海面通信的多路径跳跃传播分析

刘爽 武秋锋 河南师范大学

关键字： 多跳路径 电离层反射 吸收损耗 反射强度

1 引言

1.1 研究背景

在高频率（HF，定义为3-30 MHz），无线电波可以通过从电离层和地球上的多重反射来长距离传播（从地球表面的一点到地球表面的另一个遥远的点）。至于频率低于最高可用频率(MUF),高频无线电波从地面源电离层反射回地球,他们可能反映了电离层再次回到的地方,在那里他们可能反映了再次回到地球,旅行等等,进一步与每个连续跳。

在其他因素中，反射面的特征决定了反射波的强度，以及在保持有用的信号完整性的同时，信号最终会传播到什么程度。此外，MUF还随季节、时间和太阳条件而变化。在MUF之上的频率没有被反射或折射，而是通过电离层进入太空。在这个问题上，重点是海洋表面的反射。从经验上可以看出，在一片平静的海洋中，反射出的海洋比从平静的海洋中反射出来的要弱得多。海洋湍流将影响海水的电磁梯度，改变海洋的局部介电常数和渗透率，改变反射面的高度和角度。波涛汹涌的海洋是波浪高度、形状和频率变化迅速的海洋，波浪的方向也可能发生变化。

1.2 研究目的

为了研究无线电波的特性，我们需要解决三个问题：海面上无线电信号的反射特性、陆地上的反射特性以及船舶如何适应汹涌的海洋环境。

首先,第一个问题,比较第一反映反射信号强度在平静的海洋和动荡的海洋,我们建立了自由空间损耗模型,电离层吸收损失模型和海平面分别吸收损失模型,并使用反射系数描述的反射强度,将反射系数和频率映射时,入射角图表,直观地显示了它们之间的关系。为了计算信号的最大跳数，我们在已知信噪比阈值的情况下，计算了波形在处理过程中的损失，并根据每跳的损失得到最大跳数。

2 模型假设

（1）不考虑地磁场的影响，即电离层是各向同性媒质

（2）电子密度N随高度h的变化较之言水平方向的变化大得多，即认为N只是高度的函数。

（3）在各层电子密度最大值附近，N（h）分布近似为抛物线形状

（4）电离层中粒子碰撞频率与入射波角频率 相等，即电离层电导率最大

（5）光滑地形不考虑地面上的建筑物等

（6）电波经过一次完整的反射，其传输过程损耗只包括自由空间损耗、电离层吸收损耗、大地损耗（包括陆地和海洋损耗）

（7）忽略噪声对电波传播的影响

3 模型建立与求解

3.1 模型建立

3.1.1 海平面反射模型

3.1.1.1 模型建立

对于海面，根据其湍流程度可将其分为平静海平面和粗糙海平面，下面分别讨论这两种情况。

首先建立关于海面复介电常数 的公式（1）：

光滑海平面的反射强度的计算及仿真

根据反射定律可得到在光滑的海平面的水平极化波和垂直极化波的Fresnel反射系数公式：

其中， 为入射角，将两式结合可得电波入射到光滑海平面上的第一反射强度 ：

粗糙海平面的反射强度的计算及仿真

其中，c为光速，f为电波频率，h为海面均方根高度，可以根据Phillips海浪模型得出：

为海面附近高度的风速，将（7）式和（8）

3.1.1.2 模型求解

第一反射强度先减少再增加最后趋于平稳，在入射角大约为30时达到最小，分别为0.91、0.59。粗糙海平面的第一反射强度总小于光滑海平面的。

3.1.2 最大跳数计算模型

3.1.2.1 模型建立

（1）自由空间传播能量损耗模型

假设：自由空间损耗只与电波的传输频率与传输距离有关，则得到自由空间的能量损耗为：

其中：

为电波在自由空间的能量损耗。

α是信号波长（单位为米），

b是信号频率(赫兹),单位MHZ

c是与发射机的距离（单位为米），

d光的速度在真空中，每秒米数。两边同时取对数：

（2）电离层损耗模型

电离层反射

由麦克斯韦第一方程

式中

3.1.2.2 模型求解

考虑自由空间损耗

电波一次完整的反射的自由空间损耗至少为32.4*2=64.8dB，该数值已经超过所题目所给的50-10=40dB可用信噪比。因此电波不会到达地面，故跳数为0。

不考虑自由空间损耗

利用曲线积分求得曲线长度，电解质损耗为8.35dB；查图 得到的值，得到电波沿光滑海平面的传播损耗为1.22dB，然后得到信号在其强度低于10 dB 的可用信噪比（SNR）阈值之前所能达到的最大跳数为5。

4 结束语

对于本次的研究，主要是通过对相关资料的分析及对问题本质的研究对其进行建立相关模型，可以有效解决所对应的问题。对于模型的建立及模型的参数求解，可以得到有效的真实数据，这对于海平面研究的发展具有重大意义。