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短距离水下布里渊脉冲无线通信关键技术研究

作　者: 张国平
导　师: 张浩
学　校: 中国海洋大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 电磁传播色散介质水下通信
分类号: TN929.3
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年，电磁前兆场在洛伦兹介质和徳拜介质等色散介质中的传播分析和实验证明了布里渊前兆场的脉冲峰值代数衰减特性，这一研究成果激起了雷达探测、微波成像、超宽带通信等多个领域研究者的极大兴趣，形成了一个新的研究热点。但在水下通信领域尚无更深入的研究，因此本文从水下通信的角度对布里渊前兆场在淡水和海水中的传播特性进行了分析，探讨了水下短距离脉冲通信的可行性。在电磁场的稳态部分到达前出现的电磁振荡称为电磁前兆场，电磁前兆场包括高频谱能量主导的索末菲前兆场和低频谱能量主导的布里渊前兆场，其中布里渊前兆场因在色散介质中的幅度衰减速度小而备受关注。淡水和海水都属于色散介质，电磁波在色散介质中传播会受到相位色散和频率色散的相互作用，在传播几个吸收深度后，其传播过程逐渐演变为一个局部具有相对固定频率和衰减速度的且以恒定速度传播的余波行为。布里渊前兆场的传播受到介质的色散特性和初始信号能量频谱分布的影响，因此深入研究介质色散特性以及不同信号的频谱对布里渊前兆场的传播影响，对于选择或设计水下通信的脉冲信号，实现短距离、高带宽水下无线通信具有重要的意义。介质的色散特性是影响布里渊前兆传播的主要因素，而色散特性主要受介电常数的影响。淡水和海水的介电常数既有形式简单的理论模型，也有依据测量数据拟合出来的实际模型。本文在不同介电常数模型分析的基础上，以形式简单的理论模型完成了电磁场传播的近似表示和传播动态描述；给出了不同介质模型的鞍点动态、复相位函数以及电磁场传播的近似公式；验证了淡水和海水不同介质模型的鞍点动态、复相位函数动态以及布里渊前兆传播动态；分析了不同介电常数模型对布里渊前兆传播的影响。初始信号的频谱能量分布是影响布里渊前兆传播的另一个主要因素，因此必须要选择或设计适合水下通信的信号。信号在传播过程中的幅度衰减和时域宽度特性是衡量信号是否适合水下通信的标准。本文分别选取单脉冲超宽带信号、载波调制信号和双布里渊脉冲信号等三类八种信号，分析了不同信号在淡水和海水中不同相对传播距离上的传播动态；得到了不同输入信号幅度衰减和时域宽度特性；确定了双梯形脉冲作为水下脉冲通信的候选信号。在水下通信的自然环境中，既要考虑水体盐度和温度差异对水下通信的影响，又要确定脉冲的操作频率和时间间隔，它们决定通信范围和信道带宽的主要因素。本文在完成水体盐度、温度和脉冲频率对脉冲传播影响分析的基础上，重点分析了淡水50米范围内和海水1米范围内的双梯形脉冲的传播情况；综合考虑实际传播范围内的脉冲幅度和相对传播距离上的脉冲传播特性，给出了不同通信范围内可能达到的最大通信带宽，得出了在淡水5米范围内和海水0.1米范围内可以达到100MHz通信带宽的重要结论。本文作为水下脉冲通信的基础研究工作，详细地分析了淡水和海水的介质特性、布里渊前兆场的传播动态和不同信号的传播特性，选择了水下脉冲通信候选信号，预测了不同通信范围内的信道带宽，这些工作对水下通信的后续实验和信道建模具有一定的借鉴意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
1 引言  14-26
  1.1 水下通信概述  14-16
    1.1.1 水声通信  14-15
    1.1.2 水下自由空间光学通信  15
    1.1.3 水下电磁通信  15-16
  1.2 水下电磁通信基本概念  16-19
    1.2.1 电磁波基本理论  16-18
    1.2.2 介质的介电常数和磁导率  18-19
  1.3 国内外研究现状  19-24
    1.3.1 介质特性研究  19-20
    1.3.2 水下高频通信研究  20-22
    1.3.3 电磁波前兆场在色散介质中的传播特性分析  22-24
  1.4 研究目的及意义  24-25
  1.5 论文章节安排  25-26
2 介电常数模型  26-35
  2.1 徳拜模型  26-27
  2.2 淡水的 MEISSNER-WENTZ 模型参数  27-28
  2.3 海水的 MEISSNER-WENTZ 模型参数  28-31
  2.4 淡水的其它介电常数模型  31-32
  2.5 海水的其它介电常数模型  32-34
  2.6 本章小结  34-35
3 电磁场在色散介质中的传播动态  35-59
  3.1 平面波脉冲在色散介质中的传播表示  35-36
  3.2 复相位函数的近似描述  36-50
    3.2.1 色散介质的鞍点动态  36-39
    3.2.2 淡水的鞍点和复相位动态  39-44
    3.2.3 海水的鞍点和复相位动态  44-50
  3.3 色散介质中电磁场传播动态描述  50-58
    3.3.1 Rocard–Powles–Debye 模型淡水中电磁场的传播动态  52-54
    3.3.2 Drude 模型海水中电磁场的传播动态  54-58
  3.4 本章小结  58-59
4 水下脉冲传播特性分析  59-122
  4.1 数值计算方法和传播特性  59-61
    4.1.1 数值计算方法  59-60
    4.1.2 脉冲传播特性  60-61
  4.2 狄拉克脉冲与介质冲激响应  61-64
    4.2.1 狄拉克脉冲信号  61
    4.2.2 淡水和海水的冲激响应  61-64
  4.3 单位阶跃函数信号在水中的传播特性分析  64-72
    4.3.1 单位阶跃函数信号  64
    4.3.2 单位阶跃函数信号在淡水中的传播特性分析  64-68
    4.3.3 单位阶跃函数信号在海水中的传播特性分析  68-72
  4.4 双指数脉冲信号在水中的传播特性分析  72-76
    4.4.1 双指数脉冲信号  72-73
    4.4.2 双指数脉冲信号在淡水中的传播特性分析  73-75
    4.4.3 双指数脉冲信号在海水中的传播特性分析  75-76
  4.5 矩形包络信号在水中的传播特性分析  76-84
    4.5.1 矩形包络信号  76-78
    4.5.2 矩形包络信号在淡水中的传播特性分析  78-81
    4.5.3 矩形包络信号在海水中的传播特性分析  81-84
  4.6 梯形包络信号在水中的传播特性分析  84-93
    4.6.1 梯形包络信号  84-85
    4.6.2 梯形包络信号在淡水中的传播特性分析  85-89
    4.6.3 梯形包络信号在海水中的传播特性分析  89-93
  4.7 范德尔包络信号在水中的传播特性分析  93-100
    4.7.1 范德尔包络信号  93-94
    4.7.2 范德尔包络信号在淡水中的传播特性分析  94-97
    4.7.3 范德尔包络信号在海水中的传播特性分析  97-100
  4.8 高斯包络信号在水中的传播特性分析  100-106
    4.8.1 高斯包络信号  100-101
    4.8.2 高斯包络信号在淡水中的传播特性分析  101-104
    4.8.3 高斯包络信号在海水中的传播特性分析  104-106
  4.9 布里渊脉冲在水中的传播特性分析  106-116
    4.9.1 布里渊脉冲信号  106-109
    4.9.2 布里渊脉冲信号在淡水中的传播特性分析  109-112
    4.9.3 布里渊脉冲信号在海水中的传播特性分析  112-116
  4.10 不同信号的传播特性对比分析  116-121
    4.10.1 淡水中不同信号的传播特性对比分析  117-119
    4.10.2 海水中不同信号的传播特性对比分析  119-121
  4.11 本章小结  121-122
5 短距离水下布里渊脉冲通信分析  122-142
  5.1 盐度对布里渊脉冲的传播影响  122-127
    5.1.1 淡水中盐度对布里渊脉冲的传播影响  122-124
    5.1.2 海水中盐度对布里渊脉冲的传播影响  124-127
  5.2 温度对布里渊脉冲的传播影响  127-131
    5.2.1 淡水温度对布里渊脉冲的传播影响  127-130
    5.2.2 海水温度对布里渊脉冲的传播影响  130-131
  5.3 操作频率对布里渊脉冲的传播影响  131-134
    5.3.1 操作频率对淡水中布里渊脉冲的传播影响  131-133
    5.3.2 操作频率对海水中布里渊脉冲的传播影响  133-134
  5.4 固定传播距离内的通信性能分析  134-141
    5.4.1 淡水中固定传播距离内的通信性能分析  134-137
    5.4.2 海水中固定传播距离内的通信性能分析  137-141
  5.5 本章小结  141-142
6 总结及展望  142-144
  6.1 主要研究结论  142-143
  6.2 下一步研究方向  143-144
参考文献  144-148
致谢  148-149
个人简历  149-150
发表的学术论文  150-151

短距离水下布里渊脉冲无线通信关键技术研究

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