海洋作为地球生命的源泉和摇篮,数亿年来,海洋中的生物不断进化,海底世界所蕴含的“宝藏”越来越神秘。一直以来,人们从未停下探索海洋的脚步。为了探索水底世界的神秘,人们利用各种手段探索水底世界。水下通信作为探索水下世界的重要手段之一,是人们探索黑暗水下世界的“明灯”。本课题通过理论分析,建模仿真和系统实现等方面对水下电磁场无线通信技术展开研究。主要研究内容和成果如下所示:1.针对水下所处的特殊环境,本文通过理论分析研究了有耗媒质中电磁波的传播特性,结果表明在有耗媒质中电磁波的传播特性会随着频率、媒质等因素而发生变化;在两层媒质中电磁波从源点到场点的路径有三条,分别是直射路径,反射路径,上越下路径;对于多层媒质中电磁波传播路径的问题可以转化为多个两层媒质中电磁波传播路径叠加的问题,多层媒质中场点的场分量是由多条路径共同作用而生成的。2.针对有耗媒质中的天线,本文利用MATLAB对有耗媒质中电偶极子和磁偶极子天线模型及其辐射特性进行分析对比,结果表明在有耗媒质中,采用低频电磁波的偶极子天线主要考虑其近场的辐射特性,天线的辐射特性与电磁波频率以及媒质的电磁特性有关。3.针对水下电磁场通信应用场景,本文利用CST电磁仿真软件对不同媒质模型中电磁场的传播特性展开研究。针对深海应用场景,建立无限大海水媒质模型;针对近水平面应用场景,建立空气-海水媒质模型;针对近海底应用场景,建立海水-土壤媒质模型;针对浅水区域应用场景,建立空气-海水-土壤三层媒质模型。通过建模仿真后所得到的结果表明在不同媒质模型中,电磁场的传播特性和幅频特性有较大差异,媒质和电磁波频率会影响电磁场的传播特性;空气-海水媒质、海水-土壤媒质以及空气-海水-土壤媒质中电偶极子的辐射场特性均好于无限大海水媒质中电偶极子的辐射场特性;通过数据对比分析验证了两层和三层媒质中电磁波从源点到场点的传播路径。文中还研究了模型参数对电偶极子辐射场传播特性的影响,电极间距和极间电流会影响电偶极子的辐射场传播特性;在多层媒质中,源点深度会影响电偶极子的辐射场传播特性,不同的源点深度表现出不同的辐射场传播特性。4.本文根据水下电磁场通信信道的仿真分析,依据理论基础,设计实现水下电磁场无线通信系统,并根据仿真数据对通信系统进行功率设计,通过外场测试验证水下电磁场通信系统的可靠性和可行性。本文最后对水下电磁场无线通信系统所存在的不足以及发展前景进行了简要叙述。