海洋表面无线电传播的多跳模型

常瑞廷　王智豪　陈沁宇

摘 要：随着军备竞争与通信技术发展，海洋表面无线电传播技术得到越来越多关注。文章根据针对不同海面表面信号传播折损问题，分别利用菲涅尔原理和Miller-Brown模型建立平静海面与湍流海面表面折损模型，并通过窄角抛物方程进行模型修正海浪阴影效益；并通過两海面模型对比，得出入射角度与平静海面与湍流海面的海面信号折损的差值呈正相关；最后引入信噪比模型概念，得出100瓦高频段恒定载波信号在平静海面多跳模型中最大条数为十次，具有一定的工程实际意义。

关键词：多跳模型；菲涅尔原理；Miller-Brown模型

中图分类号：TN011.3 文献标志码：A 文章编号：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 问题重述

建立海洋表面的无线高频段（频率范围定义为3-10MHz）电信号传播的数学模型。对于一个100瓦的低于最大可用频率的高频段恒定载波信号，从陆地上的一个点源，确定从一个湍流海洋的第一反射的强度。如果从平静的海洋发生附加的反射（2到n），信号在其强度低于10dB的可用信噪比阈值之前所能达到的最大跳数是多少？

2 模型建立与分析

2.1 自由空间及电离层损耗模型

首先根据短波段衰减条件将信号传递过程分为两段：第一段是短波段由地面发射装置发射到第一次到达电离层，由于直线传播且没有障碍物，我们根据自由空间路径损耗计算衰减；第二段为从第一次出电离层开始出发多跳反射，经电离层、海面反射等多种损耗，最终可计算出综合折损效益。

2.2 平静海面折损模型

我们假设离开电离层的电磁波为垂直极化波，垂直极化波此时只有竖直方向的分量能量波，根据菲涅尔公式，垂直极化波的反射系数Г和透射系数Г为：

η1、η2分别是媒质1、2中的固有波阻抗，由此，我们对公式进行进一步的推导我们将从功率角度对能量守恒进行推导。[2]

首先我们将借助流管的工作原理进行类比，将入射波、反射波和折射波想象成在管道内均匀流动，在分界面上取一面积A，当且仅当入射波在此面积内的功率等于反射波和折射波在此面积A内的透射出去的功率之和，即满足能量守恒定律。下文中即进行具体证明，由功率和功率密度关系克制，入射波、反射波和投射波投射到面积A的功率分别为：[3]

SNR？燮10

3 结束语

通过运用MATLAB软件计算模拟，可计算出如下短波最大跳数与发射角度之间的关系，当短波发射时角度较小的情况下，由于电磁波在自由空间中传播途径较长，受自由空间能量损耗衰减的影响，电磁波强度不断减少，磁波不能完成第一次信噪比（SNR）小于10dB的跳跃；随后发射角度不断增加，自由空间衰减损耗不断减小，短波传输也不短增加跳跃次数，最终在79°发射时得到最大值10次跳跃；在大于79°发射的过程中，由于每次跳跃相位变化极小，传输相同信息所需要损耗能量不具有实际工程意义，得到最终条数为0。

参考文献：

[1]宋吉鹏，乔晓林，沈雅琴.天波传播预测及辅助决策分析[J].北京邮电大学学报，2007（02）：50-53.

[2]郭琳，张明，洪伟.电磁场教学中的电磁波斜入射问题讨论[J].电气电子教学学报，1999（04）：22-24+42.

[3]卢中昊，尹家贤.电磁波反射折射能量守恒定律推导及应用[J].电气电子教学学报，2016，38（02）：56-59.

[4]刘勇，周新力，金慧琴，等.粗糙海面对电波传播的影响研究[J].无线电工程，2012，42（03）：38-40+46.

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