劉爽 武秋鋒 河南師范大學(xué)

關(guān)鍵字： 多跳路徑 電離層反射 吸收損耗 反射強(qiáng)度

1 引言

1.1 研究背景

在高頻率（HF，定義為3-30 MHz），無(wú)線電波可以通過(guò)從電離層和地球上的多重反射來(lái)長(zhǎng)距離傳播（從地球表面的一點(diǎn)到地球表面的另一個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)）。至于頻率低于最高可用頻率(MUF),高頻無(wú)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(jìn)一步與每個(gè)連續(xù)跳。

在其他因素中，反射面的特征決定了反射波的強(qiáng)度，以及在保持有用的信號(hào)完整性的同時(shí)，信號(hào)最終會(huì)傳播到什么程度。此外，MUF還隨季節(jié)、時(shí)間和太陽(yáng)條件而變化。在MUF之上的頻率沒(méi)有被反射或折射，而是通過(guò)電離層進(jìn)入太空。在這個(gè)問(wèn)題上，重點(diǎn)是海洋表面的反射。從經(jīng)驗(yàn)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(lái)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(shù)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(fā)生變化。

1.2 研究目的

為了研究無(wú)線電波的特性，我們需要解決三個(gè)問(wèn)題：海面上無(wú)線電信號(hào)的反射特性、陸地上的反射特性以及船舶如何適應(yīng)洶涌的海洋環(huán)境。

首先,第一個(gè)問(wèn)題,比較第一反映反射信號(hào)強(qiáng)度在平靜的海洋和動(dòng)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(shù)描述的反射強(qiáng)度,將反射系數(shù)和頻率映射時(shí),入射角圖表,直觀地顯示了它們之間的關(guān)系。為了計(jì)算信號(hào)的最大跳數(shù)，我們?cè)谝阎旁氡乳撝档那闆r下，計(jì)算了波形在處理過(guò)程中的損失，并根據(jù)每跳的損失得到最大跳數(shù)。

2 模型假設(shè)

（1）不考慮地磁場(chǎng)的影響，即電離層是各向同性媒質(zhì)

（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(rèn)為N只是高度的函數(shù)。

（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(dǎo)率最大

（5）光滑地形不考慮地面上的建筑物等

（6）電波經(jīng)過(guò)一次完整的反射，其傳輸過(guò)程損耗只包括自由空間損耗、電離層吸收損耗、大地?fù)p耗（包括陸地和海洋損耗）

（7）忽略噪聲對(duì)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(duì)于海面，根據(jù)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(guān)于海面復(fù)介電常數(shù) 的公式（1）：

光滑海平面的反射強(qiáng)度的計(jì)算及仿真

根據(jù)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(shù)公式：

其中， 為入射角，將兩式結(jié)合可得電波入射到光滑海平面上的第一反射強(qiáng)度 ：

粗糙海平面的反射強(qiáng)度的計(jì)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(jù)Phillips海浪模型得出：

為海面附近高度的風(fēng)速，將（7）式和（8）

3.1.1.2 模型求解

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

3.1.2 最大跳數(shù)計(jì)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(shè)：自由空間損耗只與電波的傳輸頻率與傳輸距離有關(guān)，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(hào)波長(zhǎng)（單位為米），

b是信號(hào)頻率(赫茲),單位MHZ

c是與發(fā)射機(jī)的距離（單位為米），

d光的速度在真空中，每秒米數(shù)。兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)：

（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(shù)值已經(jīng)超過(guò)所題目所給的50-10=40dB可用信噪比。因此電波不會(huì)到達(dá)地面，故跳數(shù)為0。

不考慮自由空間損耗

利用曲線積分求得曲線長(zhǎng)度，電解質(zhì)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(hào)在其強(qiáng)度低于10 dB 的可用信噪比（SNR）閾值之前所能達(dá)到的最大跳數(shù)為5。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于本次的研究，主要是通過(guò)對(duì)相關(guān)資料的分析及對(duì)問(wèn)題本質(zhì)的研究對(duì)其進(jìn)行建立相關(guān)模型，可以有效解決所對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。對(duì)于模型的建立及模型的參數(shù)求解，可以得到有效的真實(shí)數(shù)據(jù)，這對(duì)于海平面研究的發(fā)展具有重大意義。