海上自然環(huán)境對(duì)短波通信的影響淺析

周怡慧　王睿

【摘 要】海上自然環(huán)境的變化將對(duì)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(qiáng)短波通信質(zhì)量的相應(yīng)對(duì)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(hào)： X43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yuǎn)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(yuǎn)等特點(diǎn)。按其信息傳播路徑，可分為“天波傳播”和“地波傳播”。因此復(fù)雜海上自然環(huán)境對(duì)短波通信的影響主要是兩個(gè)方面：一是海上自然環(huán)境對(duì)“天波”通信的影響;二是海上自然環(huán)境對(duì)“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(duì)短波通信實(shí)際應(yīng)用方法及對(duì)策進(jìn)行深入研究。

1 海上自然環(huán)境分析

海上自然環(huán)境對(duì)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?dǎo)致波的繞射以及隨機(jī)粗糙面導(dǎo)致波的色散等。這些自然環(huán)境對(duì)短波通信的影響有時(shí)是很明顯的，特別是對(duì)短波通信的干擾十分嚴(yán)重，有時(shí)這種影響甚至是毀滅性的。

地波在海面上傳播時(shí)，風(fēng)浪變化會(huì)在很大程度上影響短波地波的衰減，進(jìn)而影響接收?qǐng)鰪?qiáng)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(duì)人為電磁輻射和自然電磁輻射都會(huì)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(jī)、色散、各向異性的媒介特性，使電波在其中的傳播會(huì)產(chǎn)生各種效應(yīng)，從而使通信信號(hào)特別是短波通信的信號(hào)不穩(wěn)定。

1.2 地理環(huán)境

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

1.3 氣象環(huán)境

當(dāng)電磁波的波長超過30cm時(shí)，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(gè)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(duì)短波通信的影響不大。而在常溫常濕的情況下，水蒸氣對(duì)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(dòng)加劇，對(duì)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(duì)溫度和絕對(duì)濕度成是正比的。

大氣中的水滴和懸浮物對(duì)短波通信造成衰減的原因有兩個(gè)方面：一是因?yàn)樗蛻腋∥镱w粒都是非理想介質(zhì)，其中介質(zhì)的損耗造成對(duì)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(shí)，由于水滴和懸浮物顆粒的體積很小，所以第一個(gè)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(shí)第二個(gè)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(duì)策

2.1 影響因素

海上自然環(huán)境對(duì)短波地波通信的影響主要表現(xiàn)為：在傳播過程中對(duì)地波的損耗。這里的損耗一方面是在自由空間傳播因擴(kuò)散而引起的自然衰減;另一方面是海面對(duì)電波的吸收;當(dāng)傳播距離較遠(yuǎn)時(shí)，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(fēng)浪對(duì)短波通信的影響。

（1）地表吸收地波傳播的損耗

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

（2）風(fēng)浪對(duì)地波傳播的損耗

風(fēng)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(huì)引起附加損耗。

風(fēng)浪附加損耗會(huì)隨著頻率的升高、海風(fēng)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(shí)，低海況的附加損耗隨距離的增加變?yōu)樨?fù)增長，所以只有在高海況時(shí)，才特別需要考慮附加損耗。海上風(fēng)浪變化會(huì)在很大程度上影響短波地波的衰減，進(jìn)而影響接收?qǐng)鰪?qiáng)的大小。低海況時(shí)，在2～5MHz頻段工作的實(shí)際接收?qǐng)鰪?qiáng)隨附加損耗的負(fù)增長而增加。其它頻段的接收?qǐng)鰪?qiáng)都有隨附加損耗的增長而降低。

低海況情況下，低頻率時(shí)通信距離的增大對(duì)通信質(zhì)量的影響是越來越有利的;高頻率時(shí)通信距離的增大對(duì)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(yuǎn)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(duì)通信質(zhì)量的保證越不利。

2.2 對(duì)策

風(fēng)浪對(duì)地波通信的影響較大，因此在大風(fēng)浪的情況下應(yīng)盡量避免用短波4地波進(jìn)行通信。想要距離通信遠(yuǎn)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(diǎn)。

3 短波天波通信影響因素及對(duì)策

3.1 影響因素

海上自然環(huán)境對(duì)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(shí)對(duì)天波的損耗和天波經(jīng)地面反射時(shí)所造成的損耗;靜電、宇宙射線、雷電、地磁場(chǎng)等各種自然因素對(duì)天波通信的干擾。

（1）電離層變化對(duì)天波傳播的損耗

在天波經(jīng)電離層的反射到達(dá)接收點(diǎn)的過程中，被電離層吸收了一部分能量，因此，信號(hào)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(jī)會(huì)就越多，被吸收的能量就越大;氣體密度越大，則每個(gè)電子在單位時(shí)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(huì)隨著一年四季甚至是一天24小時(shí)太陽輻射的強(qiáng)弱變化的情況而變化，太陽黑子的周期性爆發(fā)也會(huì)對(duì)天波通信造成巨大的影響。

“晝夜變化”是電離層的第一個(gè)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(dá)到最大，以后又逐漸減小，在深夜和拂曉時(shí)變得最小。其中，在日落之后，D層會(huì)很快消失，F(xiàn)1層則會(huì)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(gè)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(qiáng)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(dǎo)致電子密度相對(duì)較小，因此F2層冬天的電子密度大于夏季。

“太陽活動(dòng)的周期性變化”是電離層的第三個(gè)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(dòng)性：太陽黑子數(shù)增加時(shí)，太陽輻射能量變強(qiáng)，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(gè)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(jī)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(yán)重的干擾甚至?xí)?dǎo)致傳播中斷。

（2）海面反射對(duì)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(huì)造成損耗。這種損耗是在多跳傳輸時(shí)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(jī)變化，入射海面時(shí)的電波是雜亂極化的。

（3）自然輻射對(duì)天波傳播的干擾

靜電、雷電和地磁場(chǎng)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(duì)電磁環(huán)境的影響有時(shí)候是相當(dāng)明顯的，同時(shí)也對(duì)短波通信的干擾特別嚴(yán)重有些影響甚至是毀滅性的。

3.2 對(duì)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(duì)天波通信影響最大的因素，因此電離層的變化對(duì)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(shí)機(jī)、方式等，以減少電離層損耗對(duì)天波通信的影響。

（2）加強(qiáng)對(duì)海上自然電磁環(huán)境的研究

重點(diǎn)研究海上地理環(huán)境和氣象環(huán)境對(duì)電磁環(huán)境的影響。靜電雖然時(shí)刻在發(fā)生，但由于其對(duì)短波通信的影響較小，一般不予考慮;雷電對(duì)短波通信的影響時(shí)間短、強(qiáng)度大，我們應(yīng)盡量避免在閃電時(shí)的短波通信;太陽活動(dòng)活躍期雖然時(shí)間間隔較長，但其活躍期對(duì)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(duì)天波通信的影響。

（3）加強(qiáng)短波通信新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用

采用以擴(kuò)頻技術(shù)為主的頻域抗干擾技術(shù)、以自適應(yīng)時(shí)變和處理技術(shù)為主的時(shí)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(duì)短波通信的影響，得出了風(fēng)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(shí)際運(yùn)用中，研究了海上自然環(huán)境并采取相應(yīng)的對(duì)策，對(duì)提高海上短波通信質(zhì)量有一定的幫助。

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