短距离水下布里渊脉冲无线通信关键技术研究

来源 :中国海洋大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:csj123
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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。
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