短波通信在海洋表面的損耗分析

賴曦文

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071000）

0 引 言

高頻通信又稱短波通信，自20世紀以來迅速發展，成為世界各國遠程通信的主要手段。它被廣泛應用于軍事、外交和氣象等行業，用以傳送數據、圖像和語音等信息。短波通信具有建設費用低、設備安裝簡便、運行成本低和通信距離遠等優點，但同時具有可靠性差、運輸效率低、抗干擾能力弱和網絡化不足等缺點[1]。為了更好地利用短波進行通信，需要改進其缺點。因此，本文將重點討論短波通信在傳輸過程中的損耗問題。

1 模型的引入

1.1 電離層模型

電離層是地球大氣的一個電離區域。它作為一種傳播介質，使電波受到折射、反射、散射和被吸收的影響，損失了部分能量，從而對短波電磁信號的強度產生了較大影響。影響電離層的因素眾多，短波電磁信號在不同電離層中的傳播速度也不盡相同，則電磁信號在電離層中的傳播速度為：

式中，c0為電磁信號在真空中的傳播速度，n為電離層的折射率。

即使在電離層中n＞1，計算得出的c仍然非常大。因此，電磁波經過電離層時所用時間非常短，具體計算時可以忽略各種因素對電離層變化的影響，即認為計算時參數都是定值。

電離層吸收損耗有非偏移吸收和偏移吸收兩種，而偏移吸收一般小于1 dB，可忽略不計。非偏移吸收為：

式中，f為電磁波頻率，fH（MHz）為磁旋頻率，φ為電波信號入射角，β為電離層吸收系數。磁旋頻率為：

式中，Fx、Fy、Fz分別為地球基本磁場在高度為h時的北向、東向、垂直分量，計算時可取1.2～1.5 MHz，即取均值。電離層吸收系數為：

1.2 海洋對無線電波的吸收模型

海洋平靜時，電磁波較為均衡。因此，只需考慮折射和反射對無線電傳播的影響。電磁波在介質界面上反射和折射時，平行于入射面的分量（又稱平行分量，用p表示，或簡稱p分量）和垂直于入射面的分量（又稱垂直分量，用s表示，或簡稱s分量）不同[2]。根據菲涅爾公式，可得無線電波在s方向的能量比為：

式中，ts和tp分別表示s分量的振幅透射比和p分量的振幅透射比，Is、Ip和It分別表示折射波在s方向的強度、折射波在p方向的強度和入射波的強度。由此可得折射波與入射波的功率比為：

2 損耗公式

由于高頻無線電波在自由空間中的損耗較小，因此可近似認為高頻無線電波在傳輸過程中的損耗主要由兩部分組成，即電離層的損耗和海洋表面的損耗，則Lb損耗為：

其中，La是電離層吸收損耗，Lw是海洋表面反射損耗。

3 模型的驗證

3.1 參數賦值

取發射的無線電信號頻率為10 MHz，入射角φ為45°，平靜海洋的折射率n2為1.34。假設一年中太陽黑子數的平均值為100，取太陽天頂角χ的值為60°，磁旋頻率fH的值為1.35 MHz。

3.2 電磁信號在平靜海面傳播的損耗

將參數代入公式可知，無線電波每次被電離層反射后的剩余能量為入射時能量的0.316倍，每次被平靜海面反射后的剩余能量為入射時能量的0.4倍。如果發射信號的強度為100 W，則高頻無線電波在平靜海面反射一次后的信號強度為12.64 W[3]。

3.3 電磁信號到達信噪比閾值之前的最大跳數

由于電磁信號傳播過程中的噪聲功率一般極低，因此設定噪聲功率為0.01 W，則信噪比為：

式中：PS和PN分別表示信號和噪聲的有效功率。如果假定可用信噪比最小值為10 dB，則可得到如下不等式：

用遞推方法求解上述不等式可得最大跳數為3。

4 結 論

本文通過引入電離層模型和海洋對無線電波的吸收模型，確定了無線電波在海洋表面傳播的損耗公式，之后將特定參數代入損耗公式，計算海洋表面短波通信的損耗率。為了驗證公式的正確性，進一步計算了無線電波在平靜海洋表面進行多跳傳播時的最大跳數，得出最大跳數為3，與實際情況基本相符，驗證了本文推導的損耗公式的可靠性。