Анализ поля горизонтального электрического диполя в трехслойной среде применительно к задачам навигации и связи в море тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.06, кандидат физико-математических наук Тювеев, Антон Викторович

• Тювеев, Антон Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тювеев, Антон Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1 ИСКУССТВЕННОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ В МОРЕ

1.1 Электромагнитные характеристики морской воды и акваторий мирового океана

1.2 Теоретические работы по распространению электромагнитного 8 поля в море

1.2 Л Безграничная среда

1.2.2 Двухслойная среда

1.2.3 Слоистая проводящая полубесконечная среда

1.2.4 Численные расчеты поля

2 ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОЛЯ

2.1 Методика расчета поля в трехслойной среде

2.1.1 Общее решение задачи

2.1.2 Приведение уравнений к виду, удобному для вычислений

2.1.3 Методы вычисления несобственных интегралов от быстро осциллирующих функций

2.2 Проверка правильности методики расчета

2.3.1 Сравнение с формулами для безграничной среды

2.3.2 Сравнение с приближенными формулами для двухслойной среды

2.3.3 Сравнение с расчетами, проведенными Кингом и Смитом

3 АНАЛИЗ ПОЛЯ

3.1 Двухслойная среда

3.1.1 Применимость приближенных формул

3.1.2 Влияние дна различной электропроводности на распространение в толще воды

3.2 Трехслойная среда 62 3.2.1 Влияние дна на распространение поля вблизи поверхности

3.2.2 Поле в слое

4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В МОРСКОЙ 70 ТЕХНИКЕ

4.1 Поле одного и двух диполей в море

4.2 Шумы и помехи в море

4.3 Увеличение дальности связи в двух и трехслойной среде

4.4 Использование поля двух диполей для навигации

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЛЯ

5.1 Методика проведения натурных экспериментов

5.2 Результаты экспериментов

5.2.1 Распространение вблизи поверхности

5.2.2 Распространение в глубоком море

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ поля горизонтального электрического диполя в трехслойной среде применительно к задачам навигации и связи в море»

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ определяется современными проблемами развития технических средств и методов исследования Мирового океана и освоения его ресурсов. Для разработки подводных электромагнитных систем различных классов и назначений необходимо рассчитывать характеристики поля от элементарных источников. Задача расчета поля горизонтального электрического диполя точно решена только для безграничной проводящей среды. Для двухслойной среды задача решена приближенно только вблизи границы раздела.

Задача распространения электромагнитного поля дипольных источников в проводящей среде решается с начала двадцатого века. Расчет поля сводится к вычислению интегралов Зоммерфельда, общий метод расчета которых был опубликован еще в 1909 году, однако до настоящего времени удобных общих формул не получено. Аналитические решения существуют для частных случаев распространения электромагнитного поля в безграничной среде и в двухслойной среде вблизи границы раздела. Однако, чаще всего подводные электромагнитные системы работают в трехслойной среде - слое воды, ограниченном поверхностью и дном. Для этого случая вычисление интегралов Зоммерфельда возможно только численными методами.

Методам и результатам численных расчетов электромагнитного поля в трехслойной среде посвящено немного работ, в основном - американских ученых. В них рассматривают распространение электромагнитного поля от различных источников (вертикальных и горизонтальных, магнитных и электрических диполей). Но чаще всего изучается распространение из-под воды на поверхность.

Вид интегралов, подлежащих вычислению, зависит от вида (электрический или магнитный), ориентации (вертикальный или горизонтальный) и положения источника относительно границы раздела воздух-вода.

Теоретические и экспериментальные исследования сотрудников лаборатории «Электродинамики океана» ИФИТ ДВГУ показали, что для подавляющего большинства задач информационного обеспечения подводных работ применение горизонтального электрического диполя является наиболее предпочтительным по его энергетическим, массогабаритным и стоимостным характеристикам. Это подтверждается и другими исследователями (например Фрименом и Кроллем в [1]). Однако в литературе отсутствуют результаты численного расчета электромагнитного поля горизонтального электрического диполя в трехслойной среде при расположении его в воде и произвольном соотношении между расстоянием, глубиной места и глубиной погружения точки измерения.

Автором получены выражения, описывающие компоненты электромагнитного поля в трехслойной среде при произвольном соотношении между горизонтальным расстоянием, глубиной места, глубинами погружения передающей антенны и точки приема. Входящие в состав выражений интегралы вычислялись численными методами. Правильность расчета поля проверена с помощью точных и приближенных формул, применимых для частных случаев, а так же экспериментально.

Для удобства вычислений разработан пакет программ.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка метода расчет поля горизонтального электрического диполя в трехслойной среде и изучение его характеристик. Изучение характеристик поля рассматривается в связи с возможностью применения в технических устройствах подводной связи и навигации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состояла в том, что впервые разработана и проверена в эксперименте модель расчета в поля в трехслойной среде в наиболее общем виде. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Метод расчета поля, позволяющий вычислять численно поле от горизонтального электрического диполя в трехслойной среде. Верхний слой - диэлектрическое полупространство, моделирующее воздух. Средний слой, обладающий высокой электропроводностью, моделирующий морскую воду. Нижний слой - проводящее полупространство, моделирующее дно.

2. Результаты расчета поля при различных соотношениях между проводимостями дна и морской среды, в результате которых установлено увеличение дальности подводной связи в двухслойной и трехслойной среде и подтверждена возможность использования поля для подводной навигации (определения своего местоположения относительно точки излучения по результатам измерения электромагнитного поля).

3. Результаты экспериментальной проверки, подтверждающие правильность расчетов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Предложенная методика расчета поля а так же результаты численного анализа представляют интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. При участии автора, и использованием полученных интегралов и пакета программ, в НИИ «Океанотехники» при ДВГТУ выполнена НИР по изучению возможности создания электромагнитной подводной навигационной системы.

Заключение диссертации по теме «Физические поля корабля, океана, атмосферы и их взаимодействие», Тювеев, Антон Викторович

Результаты работы состоял: в следующем:

1. Получены выражения для электрических компонент ноля горизонтального электрического диполя в среднем проводящем слое трехслойной среды. Формулы содержат интегралы Зоммерфельда и зависят от параметров задачи: электропроводности воды и дна, расстояния между передающей антенной и точкой приема, а так же от глубины места и глубин погружения. Полученные формулы являются универсальными и описывают поле горизонтального электрического диполя в так же и в безграничной и двухслойной средах. Интегралы, входящие в состав формул, не могут быть вычислены аналитически.

2. Освоена методика численного расчета компонент поля. Данная методика расчета применительно к электромагнитному полю горизонтального диполя в море используется впервые в отечественной практике. Численное интегрирование базируется на методе, предложенным Бубеником, с учетом способа ускорения сходимости Шенкса. Результаты расчетов использованы при выполнении НИР «Щипец-ГКНО» (головной исполнитель - НИИ океанотехники при ДВГТУ). Предложенная методика дает результаты, хорошо согласующиеся как с расчетами по известным формулам (в соответствующих условиях), так и с экспериментальны ми данными.

3. Проведен анализ характеристик электромагнитного поля в море, сделанный применительно к связи и навигации. Показано увеличение дальности действия систем связи и навигации по сравнению с расчетами по известным ранее формулам вблизи поверхности или дна, а так же в мелком море. Представлен способ определения координат точки приема по результатам измерения электромагнитного поля. Способ определения координат использован при выполнении НИР, посвященной изучению возможности создания подводной электромагнитной навигационной системы.

4. Результаты работ использованы при выполнении рядя фундаментальных и прикладных НИР.

Предложенная методика позволяет рассчитывать электромагнитное поле горизонтального электрического диполя в трехслойной среде. При этом границы предполагаются плоскими и параллельными. Это ограничивает диапазон применимости данной методики. Для расчета поля в реальных условиях, необходимо решить гораздо более сложную задачу. В реальности границы не бывают плоскими и параллельными, дно обычно неоднородно и чаще состоит из нескольких слоев с различной электропроводностью.

Дальнейшим развитием работы будет создание методов расчета доля в клине морской воды, а также с учетом слоистой структуры дна и неровности границ.

Решение этих задач позволит существенно повысить точность навигации по электромагнитному полю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тювеев, Антон Викторович, 2000 год

1. Fricman Е.А. Kroll N. M. Litospheric propagation for undersea comimmication. Tech. Report (JASON) JSR-73-5, Stanford Research 1.stitute, Menlo Park, Calif., 1973.

2. Савченко В. H. Электродинамика океана. Владивосток; Издательство ДВГУ, 1982.

3. Kraiehman M.B. Handbook of electromagnetic propagation in conducting media. Wash. (D.C.): US Gov. print, off. 1970. P.110.

4. Sommerfeld A. Uber die Ausbreitung Elektro-magnetisher Wellen über ein eben Erde //Ann.Phys. 1909. Ser.4.Vol.28. P.665-736.

5. Sommerfeld A. Uber die Ausbreitung der Wellen in der drahtlossen Télégraphié (On the propagation of waves in wireless telegraphy) // Ann der Phys. (Leipzig). December 11,1926. Ser.4. Vol.81. P.l 135-1153.

6. Sommerfeld A. Partial Differential Equations in Physics //Academic Press. Inc. 1949. P. 249.

7. Wait J.R. The electromagnetic fields of a horizontal dipole in the presence of a conducting half-space // Canad. J. Phys. 1961. Vol. 39. P. 1017-1028.

8. Wait J.R. The magnetic dipole antenna immersed in a conducting medium // Proc. IRE Vol.40. P.1244-1245. 1952.

9. Wait J.R. Receiving properties of a wire loop with a spheroidal core // Can. J.Tech., Vol.31. № 1. P.9-14. 1953.

10. Ш. Wait J.R. A transient magnetic dipole source in a dissipative medium // J. Appl. Phys. Vol. 24. P.341. March 1953.

11. Wait J.R. Insulated loop antenna immersed in a conducting medium // J. Res. Nat. Bur. Stand. Vol.59. № 2. August 1957.

12. Wait J.R., Spies K.P. A note on the Insulated loop antenna immersed in a conducting medium// J. Res. Nat Bur. Stand. Vol.68 D M® 11. November 1964

13. Wait J.R. On the impedance of long wire suspended over the ground // Proceedings of the IRE October 1961. P.1576.

14. Wait J.R. Electromagnetic Fields of Sources in Lossi Media, Antenna Theory, Part II, ed. by R.E. Collin, F.J. Zucker // N.Y. McGraw-Hill, 1969. P.438-514.

15. Wait J.R. Electromagnetic Waves in Stratified Media 2-nd ed. // N.Y. Pergamon Press, 1970.

16. Wait J.R. Locating an oscillating magnetic dipole in the earth//Electron Lett. Vol. 8. № 16. P.404-406. 1972.

17. Wait J.R. Propagation under the earth's surface (a review) // URSI Symp. Electromagnetic Wave Theory, 1974. London. P.80-85.

18. Wait J.R., Campbell LX„ Fields of an oscillating magnetic dipole immersed in a semi-infinite conducting medium // J. Geophys. Res. Vol.52. № 2. P. 167178. June 1953.

19. Wait J.R., Spies K.P. Subsurface electromagnetic fields of a line source on a conducting half-space // Radio Science Vol.6. № 8,9. P.781-786. 1971.

20. Moore R.K., Blair W.E. Dipole radiation in a conducting half space // J. Res. Nat. Bur. Stand. 65D. №6. Nov./Dec. 1961. P.547-563.

21. Ban-OS A. Wesley J.P. The horizontal electric dipole in a conducting half-space. // University of California, Marine Physical Lab., Pt. I, S10, Ref,53-33, September 1953 ; Pt. JI, S10, Ref.54-31. August 1954.

22. Ban~os A., Jr., Dipole radiation in the presence of a conducting half-space, Oxford, England: Pergamon Press, 1966.

23. Bannister P.R. Surface to surface and subsurface to air propagation-quasi-static and near-field ranges //presented at AGARD/NATO Symp. on Subsurface Communication; Paris, France, April 25-29,1966.

24. Bannister P.R. Quasi-static fields of dipole antennas at the Earth's surface // Radio Sci. 1966. Vol L N 11. P. 1321-1330.

25. Bannister P.R. The quasi-near fields of dipole antennas // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1967a. Vol. 15, N 5. P. 618-626.

26. Bannister P.R. Quasi static fields of dipole antennas located above the Earth's surface // Radio Sci. 1967b. Vol. 2, N 9. P. 1093-1103.

27. Bannister P.R. Determination of the electric conductivity of the sea bed in shallow waters // Geophysics. 1968. Vol.33. P.995-1003.

28. Bannister P.R. Simple expressions for the electric and magnetic field strengths between the. elements of an infinite array //IEEE Trans. VoL AP-21.N5.P.721-722. 1973.

29. Bannister P.R. Image theory results for the mutual impedance of crossing earth return circuits // IEEE Trans. Electromag. Compatib. Vol.15, N 4. P.158-160. 1973.

30. Bannister P.R, New simplified formulas for ELF subsurface- to-subsurface propagation // IEEE J. Ocean. Eng. 1984. Vol. 9, N 3. P. 154-163.

31. Bannister P.R. Summary of ELF propagation validation system field strength measurements, 1976 to 1978 // IEEE Trans. Oceanic Eng. 1984. Voi.OE-9, N3. P. 189-195.

32. Bannister P.R, Simplified formulas for ELF propagation at shorter distances // Radio Sci. 1986. VoL 21, N 3. P.529-537.

33. Bannister P.R. Summary of Connecticut 76 Hz vertical electric transverse magnetic and radial magnetic field strength comparisons // Radio Sci. 1986. Vol. 21, N3. P.519-528.

34. Bannister P.R. and Hart W.C. Quasi-static Fields of Dipole Antennas Below the Earth's Surface. USL. Rept. No 870, U.S. Navy Underwater Sound Laboratory, New London, Conn., 11 Apr. 1968.

35. Durrani S.H. Air-to-imdersea communication with electric dipoles // IEEE Trans. Vol. AP-10, Sept 1962. P.524-528.

36. Durrani S.H. Air-to-undersea communication with magnetic dipoles // IEEE Trans. Vol. AP-12. N 4. P.464-469. 1964.

37. Moore R.K. Theory of radio communication between submerged submarines //Ph. D. Thesis. Cornell University, 1951.

38. LienR.H., Wait J.R. Radiation from horizontal dipole in a semi-infinite dissipative medium //J. Appl. Phys. Jan. 1953. Vol.24, P. 1-5.

39. King R.W.P. Electromagnetic surface waves: New formulas and applications // IEEE Trans. Antennas Propag. 1985. Vol.AP-33. P. 1204-1212.

40. King R.WJP. Electromagnetic surface waves: New formulas and their application to determine the electrical properties of the sea bottom // J. Appl. Phys. 1985. Vol.58. P.3612- 3624.

41. King R.W.P. Theory of the terminated insulated antenna in a conducting medium // IEEE Trans. Vol. AP-12. P.305-318. May 1964.

42. King R.W.P. Antennas in material media near bounderies with application to communication and geophysical exploration 1. Bare metal dipole // IEEE Trans. Antennas Propag. 1986. Vol.AP-34, N 4. P.483-489.

43. King R.W.P. Antennas in material media near bounderies with application to communication and geophysical exploration 2. Terminated insulated antenna // IEEE Trans. Antennas Propag. 1986. Vol.AP-34, N 4. P.490-496.

44. King R.W.P. Properties of the lateral electromagnetic field of a vertical dipole and their application //IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 1986. Vol GE-24, N 6. P.813-825.

45. King R.W.P., Brown M.F. Lateral electromagnetic waves along plane bounderics: A summarizing approach // Proc. IEEE, 1984. Vol. 72. P.595-611.

46. King R.W., Harrison CAV. Half wave cylindrical antenna in a dissipative medium: current and impedance // J.Res. Nat Bur. Stand. (Radio Science) Vol. 64 D. P.365-380. July/August 1960.

47. King R.W., Iizuka K. The complete electromagnetic fields of dipoles in dissipative media//IEEE Trans. Vol.AP-11. P. 275-285. May 1963.

48. King R.W.P., Owens M., Wu T.T. Properties of lateral electromagnetic fields and their application //J. Radio Sei. 1986. Vol 21, N 1 P. 13-23.

49. P. Кинг, Г. Смит «Антенны в материальных средах» пер. с англ., Москва, «Мир», 1984 г.

50. Kraichman M.B. Basic experimental studies of the magnetic field from the electromagnetic sources immersed in a semi-infinite conducting medium J. res. Natur. Bur. Stand. D. 1960. Vol.64s№ 1, P.21-25.

51. Kraichman M.B. Impedance of a circular loop in an infinite conducting medium //J. Res.Nat. Bur. Stand. (Radio Science) Vol.66D. P.499-503. July/August 1962

52. Saran G. S. Held G., J. Res. Natur. Bur. Stand. D. 1960. Vol.64, № 5, P.435.

53. Blair W.E. Experimental Verification of Dipole Radiation in a Conducting Half Space //IEEE Trans. Vol.AP-П. May 1963. P.269-275.

54. Keller G.V. et al, Electrical properties in deep crust// IEEE Trans. Antennas Propagat., 1963. AP-11, P. 344.

55. Hansen R.C. Radiation and reception with buried and submerged antennas // IEEE Trans. 1963.Vol. AP-11. X° 3. P.207- 216.

56. Weaver J. T. The quasi-static field of an electric dipole embedded in two-layer conducting half-space// 1967, Can. J, Phys., №45, P. 1981-2002.

57. Bishey S. Т. Estimation of electromagnetic field in a sea with rough upper and lower surface// 1988, Cm. J, Phys., ßk66, P. 319-322.

58. Dawalibi F. Electromagnetic fields, generated by overhead and buried short conductors. // IEEE Pow. D. 1986» Vol.l, jSfe 4. P„ 105-119.

59. Irian A.S. et al. ULF/ELF electromagnetic fields produced in a conducting medium of infinite extent by a linear current source of finite length //IEEE Trans. Antennas Propag. 1985. Vol.AP-33. № 12, P.1363-1369.

60. Everett M. E., Constable S. Electric dipole fields over an anisotropy seafloor: theory and application to the structure of 40 Ma Pacific Ocean lithosphere.// Geophys. J. Int., 1999. 136, P. 41-56.

61. Герасимов С. И. Квази-ближнсе поле горизонтального электрического диполя в проводящем слое. Электромагнитные поля т волны в геосфере. Сб. труд. Владивосток. Изд-во ДВГУ. 1994. С. 59-68.

62. Fraser-Smith A.C. Bubenik D.M., ULF/ELF magnetic fields generated at the sea surface by submerged magnetic dipoles. Radio Sei. 1976, Vol. 11. P. 901913.

63. Bubenik D.M., Fraser-Smith A.C., ULF/ELF electromagnetic fields generated in a sea of finite depth by submerged vertically-directed harmonic magnetic dipole. Radio Sei. 1978, Vol. 13. P. 1011-1020.

64. Fraser-Smith A.C ., Bubenik D.M., ULF/ELF electromagnetic fields generated above a sea of finite depth by submerged vertically-directed harmonic magnetic dipole. Radio Sei. 1979, Vol. 14., JV%1, P. 59-74.

65. Fraser-Smith A.C. Bubenik D.M., Compendium of the ULF/ELF electromagnetic fields generated above a sea of finite depth by submerged harmonic dipoles. Tech. Rep. E715-1. P. 114 Radiosci. Lab., Stanford, Calif. 1980.

66. Fraser-Smith A.C. Bubenik D.M., Villard O.G. Large amplitude changesinduced by a seabed in the sub-LF electromagnetic harmonic dipole sources// Radio Sci. 198?. Vol. 22, Ш. P.567-577.

67. Fraser-Smith A.C. Maximum field criteria for a line current sources in a conducting medium //IEEE Trans. Antennas Propag. 1986. VoLAP-34. N5 P.723-725.

68. Fraser-Smith A.C., Inan A.S,, Villard O.G., Joiner R.G. Seabed propagation of ULF/ELF electromagnetic fields from harmonic dipole sources located on the seafloor//Radio Sci. 1988. Vol.23, №6. P. 931-943

69. Inan A.S. Propagation of electromagnetic fields along the sea/sea-bed interface //Tech. Rep. E721-2. Space, Telecommun. And Radio science Lab., Stanford, Calif. 1984. P. 70.

70. Inan A.S. et al. ULF/ELF electromagnetic fields prodused in a conducting medium of infinite extent by a linear current source of finite length //IEEE Trans. Antennas Propag. 1985. VoLAP-33. N 12, P. 1363-1369.

71. Inan A.S. Frather-Smith A.C. Villard O.G. ULF/ELF electromagnetic fields generated along the seafloor interface by a straight current source of infinite length // J. Radio Sci. 1986. Vol 21, N 3. P.409-420.

72. D. Bubenik A practical method for the numerical evaluation of Sommerfeld integrals// IEEE Antennas and Propagation, Vol. ap-25, № 6. November 1977, pp. 904-906

73. Tyler R.H., Sanford T.B., Uns worth M.J.// Propagation of electromagnetic fields in the coastal ocean with applications to underwater navigation and communication. Radio Science, VoL 33, № 4, 1998, P. 967-987.

74. Якубовский Ю.В., Ренард M.B. Электроразведка. М„: Недра, 1991, С. 359.

75. Градштейн И. С. Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, радов и произведений. -М.: Наука, 1971 г.

76. Малышев Р.В. Интегрирование осциллирующих функций на бесконечном интервале// Сообщения ОИЯИ, Дубна, 1983г. №11-83-551, С. 1-9.

77. D. Shanks, «Non-linear transformation of divergent and slowly convergent sequences», J. Math, and Physu VoL34, no J, P. 1 -42. January 1955.

78. P. Wynnf «On a devise for computing the e,ffi{Sn) transformation». Math. Tables and other Aids to Computation, Vol.10, P. 91-96,1956.

79. Ольшанский B.M. Бионическое моделирование электросистем слабоэлектрических рыб. -М.: Наука, 1990.

80. Soderberg E.F. ELF noise in the sea at depths from 30 to 300 meters // J. Geophys. Res. 1969. Vol.74, №9. P.2367-2387.

81. Акищшнов B.B., Нарышкян В.И., Рязанцев A.M. Электромагнитные поля в морской воде (обзор). Радиотехника и электроника, 1976, т.21, Ш 5, С.913-944

82. Александров М.С. (ред.) Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СНЧ. М: Наука, 1972, С. 192