近海底界面水下电磁波跨介质传播特性研究

Electromagnetic (EM) wave can compensate for some flaws of sound wave in underwater wireless data transmission. Underwater EM waves produced by radiation source near the sea interface can reach a great distance by using the trans-media characteristic to propagate in air or seabed. Combining with other advantages, such as high speed and high data rate, underwater EM wave has a great potential to be applied with high speed wireless data transmission over long distance near the sea interface. .For underwater EM wave above seabed, this project expects to reveal the physical mechanism of trans-media propagation by modeling the second radiation of conduction current on interface. The model is based on the Huygens–Fresnel principle combing with theory of EM waves in layered conducting media. Link budget equation of EM wireless transmission is provided, according to the study of energy attenuation between transceiver nodes near the seabed. The equation can evaluate the coverage and performance for underwater EM data transmission near the seabed. At the same time, experiment research will be proposed. Underwater transmitting and receiving antennas and simple communication system will be integrated and built. First-hand data will be obtained according to sea experiment. The validation and optimization of theoretical model and approach will be implemented on the basis of experimental data. This project will provide fundamental theory and application exploration for underwater wireless data transmission near the seabed using EM wave.

海水中利用电磁波进行数据无线传输可以弥补声波的部分缺陷。水下靠近界面的辐射源产生的电磁波利用跨介质传播的特性通过损耗较小的海底或空气路径可实现远距离传播，结合电磁波传播速度快、数据率高等特性，使得利用电磁波实现海水中界面附近数据的远距离高速无线传输具有较大的潜力。.针对海底附近水下电磁波的传播，本课题拟结合分层媒质中电磁波的传播理论，基于惠更斯-菲涅耳原理构建界面传导电流二次辐射模型，揭示电磁波跨界面传播的物理机理。通过对海底附近收发节点间信号传输时的能量衰减规律进行深入研究，提出电磁波无线传输的链路损耗方程，为海底附近水下电磁波无线传输的覆盖规划和性能评估提供技术手段。同步开展实验研究，集成构建海水中的电磁波发射和接收天线以及信号传输系统，通过海上实验获取第一手数据,验证并优化理论模型和方法。本项目的研究为基于电磁波的海底附近水下数据无线传输提供基础理论和应用探索。

当前，利用各种水下平台可以获取大量的海洋观测、探测和通信数据，这些数据往往需要在各种平台之间进行传输和交互，才进行深入的分析和利用。基于电磁波在海洋界面附近传播时跨界面远距离传输的能力，可以实现海洋界面附近数据无线传输。本项目针对上述研究背景，开展了海底附近水下电磁波跨介质传播特性研究。首先，针对海底附近电磁波传播性能问题，基于矢量位方法和分层介质中电磁波传播理论，构建了海洋界面附近电磁波传播模型，获得了海洋界面附近电磁波的传播特性和规律，结果表明海洋界面附近的表面波分量是电磁波远距离传播的主要贡献者。其次，针对界面附近收发节点间能量衰减问题，基于传播模型和Goos-Hanchen理论，构建了海洋界面附近电磁波信号传输时的链路损耗方程，可以用于海底附近无线数据传输时，通信系统的设计和方案的规划，以及通信性能的评估。最后，为了验证上述模型和方法，项目组设计并构建了水下电磁波信号发射和接收系统，包括水下发射天线、发射机（含硬件电路和机械结构）、水下接收天线和接收机（含硬件电路和机械结构）。并在淡水水池、海水水池和海上开展了相关实验，获得了海上实验数据。实验结果表明：基于电磁波可以实现海洋界面附近数据的远距离无线传输（收发节点均可以位于界面上下）；且实验结果与本项目中提出的海洋界面附近电磁波传播模型的计算结果符合较好。实验数据和理论计算的一致性表明本项目所构建模型和方法的正确性。. 本项目提出的海洋界面附近电磁波传播模型、通信节点间链路损耗模型，以及构建的水下电磁波信号传输系统，能够为海洋界面附近基于电磁波的数据无线传输提供理论支撑和技术支持。项目组下一步也将基于现有理论和系统，针对海洋数据无线传输技术开展深入研究。