引入校正因子的湍流海洋信号反射模型
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

引入校正因子的湍流海洋信号反射模型
作者:郝丽君 王静 陈婧娴 日期:2018-08-30 

引入校正因子的湍流海洋信号反射模型
郝丽君 王静 陈婧娴
(中北大学信息与通信工程学院 ,山西 太原 030051)

摘要:高频无线电波通信对于长距离信号传播具有重要意义。文中基于此背景对无线电传播问题建立海洋信号反射模型。基于此模型,利用反射系数来研究海面的信号损失。对于湍流海面的高频信号损失,通过引入校正因子来校正平静海面的反射系数。经过计算,湍流海洋第一次反射强度为0.56,发现湍流海面的第一次反射强度较小,信号强度功率损失更大。
关键词:无线电波通信;湍流海洋反射;校正因子

0引言
通常,无线电波被广泛用于海洋上的船舶发送和接收信号。在海洋上,从湍流海洋表面反射的波衰减比平静的海洋表面更多。湍流海洋会影响海水的电磁梯度,改变海洋的局部介电常数和渗透率,进而影响无线电反射器的高度和角度。因此,研究无线电波在海面的传播具有重要意义。
1 通信距离的计算
通常,有两种无线电波传播方式。一个是沿着地球表面行进,且行进路线是一个圆弧,这个距离被称为大圆距离。另一种方式是当无线电波从地面传播到电离层上层并传播到海洋时,波被电离层反射,这种方式的传播路线是一条虚线,这个距离称为斜距或斜距。
根据球面三角函数的余弦定理,可以得到地球上任意两点之间的大圆距离。 斜距与无线电波的传播方式、反射次数、无线电波入射角、大圆距离、电离层高度等有关。根据几何关系可得到电离层发生一次反射时的斜距离:

式中,d是通过电离层的倾斜距离,Δ是发射仰角,φ是发射的无线电波的入射角,h是反射点位于地面的电离层高度。无线电波的反射主要发生在地面高度约200km的电离层F层。 将数据代入方程中可以得到倾斜距离为312km。
2 三种信号损失的计算
高频无线电的损失主要包括大气传播损耗、电离层吸收损耗和海洋表面吸收损耗。当高频无线电在自由空间中传播时,其单位面积的能量由于扩散而降低,这被称为自由空间传播损耗。自由空间传播损耗是指当无线高频无线电发射点在整个球体内均匀传播并到达接收器波时,能量落在有效接收区域内的能量损失。 假设发射功率为P1,发射点到接收天线的距离为d,发射天线增益为G1。因此接收点的高频无线电功率密度为:

假设接收天线的有效接收面积为S',天线的接收增益为G2,高频无线电的波长为λ,可以得到:

所以接收天线的功率是:

式中,LS为自由空间传播损耗,单位为dB,f为单位为MHz的无线电波频率,d为发射点与单位为km的接收天线之间的距离。在发射机和接收机之间的短波传播中存在天线增益,并且对于短波天线增益为19dB。
3 湍流海洋表面的反射
对于湍流海洋表面的反射,湍流会影响海水的某些特性,同时会产生波高,使海面高度不均匀,进一步影响电磁波的入射角度离开海洋表面并最终影响海洋表面的反射系数。为了简化问题,本文通过修改平静的海洋表面反射系数乘以校正因子来获得离开湍流海面的反射系数。因此,湍流海洋表面的反射系数是:

其中R'是湍流海面的反射系数,R是平滑海面的反射系数,ρ是修正系数。  从Phillips波模型中得到以下等式:

由于海面湍流粗糙,当电磁波到达不同地方的海面时,入射角度不同。当海面掠入射角为30°时,利用MATLAB绘制了校正因子与风速的关系,如图1所示。当离开海面的风速为10m/s时,

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