甚低频电磁波跨越海-空界面传播特性研究

Data transmission using very low frequency electromagnetic wave(VLF) across the interface which consists of conducting medium(seawater) and atmosphere is still a scientific problem to break through. The VLF wave which is transmitted in the sea can propagate to the far distance in the air across the seawater-to–air interface, and then return to the seawater. Compared with straight propagation in the seawater, this kind of seawater-air-seawater propagation way can significantly reduce the transmission loss. The validity of this statement has been verifed by two exploratory experiments on the sea. The further reasearch will be very meaningful for the development of underwater sensor network and submarine communication. In this project, the radiation and propagation model of EM wave in two-layered conducting half space is built. The EM fields in each layer are obtained by means of boundary conditions and numerical methods.This project intends to focus on the research of mathematical model of VLF band wave across the sea-to-air interface, the formation mechanism of seawater-air-seawater transmission link.The model of current sheet and secondary radiation is established with clear physical meaning. The far distance transmission mechanism of surface wave and lateral wave is analysed.Then 1-10 kilometers distance experiment system and experimental methods are studied on the base of theoritical research. The theoritical model will be revised and improved due to the analysis of the experimental results. Eventually, some effots will be taken to strive for breakthroughs in its physical basis and key technology.

甚低频（VLF）电磁波跨越导电媒质（海水）与空气界面的信息传输，是一个有待突破的科学问题。海水中发射的甚低频（3kHz-30kHz）电磁波可以跨越水空界面，经由大气路径传播到较远距离，并重新进入水中。这种电磁波的水－空－水跨界面传输方式与水下直接传输相比，其路径损失大大减小。我们进行的两次海上探索性实验验证了上述论断的正确性，其深入研究对于水下传感器网、对潜通信等领域的发展具有重要意义。本项目针对海水-空气两层无限大半空间中电磁波辐射和传播进行建模，利用边界条件和数值方法进行求解，从而得到两层介质中的辐射场。重点研究VLF波段电磁波跨越海水－空气界面的数学模型、海水－空气－海水传输链路的形成机理。建立物理意义明晰的电流片及二次辐射模型，分析表面波、侧面波远距离传播机理。研究（1-10）公里距离的实验系统及实验方法，结合实验结果修正并完善理论模型，争取在其物理基础和关键技术上取得突破。

利用电磁波实现海洋中信息的跨界面无线传输，是一个有待突破的科学技术问题。项目系统地研究了海水中的偶极子天线辐射的电磁波跨越海水-空气界面传播的特性。从二次辐射的角度出发建立了电流片模型，揭示了传播过程中的物理机理，弥补了现有方法物理意义层面研究的不足。项目将理论和方法的研究与实验验证紧密地结合，使得两者能够互相验证、具有重要的理论和应用价值。主要研究工作和结论如下：.1..研究了海水中的偶极子在空气中产生的电磁场。.建立了海底-海水-空气三层导电媒质中电磁波的传播模型；利用快速傅立叶变换的数值方法对空气中电磁场的积分表达式进行了计算，获取了空气中电磁波的传播规律和空间分布。项目研究了海水中的四种偶极子在空气中辐射的电磁场；并指出利用电磁波能够实现海水中信息的跨界面远距离无线传输，选择水平磁偶极子可提高传输距离。.2..建立了基于海面感应电流二次辐射的电流片模型。.提出了一种新的模型：水下辐射源在海水表面产生一个传导电流区域——称之为电流片区，由该电流片区向空气中进行二次辐射，将该二次辐射场视为海水中的辐射源在空气中产生的电磁场。该模型与三层媒质模型的计算结果基本一致，且推导过程简单，可以合理地解释电磁波跨界面传播的物理机理。.3..研究了水下天线姿态变化对跨界面传播的影响。.针对实际海洋环境，建立了海水中的倾斜偶极子天线和姿态随机变化的偶极子天线在空气中辐射电磁场的模型。考虑了实际变化的海洋环境对电磁波跨越海水–空气界面传播的影响，为利用电磁波跨界面传输提供了更加实用的模型。.4..电磁波跨界面传播的实验研究。.自主研发了电磁波跨海面传播的实验系统；开展了甚低频电磁波跨界面传播的海上实验；证实了电磁波跨界面传播时主要依靠空气中的传输路径获得远距离传播。将海上实验结果和建立的三种理论模型的计算结果进行了比较，相关数据的一致性证明了实验系统设计的合理性和理论模型建立的正确性。