淺談海洋表面的高頻無線電傳輸范文

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摘要：針對無線電波在海洋面上的傳播問題，本文采用微元法、曲線積分法、幾何推導等多種方法，得到無線電波在海洋面上的傳播模型，運用MATLAB軟件解得海洋面上無線電波的傳播規律，與實際情況相吻合。

關鍵詞：隨機波理論；曲線積分；微元法；反射強度

0引言

無線通信在現代通信中占據著極其重要的位置，幾乎任何領域都使用無線通信，包括商業、氣象、金融、軍事、工業、民用等，無線電的最早應用于航海中［1］。無線電波通過介質或在介質分界面發生折射或反射，由發射點傳播到接收點。無線電通信是利用無線電波的傳播特性而實現的，因此，研究無線電波的傳播特性和模式，是提高無線電通信質量的重大課題［2］。在高頻區域，通過電離層和地球外的多重反射，無線電波可以傳輸較遠的距離。在高頻（HF）區域，通過電離層和地球外的多重反射，無線電波可以傳輸較遠距離（從地球表面上的一點到地球表面上另一點）。對于低于最大值的可用頻率，來自地面源的HF無線電波通過電離層反射到地球，在地球可能再次反射回電離層，也可能會再次反映回到地球上，每一個連續的跳躍都會使得電波傳輸的更遠。除其他因素外，反射面的特性決定反射波的強度以及在保證有用信號完整性的同時如何最大程度地傳輸信號。另外，最大可用頻率隨季節、時間及天氣條件而變化，高于最大可用頻率的無線電不會發生反射和折射，而是穿過電離層進入太空。經驗發現，在動蕩海域表面電波的反射衰減程度比平靜海域大很多。海洋湍流會影響海水的電磁梯度，改變海洋的局部介電常數和滲透率，并改變反射面的高度和角度等。動蕩海洋表面的波高、形狀和頻率迅速變化，且波浪的運動方向也可能改變。在本問題中，主要關注海洋表面的電波反射。

1模型的假設

（1）假設陸地上發送無線電波的點源處只有一個基站。（2）假設不存在無線電波的折射。因為無線電波的折射很小，可以忽略不計。（3）忽略反射波被波浪所阻擋的情形。因為當無線電波被波浪所阻擋時，反射波不能到達電離層。

2模型的建立

2.1無線電的傳播路徑

無線電波在傳輸的過程中，從地球上一個點到另一個遙遠的點，需要通過電離層和地球外的多重反射。從基站發出后，無線電波先經過電離層反射，再在動蕩的海平面上發生第一次反射，由基站發射到由動蕩海平面發出該過程比較簡單，傳播路徑由發射角和動蕩海平面的角度決定。經過第一次的動蕩海面反射后的無線電波，按照之前的規律將從海洋面上發生附加的反射（2到n），該路徑具有重復性和規律性。無線電波在電離層發生反射、折射，因為折射損失的部分可以忽略，因此只考慮無線電波的反射。當反射發生在動蕩的海面時，海洋的湍流會影響海水的電磁梯度和其他影響無線電波強度的參數，與此同時將會改變反射面的高度和角度。在動蕩海域表面電波的反射衰減程度比平靜海域大很多。假設無線電波AC是由動蕩海洋反射而來，它以一定的入射角到達電離層，在電離層發生反射，再到達海洋面，并重復這個過程，在這個過程中，它的強度由于損耗不斷減少。無線電波通過跳躍傳播的距離相對于地球比較大，所以在問題的分析過程中地球近似為球體。

2.2無線電傳播過程中的損耗

查閱資料［3，4］得知，傳播路徑中存在多種損耗，包括自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗、電離層損耗、海水吸收損耗和其它損耗。因為海洋湍流會影響海水的電磁梯度、局部靜電常數、滲透率等。所以，入射的無線電波在平靜海洋面上的損耗和動蕩的海洋面是不同的。在無線電波的傳播過程中主要考慮自由空間傳播損耗、大氣吸收損耗、電離層損耗、海水吸收損耗和其它損耗五種損耗，總的損耗為L。

2.3無線電在海洋面上的反射

無線電波在海洋面發生反射時，一部分被海水吸收，另一部分被反射。入射強度、反射強度以及吸收強度在海洋面上的關系用反射系數表示，其中動蕩海洋面的反射系數與入射角度以及海面波浪的角度有關。考慮動蕩的海洋面主要由風速影響，不同的風速導致海面波浪的高度與角度不同。波浪高度的概率密度符合高斯分布，受外界影響很大，具有很大的隨機性。查閱資料得知，海浪理論分為水波理論和隨機波理論［5］，在動蕩的海平面上，因為風速的原因，波面的形狀呈不規則狀，因此只考慮隨機波理論，波高范圍0.5至2.5m是海洋中最經常出現的，占據所有波高范圍的71％。

3模型的結果

設陸地上的一個點發出無線電波時，發射角為αj，傳播長度為α，無線電波的入射強度P。首次反射在海平面的反射強度為：E=P-L，首次反射面為動蕩的海洋面時，因為海浪的波高和形狀與傳播過程中的損耗，與首次反射面為平靜的海洋面時，只存在傳播過程中的損耗兩種情況下，動蕩海洋中的反射強度比平靜海洋中的反射強度小。

4結論

首次反射發生在動蕩海洋面和平靜海洋面時，隨著無線電波頻率的增大，無線電波反射強度的變化趨勢相同，即先增大后減小，同時動蕩海洋的反射強度比平靜海洋的反射強度小的多，原因在于動蕩的海洋表面的波高、形狀和頻率變化迅速，且波浪的運動方向也可能隨時改變。

作者：王亞 單位：江西理工大學信息工程學院