海面通信的多路徑跳躍傳播分析

劉爽 武秋鋒 河南師范大學

關鍵字： 多跳路徑 電離層反射 吸收損耗 反射強度

1 引言

1.1 研究背景

在高頻率（HF，定義為3-30 MHz），無線電波可以通過從電離層和地球上的多重反射來長距離傳播（從地球表面的一點到地球表面的另一個遙遠的點）。至于頻率低于最高可用頻率(MUF),高頻無線電波從地面源電離層反射回地球,他們可能反映了電離層再次回到的地方,在那里他們可能反映了再次回到地球,旅行等等,進一步與每個連續跳。

在其他因素中，反射面的特征決定了反射波的強度，以及在保持有用的信號完整性的同時，信號最終會傳播到什么程度。此外，MUF還隨季節、時間和太陽條件而變化。在MUF之上的頻率沒有被反射或折射，而是通過電離層進入太空。在這個問題上，重點是海洋表面的反射。從經驗上可以看出，在一片平靜的海洋中，反射出的海洋比從平靜的海洋中反射出來的要弱得多。海洋湍流將影響海水的電磁梯度，改變海洋的局部介電常數和滲透率，改變反射面的高度和角度。波濤洶涌的海洋是波浪高度、形狀和頻率變化迅速的海洋，波浪的方向也可能發生變化。

1.2 研究目的

為了研究無線電波的特性，我們需要解決三個問題：海面上無線電信號的反射特性、陸地上的反射特性以及船舶如何適應洶涌的海洋環境。

首先,第一個問題,比較第一反映反射信號強度在平靜的海洋和動蕩的海洋,我們建立了自由空間損耗模型,電離層吸收損失模型和海平面分別吸收損失模型,并使用反射系數描述的反射強度,將反射系數和頻率映射時,入射角圖表,直觀地顯示了它們之間的關系。為了計算信號的最大跳數，我們在已知信噪比閾值的情況下，計算了波形在處理過程中的損失，并根據每跳的損失得到最大跳數。

2 模型假設

（1）不考慮地磁場的影響，即電離層是各向同性媒質

（2）電子密度N隨高度h的變化較之言水平方向的變化大得多，即認為N只是高度的函數。

（3）在各層電子密度最大值附近，N（h）分布近似為拋物線形狀

（4）電離層中粒子碰撞頻率與入射波角頻率 相等，即電離層電導率最大

（5）光滑地形不考慮地面上的建筑物等

（6）電波經過一次完整的反射，其傳輸過程損耗只包括自由空間損耗、電離層吸收損耗、大地損耗（包括陸地和海洋損耗）

（7）忽略噪聲對電波傳播的影響

3 模型建立與求解

3.1 模型建立

3.1.1 海平面反射模型

3.1.1.1 模型建立

對于海面，根據其湍流程度可將其分為平靜海平面和粗糙海平面，下面分別討論這兩種情況。

首先建立關于海面復介電常數 的公式（1）：

光滑海平面的反射強度的計算及仿真

根據反射定律可得到在光滑的海平面的水平極化波和垂直極化波的Fresnel反射系數公式：

其中， 為入射角，將兩式結合可得電波入射到光滑海平面上的第一反射強度 ：

粗糙海平面的反射強度的計算及仿真

其中，c為光速，f為電波頻率，h為海面均方根高度，可以根據Phillips海浪模型得出：

為海面附近高度的風速，將（7）式和（8）

3.1.1.2 模型求解

第一反射強度先減少再增加最后趨于平穩，在入射角大約為30時達到最小，分別為0.91、0.59。粗糙海平面的第一反射強度總小于光滑海平面的。

3.1.2 最大跳數計算模型

3.1.2.1 模型建立

（1）自由空間傳播能量損耗模型

假設：自由空間損耗只與電波的傳輸頻率與傳輸距離有關，則得到自由空間的能量損耗為：

其中：

為電波在自由空間的能量損耗。

α是信號波長（單位為米），

b是信號頻率(赫茲),單位MHZ

c是與發射機的距離（單位為米），

d光的速度在真空中，每秒米數。兩邊同時取對數：

（2）電離層損耗模型

電離層反射

由麥克斯韋第一方程

式中

3.1.2.2 模型求解

考慮自由空間損耗

電波一次完整的反射的自由空間損耗至少為32.4*2=64.8dB，該數值已經超過所題目所給的50-10=40dB可用信噪比。因此電波不會到達地面，故跳數為0。

不考慮自由空間損耗

利用曲線積分求得曲線長度，電解質損耗為8.35dB；查圖 得到的值，得到電波沿光滑海平面的傳播損耗為1.22dB，然后得到信號在其強度低于10 dB 的可用信噪比（SNR）閾值之前所能達到的最大跳數為5。

4 結束語

對于本次的研究，主要是通過對相關資料的分析及對問題本質的研究對其進行建立相關模型，可以有效解決所對應的問題。對于模型的建立及模型的參數求解，可以得到有效的真實數據，這對于海平面研究的發展具有重大意義。