引入校正因子的湍流海洋信號反射模型

郝麗君，王 靜，陳婧嫻

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 ，山西 太原030051）

0 引 言

無線電波被廣泛用于海洋上的船舶發(fā)送和接收信號。在海洋上，從湍流海洋表面反射的波衰減比平靜的海洋表面更多。湍流海洋會影響海水的電磁梯度，改變海洋的局部介電常數(shù)和滲透率，進(jìn)而影響無線電反射器的高度和角度。因此，研究無線電波在海面的傳播具有重要意義。

1 通信距離的計算

有兩種無線電波傳播方式。一種沿著地球表面行進(jìn)，且行進(jìn)路線是一個圓弧，這個距離被稱為大圓距離。另一種方式是當(dāng)無線電波從地面?zhèn)鞑サ诫婋x層上層并傳播到海洋時，波被電離層反射，這種方式的傳播路線是一條虛線，這個距離稱為斜距。

根據(jù)球面三角函數(shù)的余弦定理，可以得到地球上任意兩點(diǎn)之間的大圓距離。斜距與無線電波的傳播方式、反射次數(shù)、無線電波入射角、大圓距離、電離層高度等有關(guān)。根據(jù)幾何關(guān)系可得到電離層發(fā)生一次反射時的斜距離：

式中，d是通過電離層的傾斜距離；Δ是發(fā)射仰角；φ是發(fā)射的無線電波的入射角；h是反射點(diǎn)位于地面的電離層高度。無線電波的反射主要發(fā)生在地面高度約200 km的電離層F層。將數(shù)據(jù)代入方程中可以得到傾斜距離為312 km。

2 三種信號損失的計算

高頻無線電的損失主要包括大氣傳播損耗、電離層吸收損耗和海洋表面吸收損耗。當(dāng)高頻無線電在自由空間中傳播時，其單位面積的能量由于擴(kuò)散而降低，這被稱為自由空間傳播損耗。自由空間傳播損耗是指當(dāng)高頻無線電發(fā)射點(diǎn)在整個球體內(nèi)均勻傳播并到達(dá)接收器波時，能量落在有效接收區(qū)域內(nèi)的能量損失。假設(shè)發(fā)射功率為P1，發(fā)射點(diǎn)到接收天線的距離為d，發(fā)射天線增益為G1。因此接收點(diǎn)的高頻無線電功率密度為：

假設(shè)接收天線的有效接收面積為S＇，天線的接收增益為G2，高頻無線電的波長為λ，可以得到：

所以接收天線的功率是：

式中，LS為自由空間傳播損耗，單位為dB；f為無線電波頻率，單位為MHz；d為發(fā)射點(diǎn)與接收天線之間的距離，單位為km。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的短波傳播中存在天線增益，并且對于短波天線增益為19 dB。

3 湍流海洋表面的反射

對于湍流海洋表面的反射，湍流會影響海水的某些特性，同時會產(chǎn)生波高，使海面高度不均勻，進(jìn)一步影響電磁波的入射角度離開海洋表面，并最終影響海洋表面的反射系數(shù)。為了簡化問題，本文通過修改平靜的海洋表面反射系數(shù)乘以校正因子來獲得離開湍流海面的反射系數(shù)。因此，湍流海洋表面的反射系數(shù)是：

式中，R＇是湍流海面的反射系數(shù)；R是平滑海面的反射系數(shù)；ρ是修正系數(shù)。從Phillips波模型中得到以下等式：

由于海面湍流粗糙，當(dāng)電磁波到達(dá)不同地方的海面時，入射角度不同。當(dāng)海面掠入射角為30°時，利用Matlab繪制了校正因子與風(fēng)速的關(guān)系，如圖1所示。當(dāng)離開海面的風(fēng)速為10 m／s時，得到如圖2所示校正因子與入射角之間的關(guān)系。

圖1 修正系數(shù)和風(fēng)速關(guān)系圖

圖2 修正系數(shù)和掠入射角度關(guān)系圖

從圖1可以看出，隨著海面風(fēng)速的增加，修正系數(shù)減小。當(dāng)風(fēng)速大于5 m／s時，修正系數(shù)以更快的速度減小。校正因子的減小使得湍流海面的反射系數(shù)變小。隨著風(fēng)速的增加，海洋湍流程度越大，海面高頻輻射損失越大。

從圖2可以看出，當(dāng)風(fēng)速恒定時，修正系數(shù)隨著掠入射角的增大而增大。也就是說，當(dāng)海洋湍流程度不變時，掠入射角越大，反射系數(shù)越大，海面高頻輻射損失越小。

3 結(jié) 論

在海洋上，從湍流海洋表面反射的波衰減比平靜的海洋表面更多。湍流海洋會影響海水的電磁梯度，改變海洋的局部介電常數(shù)和滲透率，進(jìn)而影響無線電反射器的高度和角度。本文為了計算湍流海面信號損失，對反射強(qiáng)度的定義是反射前反射功率與功率的比值，并引入校正因子來校正海平面系數(shù)，湍流海面損失為2.5 dB。