周怡慧　王睿

【摘 要】海上自然環(huán)境的變化將對短波通信的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。文章通過分析海上自然環(huán)境，得到了短波地波通信和天波通信的主要影響因素，并給出了增強短波通信質(zhì)量的相應(yīng)對策，可為短波通信在海上自然環(huán)境下的有效應(yīng)用提供支撐。

【關(guān)鍵詞】海上自然環(huán)境;短波通信;地波通信;天波通信

中圖分類號： X43 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）10-0058-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.022

The Affection of the Marine Natural Environment on HF Communication

ZHOU Yi-hui WAGN Rui

（Dalian Navy Academy， Dalian Liaoning 116018， China）

【Abstract】The variety of the marine natural environment will influence the quality of HF communication directly. This paper gets the main influencing factors of ground wave communication and sky wave communication by analyzing the marine natural environment.，and the corresponding countermeasures to enhance the quality of HF communication are given. It can provide support for applying HF communication efficiently in the marine natural environment.

【Key words】Marine natural environment; HF communication; Ground wave communication; Sky wave communication

作為艦艇中遠距離通信的主要手段之一，短波通信具有設(shè)備簡單、通信距離遠等特點。按其信息傳播路徑，可分為“天波傳播”和“地波傳播”。因此復雜海上自然環(huán)境對短波通信的影響主要是兩個方面：一是海上自然環(huán)境對“天波”通信的影響;二是海上自然環(huán)境對“地波”通信的影響。艦艇短波通信受海上自然環(huán)境影響較大，應(yīng)對短波通信實際應(yīng)用方法及對策進行深入研究。

1 海上自然環(huán)境分析

海上自然環(huán)境對通信地波短波的影響主要包括：有耗海面引起波前傾斜、低層大氣介電常數(shù)分布不均勻?qū)е虏ǖ恼凵?、視距外地球曲率導致波的繞射以及隨機粗糙面導致波的色散等。這些自然環(huán)境對短波通信的影響有時是很明顯的，特別是對短波通信的干擾十分嚴重，有時這種影響甚至是毀滅性的。

地波在海面上傳播時，風浪變化會在很大程度上影響短波地波的衰減，進而影響接收場強的大小，引起通信質(zhì)量的變化

電磁環(huán)境的變化影響短波天波通信較大。傳播輻射因素是電磁環(huán)境的重要構(gòu)成要素，它對人為電磁輻射和自然電磁輻射都會發(fā)生作用，從而改變電磁環(huán)境的形態(tài)。它主要包括：電離層、地理環(huán)境、氣象環(huán)境，諸如大氣和水等各種傳播媒介等等。

1.1 電離層

在此區(qū)域存在著自由電子和離子，數(shù)量和密度足以影響電磁波的傳播。電離層的隨機、色散、各向異性的媒介特性，使電波在其中的傳播會產(chǎn)生各種效應(yīng)，從而使通信信號特別是短波通信的信號不穩(wěn)定。

1.2 地理環(huán)境

地理環(huán)境對電磁傳播的影響主要表現(xiàn)在：地形對電磁波的反射、繞射、折射和散射。在短波傳播的過程中，計算傳播距離的方程一般不會考慮傳播過程中各種因素對它的影響。實際上，“地球曲率”、“地面反射”等地理環(huán)境因素都會對短波傳播的作用距離產(chǎn)生影響。

1.3 氣象環(huán)境

當電磁波的波長超過30cm時，無線電波在大氣中的損耗較小，因此短波通信在大氣中的損耗較小。這些損耗一般是由兩個原因造成的：一是氧氣和水蒸氣的吸收;二是大氣中水滴和其它懸浮物的散射和吸收。

氧氣所引起的電磁波的能量衰減主要作用在波長為0.5m的電磁波附近，因此氧氣對短波通信的影響不大。而在常溫常濕的情況下，水蒸氣對短波通信的影響較大，并且其影響程度隨著波長的增加而迅速提高。此外，隨著溫度的上升，大氣中各種分子的活動加劇，對短波通信的影響程度變大。因此，電磁波能量的衰減與大氣的絕對溫度和絕對濕度成是正比的。

大氣中的水滴和懸浮物對短波通信造成衰減的原因有兩個方面：一是因為水和懸浮物顆粒都是非理想介質(zhì)，其中介質(zhì)的損耗造成對電波的吸收;二是由于在水滴和懸浮物顆粒中的感應(yīng)電流的二次輻射（散射），減少了電磁波傳播方向上的功率密度。

電磁波在云層和霧中傳播時，由于水滴和懸浮物顆粒的體積很小，所以第一個原因是引起電磁波衰減的主要原因，并且：電磁波的衰減與大氣中水滴和懸浮物顆粒的數(shù)量成正比，并隨著波長的減小而增加。

在下雨、下雪等天氣的情況下，由于水滴的體積較大，數(shù)量較多，這時第二個原因稱為引起電磁波衰減的主要原因，并且電磁波衰減的程度與水滴的體積和數(shù)量成正比。

2 短波地波通信影響因素及對策

2.1 影響因素

海上自然環(huán)境對短波地波通信的影響主要表現(xiàn)為：在傳播過程中對地波的損耗。這里的損耗一方面是在自由空間傳播因擴散而引起的自然衰減;另一方面是海面對電波的吸收;當傳播距離較遠時，還必須考慮球面造成的繞射損耗。由于海上的特殊環(huán)境，還應(yīng)考慮風浪對短波通信的影響。

（1）地表吸收地波傳播的損耗

地波傳播時，由于地表的吸收作用，在波的行進過程中能量會出現(xiàn)損耗。短波通信在海上進行地波傳輸時受到地表的吸收作用影響較小，一般不予考慮。

（2）風浪對地波傳播的損耗

風浪是海上主要自然環(huán)境因素之一，受其作用海面幾乎總是非平滑的。粗糙海面上的傳播損耗比平滑海面上的傳播損耗要大。表面波在傳播過程中由于海面粗糙會引起附加損耗。

風浪附加損耗會隨著頻率的升高、海風的加大和傳播距離的增長而急劇增長。由于海面阻抗的電抗性，在工作頻率為2～5MHz時，低海況的附加損耗隨距離的增加變?yōu)樨撛鲩L，所以只有在高海況時，才特別需要考慮附加損耗。海上風浪變化會在很大程度上影響短波地波的衰減，進而影響接收場強的大小。低海況時，在2～5MHz頻段工作的實際接收場強隨附加損耗的負增長而增加。其它頻段的接收場強都有隨附加損耗的增長而降低。

低海況情況下，低頻率時通信距離的增大對通信質(zhì)量的影響是越來越有利的;高頻率時通信距離的增大對通信的質(zhì)量影響是越來越不利的，頻率越高不利影響越大。高海況的情況下，地波通信衰減與工作頻率有密切關(guān)系，頻率越高衰減越大，距離越遠衰減越大。在相同的頻率和通信距離的情況下，隨著海況的升高，海況越高對通信質(zhì)量的保證越不利。

2.2 對策

風浪對地波通信的影響較大，因此在大風浪的情況下應(yīng)盡量避免用短波4地波進行通信。想要距離通信遠又要提高頻率，因此在某種海況某種距離下的最高通信頻率是研究的重點。

3 短波天波通信影響因素及對策

3.1 影響因素

海上自然環(huán)境對短波天波通信的影響主要表現(xiàn)為：由于電離層受各種因素影響變化時對天波的損耗和天波經(jīng)地面反射時所造成的損耗;靜電、宇宙射線、雷電、地磁場等各種自然因素對天波通信的干擾。

（1）電離層變化對天波傳播的損耗

在天波經(jīng)電離層的反射到達接收點的過程中，被電離層吸收了一部分能量，因此，信號遭到衰耗，這種衰耗就是“電離層衰耗”。

電離層的吸收與電子密度和氣體密度有關(guān)。電子密度越大，電子碰撞的機會就越多，被吸收的能量就越大;氣體密度越大，則每個電子在單位時間內(nèi)的碰撞次數(shù)增加，損耗也就相應(yīng)加大。此外，吸收還和電波的頻率有關(guān)。頻率越高，吸收越小;頻率越低，吸收損耗越大。

由于電離層形成的主要原因是太陽輻射，因此各層會隨著一年四季甚至是一天24小時太陽輻射的強弱變化的情況而變化，太陽黑子的周期性爆發(fā)也會對天波通信造成巨大的影響。

“晝夜變化”是電離層的第一個周期性變化。日出之后，各層的電子密度開始增加，到正午前后達到最大，以后又逐漸減小，在深夜和拂曉時變得最小。其中，在日落之后，D層會很快消失，F(xiàn)1層則會與F2層重合，變成F2層的一部分。

“季節(jié)變化”是電離層的第二個周期性變化。由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)，不同季節(jié)太陽的輻射強度不同。D層、E層、F1層夏季的電子密度大于冬季。但由于F2層的大氣位于高空，夏季受熱膨脹導致電子密度相對較小，因此F2層冬天的電子密度大于夏季。

“太陽活動的周期性變化”是電離層的第三個周期性變化。目前，廣泛使用太陽黑子數(shù)的增減來表征太陽的活動性：太陽黑子數(shù)增加時，太陽輻射能量變強，各電離層的電子密度也隨之增大。太陽黑字的數(shù)目每年都在變化，但存在一定的規(guī)律性，大約為11年一個周期。

電離層除了周期性的變化之外，還有不規(guī)則的變化，稱為“反常變化”，主要有D層突然吸收現(xiàn)象、突發(fā)E層現(xiàn)象、電離層騷擾現(xiàn)象等，它們都具有非周期性的隨機特性。這些反常變化往往使電離層的正常結(jié)構(gòu)遭到破壞，使天波傳播受到非常嚴重的干擾甚至會導致傳播中斷。

（2）海面反射對天波傳播的損耗

天波在傳播過程中由于在海面和電離層之間多次反射也會造成損耗。這種損耗是在多跳傳輸時海面反射產(chǎn)生的，它與電波的極化、頻率、射線仰角以及地質(zhì)情況等因素有關(guān)。由于電波經(jīng)電離層反射后極化面旋轉(zhuǎn)且隨機變化，入射海面時的電波是雜亂極化的。

（3）自然輻射對天波傳播的干擾

靜電、雷電和地磁場等自然輻射是海上自然電磁環(huán)境中幾種最重要的電磁輻射。這幾種電磁輻射對電磁環(huán)境的影響有時候是相當明顯的，同時也對短波通信的干擾特別嚴重有些影響甚至是毀滅性的。

3.2 對策

（1）了解電離層變化規(guī)律

基于電離層的天波通信是短波通信的主要手段，而且天波的電離層損耗是自然因素中對天波通信影響最大的因素，因此電離層的變化對短波通信的影響巨大。我們應(yīng)該根據(jù)電離層的周期性變化規(guī)律來確定天波通信的時機、方式等，以減少電離層損耗對天波通信的影響。

（2）加強對海上自然電磁環(huán)境的研究

重點研究海上地理環(huán)境和氣象環(huán)境對電磁環(huán)境的影響。靜電雖然時刻在發(fā)生，但由于其對短波通信的影響較小，一般不予考慮;雷電對短波通信的影響時間短、強度大，我們應(yīng)盡量避免在閃電時的短波通信;太陽活動活躍期雖然時間間隔較長，但其活躍期對短波通信的影響較大，因此在其活躍期應(yīng)采取相應(yīng)措施減小其對天波通信的影響。

（3）加強短波通信新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

采用以擴頻技術(shù)為主的頻域抗干擾技術(shù)、以自適應(yīng)時變和處理技術(shù)為主的時域抗干擾技術(shù)、以自適應(yīng)調(diào)零天線為主的空域抗干擾技術(shù)等，并大力發(fā)展多體制相結(jié)合的綜合抗干擾技術(shù)。

4 結(jié)語

文章通過淺析海上自然環(huán)境對短波通信的影響，得出了風浪和電離層的變化是分別引起短波地波通信和天波通信損耗主要因素的結(jié)論，故在實際運用中，研究了海上自然環(huán)境并采取相應(yīng)的對策，對提高海上短波通信質(zhì)量有一定的幫助。

【參考文獻】

[1]戎華，楊秀廷.海戰(zhàn)場環(huán)境概論[M].大連：大連艦艇學院，2016.

[2]宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3]沈琪琪.短波通信[M].西安：西安電子科技大學出版社 1997.

[4]梁濤.復雜電磁環(huán)境對數(shù)字通信系統(tǒng)的影響及對策[J].四川兵工學報，2011（12）：89-90.