短波海面反射損耗模型研究

李海闊 曾小杰 彭靖宇

摘 要：短波在信號傳輸中具有重要的應(yīng)用，在海面的反射會引起損耗，為計算傳輸過程的損耗?；谝话憬橘|(zhì)的反射損耗模型，具體應(yīng)用到以海面為電波為反射介質(zhì)，得到適用于海面反射損耗的模型。結(jié)合短波傳輸過程中在空氣以及電離層的損耗模型，設(shè)定條件并計算傳輸總損耗以及在滿足信噪比條件下的跳躍數(shù)。結(jié)果表明，發(fā)射仰角以及發(fā)射頻率的不同會造成電波傳輸損耗以及跳數(shù)有較大差異，合理設(shè)定參數(shù)能夠減小損耗。

關(guān)鍵詞：短波；海面反射；損耗模型；發(fā)射仰角；發(fā)射頻率

0 引言

頻率處于3-30MHz的無線電波成為短波，電波可以通過地球與電離層之間的多次反射使得信號從地球表面某一位置傳播到地球表面另一較遠(yuǎn)位置。電波從一個地面發(fā)射源發(fā)射，經(jīng)過電離層發(fā)射回到地球，可能再次回到電離層反射后再次回到地球，經(jīng)過這樣的多次跳躍式前進，信號傳播到了地球的較遠(yuǎn)處。但在傳播中，空氣中自由傳播以及電離層的反射會造成一定能量損耗，該部分可運用已有公式計算，而對于電波在海面的反射損耗，為更為準(zhǔn)確地衡量電波傳輸?shù)奶鴶?shù)或距離，計算電波海面反射的消耗具有實際意義。

1 短波海面反射損耗模型

對于不同的反射介質(zhì)，反射損耗與介質(zhì)表面的垂直極化反射系數(shù)與水平極化反射系數(shù)有關(guān)，具體公式如下：

Ls=10lgK2V+K2H2（1）

式中：Ls為介質(zhì)表面反射消耗，KV為垂直極化反射系數(shù)，KH為水平極化反射系數(shù)。

由于反射消耗的大小與介質(zhì)的本身性質(zhì)參數(shù)有關(guān)，為計算電波在海面反射的損耗，需要具體化垂直極化反射系數(shù)與水平極化反射系數(shù)計算公式中的參數(shù)，亦即將（1）式具體為海面介質(zhì)，此時KV與KH的計算公式為：

KV=εr-jxsinΔ-（εr-jx）-cos2Δεr-jxsinΔ+（εr-jx）-cos2Δ（2）

KH=sinΔ-（εr-jx）-cos2ΔsinΔ+（εr-jx）-cos2Δ（3）

式中：εr為海面相對介電常數(shù)，x=σ/（ωεv）=18×103σ/f，其中σ為海洋導(dǎo)電率，f為電波頻率，Δ為電波發(fā)射仰角，j為虛數(shù)單位。

2 模型應(yīng)用

將應(yīng)用于不介質(zhì)的反射損耗模型具體到海面介質(zhì)進而得到了海面反射的損耗模型，運用該模型可以電波傳輸損耗，從而估計當(dāng)電波從地面某一點以某一角度發(fā)射，經(jīng)過電離層，反射至海面，在信噪比大于10dB時，最多能夠完成的跳躍次數(shù)。電波傳輸過程的總損耗為：

Ltotal=Lb+Ls+Li（4）

式中：Lb為自由傳播即空氣中傳播的損耗，Ls為海面反射的損耗，Li為電離層的損耗。

2.1 電離層與自由傳播損耗模型

電波在空氣中自由傳播時，所攜帶的能量會不斷地遭到損耗，如圖1，考慮地球曲率的影響，自由傳播的路徑長度為De，根據(jù)得到自由傳輸損耗公式為：

Lb=32.4418+20lgf+20lgD（5）

電離層的損耗模型計算的主要是電波在傳播得到電離層被吸收與反射損耗的能量大小，其計算公式為：

Li=677.2n（secθ）I（f+fH）1.98+10.2（6）

式中：I=1+0.0037Scos（0.881ψ）1.30，n為跳數(shù)，θ為電離層入射角，f為電波頻率，fH為100km高度處磁旋諧振頻率的平均值，S為十二個月平均太陽黑子黑子數(shù)，ψ為太陽天頂角。

2.2 實例分析

假定地面上有一個發(fā)射源以100W的恒定功率發(fā)射電波，經(jīng)過電離層反射到海平面，該過程為一個完整的跳躍數(shù)，由于發(fā)射仰角以及電波頻率的不同，第一次離開海面時總損耗將不同。分別取不同的頻率以及發(fā)射角度，結(jié)合（1）、（5）、（6）式可計算出第一跳總損耗如下表1所示。

根據(jù)表1可知，發(fā)射仰角一定時，隨頻率增加損耗會逐漸降低，但當(dāng)頻率增加到一定的量時，損耗會趨于穩(wěn)定，甚至可能將出現(xiàn)一定的反轉(zhuǎn)。同樣地，發(fā)射頻率一定時，隨發(fā)射仰角增加損耗也逐漸降低，發(fā)射仰角增加到一定值時，總損耗趨于穩(wěn)定。

電波能夠繼續(xù)向下完成跳躍，必須保證信噪比不小于10dB，信噪比的計算公式為：

SNR=201.56+10lgPt-20lgf-20lgr-Li-Ls-Fα（7）

式中：Pt為發(fā)射功率，r為傳輸路徑長度，F(xiàn)α為大氣有效噪聲系數(shù)。

設(shè)一跳的路徑長度為r0，傳輸路徑可以和跳數(shù)相關(guān)聯(lián)，即r=nr0，同時應(yīng)該滿足：

201.56+10lgPt-20lgf-20lgnro-Le-Ls-Fα≥10（8）

同樣考慮發(fā)射仰角以及發(fā)射頻率可以得到跳躍數(shù)如下圖所示：

根據(jù)圖3，顯然在發(fā)射頻率過大時，電波將不能完成一次完整的跳躍，同時發(fā)射頻率以及發(fā)射仰角均很小時亦不能完成一次完整的跳躍。根據(jù)圖2，在一定發(fā)射仰角下，增加發(fā)射頻率能夠增大跳躍數(shù)，同樣地，在一定發(fā)射頻率下，增加發(fā)射仰角能夠增大跳躍數(shù)。

3 結(jié)論

（1）海面對電波反射所引起的損耗，與海面本身屬性參數(shù)相關(guān)，準(zhǔn)確地獲得屬性參數(shù)能夠更為精確地計算海面反射引起的損耗。

（2）發(fā)射源的發(fā)射仰角以及發(fā)射頻率對電波傳輸損耗具有較大影響，發(fā)射仰角過小或發(fā)射頻率過小均會造成較大損耗，合理控制仰角大小與頻率大小能夠減小損耗。

（3）電波傳輸?shù)奶S數(shù)大小衡量了電波傳播信號的距離，在仰角以及頻率選取不合適時，會造成信噪比不達(dá)標(biāo)而難以傳輸信號。

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