磁场分量。

6、3、根据2)中求解方法对1)中传播模型进行求解，得到水下电磁场强度，为传播特性的获得和信道模型的建立奠定基础，进而指导以电磁波为通信载体的极区冰下观测网络设计实现。

7、技术方案

8、一种覆冰雪海域水下电磁波传播模型，其特征在于根据冰下观测网络布放区域冰雪层和海水电磁参数的垂直分布特性，建立覆冰雪海域水下电磁波多层传播模型；所述传播模型：第1层为无限大空气层、第2层为积雪层、第3层为多年冰层、第4层为一年冰层、第5层为冰水混合层、第6-n-1层为海水层和第n层为半无限大海底层。

9、所述第2层～第5层电磁参数与厚度均需根据实测参数。

10、所述第2层～第5层电磁参数与厚度均需根据相关电磁模型设定。

11、一种采用所述覆冰雪海域水下电磁波传播模型计算覆冰雪海域水下电磁场的方法，其特征在于：水下辐射源为水平磁偶极子，计算步骤如下：

12、设定接收点位于水下电磁波传播模型中任意一层的第m层，电磁场可以表示为te波和tm波的叠加；将传统方法中位于辐射源处的全局坐标原点平移到相邻两层之间的各个边界面处，设立为各层中上下行波的局部坐标原点，得到第m层电磁场分量表达式；

13、以m层幅度系数的线性方程作为边界层的边界条件：

14、在辐射源位置处设定一虚拟界面，以虚拟界面线性方程作为的虚拟界面的边界条件；

15、将两个界面线性方程的边界条件合并为包含tm波的所有振幅系数的线性方程组；

16、所述包含tm波的所有振幅系数的线性方程组为满秩全局矩阵，且对角占优的系数矩阵；

17、对所有振幅系数的线性方程组进行求解直接得到各层幅度系数；

18、将各层幅度系数带入第m层电磁场表达式中，使用直接法或快速傅里叶变换法对式中索末菲积分进行求解，即获得接收点处的电磁场。

19、所述第m层电磁场表达式为：

20、

21、

22、

23、

24、

25、

26、式中，和分别为使用局部坐标原点的第m层中tm波和te波的幅度系数，

27、所述第m层电磁场表达式的建立：当设定水下辐射源为水平磁偶极子，接收点位于第m层时，电磁场为te波和tm波的叠加：

28、

29、

30、

31、

32、

33、

34、式中，am,bm,cm和dm分别为第m层中tm波和te波的幅度系数；h1(1)(kρρ)为第1类1阶汉克尔函数；为对η的导数；kmz满足第m层中传播常数km表达式为：其中，ω＝2πf，f为电磁波频率；

35、将各层的局部坐标原点放置在边界层，降低了波幅度之间的比值，得到改进后的第m层电磁场表达式为：

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、式中，和分别为使用局部坐标原点的第m层中tm波和te波的幅度系数，

43、所述m层tm波幅度系数的边界条件为：

44、

45、式中，

46、所述虚拟界面的边界条件为：

47、

48、式中，is为磁偶极子极距。和分别对应原始统一坐标系下第l层中z＞0和z≤0的tm波幅度系数。

49、所述包含所有幅度系数的线性方程组：

50、

51、

52、式中，和分别对应原始统一坐标系下第l层中z＞0和z≤0的te波幅度系数。

53、一种所述覆冰雪海域水下电磁场的模型以及所述计算方法的应用，其特征在于：所述模型通过将冰雪层和海水分为多层，使之相较原有水下电磁波传播模型更适合表征覆冰雪海域实际环境；将传统方法中的全局统一坐标改为局部坐标，降低了波幅度之间的比值，提高了算法的稳健性；同时构建求解幅度系数的线性方程组，避免了逐层求解带来的误差传递，确保了方法的准确度；用于极区水下电磁波传播特性的获取和信道模型的建立，进而指导以电磁波为通信载体的极区冰下观测网络设计实现。

54、有益效果

55、本发明提出的一种覆冰雪海域水下电磁波传播模型及水下电磁场的求解方法，基于极区冰雪层和海水电磁参数的垂直分布特性，建立覆冰雪海域水下电磁波多层传播模型。针对覆冰雪海域水下电磁波多层传播模型，提出一种具备高稳健性和准确度的求解方法。该方法通过将各层的局部坐标原点放置在边界层，避免了波幅度相差过大，提高了算法的稳健性。根据求解方法对传播模型进行求解，得到水下电磁场强度，为传播特性的获得和信道模型的建立奠定基础，进而指导以电磁波为通信载体的极区冰下观测网络设计实现。

56、本发明的效果：

57、弥补了现有水下电磁波传播模型的不足与局限性，构建了适用于极区的覆冰雪环境下水下电磁波多层传播模型，提出了一种具有高稳健性和准确度的多层传播模型求解方法，为极区水下电磁波传播特性的获得和信道模型的建立奠定了基础，进而指导以电磁波为通信载体的极区冰下观测网络设计实现。

58、创新点：本技术书提出的覆冰雪环境下水下电磁波多层传播模型和求解方法，改变了原有水下电磁波传播模型结构，将冰雪层和海水分为多层，使模型更加符合实际环境。同时提出一种具有高稳健性和准确度的多层传播模型求解方法，该方法将传统方法中的全局统一坐标改为局部坐标，降低了波幅度之间的比值，提高了算法的稳健性；同时设定辐射源位置处存在一虚拟界面，根据边界条件和偶极子天线类型，构建求解幅度系数的线性方程组，各层幅度系数可通过对线性方程组进行求解直接得到，避免了逐层求解带来的误差传递，确保了方法的准确度。