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短波通讯中地球表面反射损耗的辨析和建立模型

日期:2019-06-19编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:【网安学术】短波通信中地表反射损耗的分析和建模

波长不同的电磁波有不同的传播特性,这里只介绍无线电波的传播。通常,无线电波有三种传播方式:地波、天波和沿直线传播的波。

摘要:在短波通信过程中,地表的物质组成不同和地形起伏会导致电磁波在地表反射时产生损耗,同时反射角度发生巨大变化。针对地形变化的不同情况,建立基本的平面与起伏面模型,并衍生出海浪模型和山地模型,结合基本模型计算得到平地、山地、平静海面与汹涌海面等不同反射表面情况下信号频率、仰角和反射损耗之间的相互关系,进而分析不同地表特性对短波通信的影响。

地波沿地球表面附近的空间传播的无线电波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障物,根据波的衍射特性,当波长大于或相当于障碍物的尺寸时,波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大,长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过,短波和微波由于波长过短,绕过障碍物的本领就很差了。

0 引 言

地球是个良导体,地球表面会因地波的传播引起感应电流,因而地波在传播过程中有能量损失。频率越高,损失的能量越多。所以无论从衍射的角度看还是从能量损失的角度看,长波、中波和中短波沿地球表面可以传播较远的距离,而短波和微波则不能。

短波是指频率范围在3~30 MHz的电磁波。由于电离层对该频段的电磁波吸收较小,有利于电离层的反射,因此通常采用天波形式进行传播。短波通信过程中,电磁波由发射塔发出,经电离层和地表的多次反射进行传播,覆盖范围非常大。因此,短波通信是目前最精准可靠、广泛覆盖的通信方式之一。然而,在短波信号传播过程中,由于地表特性的差异,造成电磁波不同程度的传输损耗,导致传输距离和传输效果出现较大差异。地表反射对传播的影响一直是短波通信中的研究热点,在中远距离军事通信、抗震防灾等通信中发挥了重要作用[1-4]。本文从不同地表的物质组成和几何特性两方面来表征其反射特性,量化得出不同地表的反射损耗典型值,建立海面和地面两种不同地表的反射模型,进一步分析起伏面与平面对电磁波传播造成的影响,深入探讨了不同地表特性对电磁波传输损耗以及最大通信距离的影响。

地波的传播比较稳定,不受昼夜变化的影响,而且能够沿着弯曲的地球表面达到地平线以外的地方,所以长波、中波和中短波用来进行无线电广播。

1 天波传输中的损耗

由于地波在传播过程中要不断损失能量,而且频率越高损失越大,因此中波和中短波的传播距离不大,一般在几百千米范围内,收音机在这两个波段一般只能收听到本地或邻近省市的电台。长波沿地面传播的距离要远得多,但发射长波的设备庞大,造价高,所长波很少用于无线电广播,多用于超远程无线电通信和导航等。

当以天波形式进行短波通信时,电磁波通过多跳的方式从发射点传输到接收点,在传输过程会产生能量损耗。这些损耗由多个部分组成,包括电磁波自由空间传输损耗、电离层吸收损耗、地表反射损耗和极区损耗等。传输路径损耗计算表达式为[1]:

天波依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波。什么是电离层呢?地球被厚厚的大气层包围着,在地面上空50千米到几百千米的范围内,大气中一部分气体分子由于受到太阳光的照射而丢失电子,即发生电离,产生带正电的离子和自由电子,这层大气就叫做电离层。

其中,Lb 是电磁波自由空间传输损耗,Li 是电离层吸收损耗,Lm 是高于基本最大可用频率损耗,Lg 是地表反射损耗,Lh 是极区损耗,Lz 是其他损耗,Gt 是天线增益。本文主要研究自由空间传输损耗和地表反射损耗。

电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。实验证明,波长短于10m的微波能穿过电离层,波长超过3000km的长波,几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波,波长越短,电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此,短波最适宜以天波的形式传播,它可以被电离层反射到几千千米以外。但是,电离层是不稳定的,白天受阳光照射时电离程度高,夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱,这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台,就是这个缘故。

1.1 自由空间传输损耗

沿直线传播的电磁波微波和超短波既不能以地波的形式传播,又不能依靠电离层的反射以天波的形式传播。它们跟可见光一样,是沿直线传播的。这种沿直线传播的电磁波叫空间波或视波。

自由空间传输损耗是指电磁波经天线发出后,在自由空间中传输因几何扩散引起的能量损失。设P 为发射功率,在有效传播路径r 处,功率通量密度为,接收总面积为,接收到的总功率为,则自由空间传输损耗可表示为[5]:

地球表面是球形的,微波沿直线传播,为了增大传播距离,发射天线和接收天线都建得很高,但也只能达到几十千米。在进行远距离通信时,要设立中继站。由某地发射出去的微波,被中继站接收,进行放大,再传向下一站。这就像接力赛跑一样,一站传一站,把电信号传到远方。直线传播方式受大气的干扰小,能量损耗少,所以收到的信号较强而且比较稳定。电视、雷达采用的都是微波。

由图1中天波单跳传输示意图中的几何关系,可得电磁波传播的有效路径r :

现在,可以用同步通信卫星传送微波。由于同步通信卫星静止在赤道上空36000km的高空,用它来做中继站,可以使无线电信号跨越大陆和海洋。

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通过MATLAB计算可得出图2。可见,随着仰角的增大,电磁波传播的有效路径长度逐渐减小。

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由式(3)可以推导,沿地球表面实际传输的距离D 为:

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1.2 平坦地表反射损耗

经由电离层反射的电磁波再次反射到地球表面时,由于地表的物质组成不同,会导致传输过程中反射和损耗的极大差异。

由菲涅尔公式可得,当电磁波射到介质平面时,会发生反射和折射现象。短波通信中,入射到地表的电磁波大部分被反射,小部分发生折射。假定电磁波能量在水平极化和垂直极化均匀分布,则电磁波传输过程中的地表反射损耗为[3]:

其中,RV 为垂直极化反射系数,RH 为水平极化反射系数。

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式中:

可以看出,不同的相对介电常数和电导率 所造成电磁波传输过程中的地表反射损耗程度不同。例如,海水的盐分会对电导率有较大影响,泥土的含水量不同会导致相对介电常数和电导率的较大差异。表1为几种常见的地表介质的介电常数与电导率。

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根据表1中的参数,假定平静海水,,平地,,利用式(5)~式(8),借助MATLAB可计算得出天线不同仰角情况下的平静海面和平坦地面的反射损耗,如图3、图4所示。可以看出,当发射塔发射天线的仰角增大时,平静海面的衰减减少,而平坦地面的衰减增大,平静海面的衰减远小于平坦地面衰减。可见,物质组成特性对短波通信的影响显著。

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1.3 起伏地表反射损耗

很多情况下,电磁波经由电离层反射到地表并不是理想的平静海面或平坦地面,往往是一种起伏面结构,而不同的起伏面呈现出更多不同的反射特性。当地表为起伏面时,短波从电离层反射到起伏地表,如图5所示。

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图5中,表示反射点的倾角,为入射射线相对水平面的夹角,同时也是前一次地表反射时反射射线相对水平面的仰角,是反射点与水平面的距离,r 是电磁波有效传播路径长度。

根据图5的几何关系可以推导得出,当电磁波从电离层传播到起伏面后,起伏面对电磁波进行反射即形成下一跳,此时前后两跳相对水平面的仰角之间的关系为:

由式(9)可以得出,当电磁波反射在起伏面时,其射线仰角为。因此,射线仰角和反射表面起伏程度相关,且会影响下一跳的仰角,导致电磁波传输路径发生变化。

根据图5,还可推导出电磁波下一跳传播的有效路径与上一跳的有效路径、地表反射面的倾角和高度有关:

其中,n 为弹跳次数,为初始发射仰角,为初始发射高度,a1=0 ,即默认初始发射塔处于水平地面,r1 为第一次弹跳有效路径(从发射塔发射到电离层,再从电离层反射到地面的距离)。

由式(10)可以看出,当地表反射面为平地时,实际传播路径会增多,引起地表反射损耗的不同。

在电磁波多跳传输过程中,地表反射面的粗糙程度不同,还会引入自由路径损耗系数:

在5级海情以上,电磁波在海平面的反射系数与平静情况下有所不同。起伏面反射系数需采用汹涌海面的修正反射系数表示实际的反射系数:

其中,为平静海面反射系数,为汹涌海面反射系数。

澳门新葡8455手机版 ,2 起伏地表模型

2.1 海浪模型

在短波通信过程中,电磁波从电离层反射到山地或者海面,地表反射面往往不是一个平面,而是一个起伏粗糙面。为了描述反射面的连续起伏,可将起伏海面看作由无限个随机正弦信号叠加而成:

其中。

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