一種海陸間短波通信損耗的計算模型*

唐 昊，韓東洪，邱昌雯

（1.重慶郵電大學 計算機科學與技術學院，重慶400065；2.南京審計大學會記學院，江蘇 南京 211815）

0 引 言

隨著海洋漁業、軍事演習的頻繁發展，海洋網絡通信的需求不斷增加。短波是3～30 MHz范圍內的無線電波。短波可以通過地波沿地面傳播，也可以通過電離層反射以天波的方式傳播[1]，具有良好的抗毀性和較小的傳輸損耗，因此短波被廣泛應用于海路間通信[2]。

電離層具有反射無線電波的能力。當具有一定頻率的無線電波以一定角度傳播到電離層時，它將被電離層反射回地面，反射回地面的無線電波也可以再次射向電離層以實現多次反射。當無線電波的頻率超過電離層的MUF時，無線電波不能被反射，而是通過電離層進入太空[3]。

電離層和海平面對短波的傳播有很大的影響。一方面，電離層總是呈現出經緯度復雜的空間變化，并且隨著白天，夜晚，季節等變化而變化。另一方面，由于風和其他因素，海洋將不會保持平靜。海水的電磁梯度、局部介電常數和滲透率都會隨著洋流的湍急程度改變。

1 海陸間通信模型的建立

電離層可以分為很多層，無線電波從發射點射入電離層之后可以通過多種模式反射到海面。為方便計算，我們只考慮無線電波通過電離層的E層反射的傳播模式。當無線電波的頻率超過電離層的MUF時，將直接射入太空而不被反射。為了保證無線電的正常傳播，我們采用最佳可用頻率作為無線電波的傳播頻率。最佳可用頻率為f=0.85fMUF（fMUF為最高可用頻率）。在這個模型中我們將計算100W的hf信號經過一次跳躍后的信號強度，我們考慮它會有一系列的損耗，包括自由空間傳輸損耗、電離層吸收損耗、額外系統損耗和海洋反射吸收損耗，下面我們將介紹各種損耗。

1.1 自由空間基本傳輸損耗

無線電波在空氣中傳播時候的能量損耗[4]：其中，Lbf為自由空間中的基本傳輸損耗，r為無限電波發射點與接收點的距離。

1.2 電離層吸收損耗

電離層損耗是無線電傳輸損耗的第二個因素。對于短波，主要是指短波通過時，由d、e、f層引起的吸收損耗。

電離層的吸收損耗可以通過以下公式得到[5]：

其中,α為衰減系數，

其中，μ0為磁導率，ε0為介電常數，εi祄i為電離層的相對介電常數，σ為電導率，ω為角速度，可由ω=2πf計算的到，通常因此上述公式可以變形為：

1.3 額外的系統損失

額外的系統損失包括遷移吸收、極化損耗、電離層非鏡面反射損耗等。附加系統損耗難以計算，是一個綜合估計。它是通過大量電路測量的波傳播損耗數據減去若干特定損耗得到的[6]。

額外的系統損失LP與發射點的本地時間t有關。

1.4 海洋反射吸收損耗

平靜海面可以當成一個無限大的光滑平面。光滑海面對電波的反射主要是鏡面反射，可以使用海面對電波的反射系數來表征。為了得到海面對電波的反射系數我們需要知道海面復介電常數ε～，它由海水相對介電常數εr，海水率σ和電波波長λ構成，表達式為：

根據CCIR，εr=70，σ=5S/m我們由平面波斜射到理想介質分界面上的反射定律，可得在光滑海面上的水平極化波和垂直極化波的Fresnel反射系數公式為：

其中，θ為掠入射角。將式（1）代入上面兩式可求得水平極化波和垂直極化波的反射系數。然后再根據反射系數可以求出海平面的信號損耗LO。

1.5 一次跳躍后的信號強度

Hf無線電一次跳躍的各種損耗為L,根據上述分析，我們可以得到：

我們假設Pt為無線電的發射功率，Pr無線電傳播任意跳動時經過海面反射的功率，并以dBm為單位，進一步的到無線電的接收功率Pr：

2 考慮湍急海面對計算模型的修正

2.1 湍急洋流的電磁特性

光滑海面對電波的反射主要是鏡面反射,而湍急海面對電波的反射除了鏡面反射分量還有散射分量，它會減弱電波在鏡面反射方向的能量。下面就分兩步研究湍急海面對反射系數的影響。首先研究湍急海面電磁特性，為反射特性的研究提供基礎。

海面電磁特性影響海面對電波的反射系數，它與海水的溫度，鹽度，電磁波頻率等多素有關。湍急海面的溫度、鹽度與平靜海面相差不大，而在f＜1106.207 MHz[7]時，海水的相對介電常數和電導率幾乎不受電磁波頻率的影響，所以湍急海面的電磁特性可以參照平靜海面的特性εr，σ的值。

2.2 反射特性

湍急的海面會改變電波的散射分量，從而導致海面的反射系數發生變化。我們根據反射系數的計算方法對兩種極化方式的反射系數進行仿真和分析。

對于水平極化波，反射系數隨掠入角的變化曲線如圖1。從圖1可以看到隨著掠入角的增加，反射系數的幅值也逐漸減小但變化較小。

圖1 水平極化波

對于垂直極化波，反射系數隨掠入角的變化曲線如圖2所示。從圖2可以看到隨著掠入角的增加，反射系數的幅值先減小后逐漸增加。

圖2 垂直極化波

2.3 粗糙修正因子

我們引入一個粗糙修正因子對靜態海面反射系數進行修正。

其中，R′為粗糙海面反射系數，ρ為粗糙修正因子，R為光滑面反射系數。 國際無線電顧問委員會（CCIR）給出了粗糙修正因子ρ[8]的表達式為：

其中，c為光速，f為電波頻率，h為海面均方根高度，它可根據 Phillips（1966）海浪模型給出

其中w為海面附近高度的風速，單位為m/s。根據以上公式我們可得修正因子ρ，進而可以通過 2.2節和2.3節的模型可以得到粗糙海面的反射系數。

3 結 語

根據我們的研究結果，我們可以看到短波通信的質量受到電離層變化，海洋湍流等因素的影響，根據我們海陸間短波通信損耗的計算模型，可以對天線輸出功率的確定起到一定的指導作用。未來，短波依舊可以憑借自身的優勢，如成本低，生存能力強，通信距離長等優點，在微機，移動通信和微電子產行業的新型技術的促進下，繼續在現代通信中繼續發揮著更加廣泛的作用。