海洋表面無線電傳播的多跳模型

常瑞廷　王智豪　陳沁宇

摘 要：隨著軍備競(jìng)爭(zhēng)與通信技術(shù)發(fā)展，海洋表面無線電傳播技術(shù)得到越來越多關(guān)注。文章根據(jù)針對(duì)不同海面表面信號(hào)傳播折損問題，分別利用菲涅爾原理和Miller-Brown模型建立平靜海面與湍流海面表面折損模型，并通過窄角拋物方程進(jìn)行模型修正海浪陰影效益；并通過兩海面模型對(duì)比，得出入射角度與平靜海面與湍流海面的海面信號(hào)折損的差值呈正相關(guān)；最后引入信噪比模型概念，得出100瓦高頻段恒定載波信號(hào)在平靜海面多跳模型中最大條數(shù)為十次，具有一定的工程實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：多跳模型；菲涅爾原理；Miller-Brown模型

中圖分類號(hào)：TN011.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0058-02

Abstract： With the development of arms competition and communication technology， more and more attention has been paid to the radio communication technology of ocean surface. In this paper， according to the problem of the propagation loss of different surface signals， the surface loss models of calm and turbulent sea surfaces are established using Fresnel principle and Miller-Brown model respectively， and the model is used to modify the shading benefit of ocean waves through the narrow angle parabolic equation. By comparing the two sea surface models， it is found that the incident angle is positively correlated with the difference of the signal loss between the calm sea surface and the turbulent sea surface. Finally， the concept about Signal-to-Noise ratio （SNR， S/N） model is introduced. It is concluded that the maximum number of strips of 100-watt high frequency constant carrier signal in the multi-hop model of calm sea is 10 times， which has certain engineering practical significance.

Keywords： multi-hop model； Fresnel principle； Miller-Brown model

1 問題重述

建立海洋表面的無線高頻段（頻率范圍定義為3-10MHz）電信號(hào)傳播的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于一個(gè)100瓦的低于最大可用頻率的高頻段恒定載波信號(hào)，從陸地上的一個(gè)點(diǎn)源，確定從一個(gè)湍流海洋的第一反射的強(qiáng)度。如果從平靜的海洋發(fā)生附加的反射（2到n），信號(hào)在其強(qiáng)度低于10dB的可用信噪比閾值之前所能達(dá)到的最大跳數(shù)是多少？

2 模型建立與分析

2.1 自由空間及電離層損耗模型

首先根據(jù)短波段衰減條件將信號(hào)傳遞過程分為兩段：第一段是短波段由地面發(fā)射裝置發(fā)射到第一次到達(dá)電離層，由于直線傳播且沒有障礙物，我們根據(jù)自由空間路徑損耗計(jì)算衰減；第二段為從第一次出電離層開始出發(fā)多跳反射，經(jīng)電離層、海面反射等多種損耗，最終可計(jì)算出綜合折損效益。

2.2 平靜海面折損模型

我們假設(shè)離開電離層的電磁波為垂直極化波，垂直極化波此時(shí)只有豎直方向的分量能量波，根據(jù)菲涅爾公式，垂直極化波的反射系數(shù)Г和透射系數(shù)Г為：

η1、η2分別是媒質(zhì)1、2中的固有波阻抗，由此，我們對(duì)公式進(jìn)行進(jìn)一步的推導(dǎo)我們將從功率角度對(duì)能量守恒進(jìn)行推導(dǎo)。[2]

首先我們將借助流管的工作原理進(jìn)行類比，將入射波、反射波和折射波想象成在管道內(nèi)均勻流動(dòng)，在分界面上取一面積A，當(dāng)且僅當(dāng)入射波在此面積內(nèi)的功率等于反射波和折射波在此面積A內(nèi)的透射出去的功率之和，即滿足能量守恒定律。下文中即進(jìn)行具體證明，由功率和功率密度關(guān)系克制，入射波、反射波和投射波投射到面積A的功率分別為：[3]

SNR？燮10

3 結(jié)束語

通過運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算模擬，可計(jì)算出如下短波最大跳數(shù)與發(fā)射角度之間的關(guān)系，當(dāng)短波發(fā)射時(shí)角度較小的情況下，由于電磁波在自由空間中傳播途徑較長(zhǎng)，受自由空間能量損耗衰減的影響，電磁波強(qiáng)度不斷減少，磁波不能完成第一次信噪比（SNR）小于10dB的跳躍；隨后發(fā)射角度不斷增加，自由空間衰減損耗不斷減小，短波傳輸也不短增加跳躍次數(shù)，最終在79°發(fā)射時(shí)得到最大值10次跳躍；在大于79°發(fā)射的過程中，由于每次跳躍相位變化極小，傳輸相同信息所需要損耗能量不具有實(shí)際工程意義，得到最終條數(shù)為0。

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