海域地震无线数传系统测试分析

2018-01-25李文惠黎璐玫周蓝捷方伟华张艺峰

电子测试 2017年24期

李文惠 ,黎璐玫,周蓝捷,方伟华,张艺峰

(1.厦门地震勘测研究中心，福建厦门，361021；2.国家无线电监测中心福建监测站，福建厦门，361021)

0 引言

海域地震探测一直是世界各国地震学家奋力追求的前瞻性课题，在一些发达国家诸如美国、日本等已经开展了一些海域地震探测项目。但由于海洋地震探测的特殊性决定了该项工作未能得到普遍的展开。而作为海洋测震系统中重要的一环，如何将探测数据实时准确的回传到数据处理中心，以供研究人员更好地对地震数据进行分析研究，一直是研究人员最关心的问题之一。随着通信技术、计算机技术及微电子技术的发展，可用于地震探测系统的传输方式多种多样，新的传输方式也在不断地出现。每一种通信方式都有其长处和不足，因而需要根据不同的使用场景，选择合适的通信方式。针对海域地震探测的特殊使用场景，本文主要采用海上超短波无线数传系统，并对该系统进行理论分析和实地测试比对。

1 超短波无线数传系统

超短波数传系统是利用30MHz-300MHz的超短波频段的电磁波进行的无线电通信，也叫甚高频通信。由于地面吸收较大和电离层不能反射，只能靠直线方式传输，也称视距通信，传输距离大约为50km。超短波通信的工作频带较宽，具有相当强的绕射能力，通过增强发射功率和架高发射接收天线的高度，也可进行“超视距”通信。由于海上遮挡较少，也有利于超短波的“超视距”通信。海上超短波无线数传系统一般由发射基站、接收基站、天线和终端设备等组成。

2 传输距离分析

由于地球表面曲率半径约R=6370km,令发射和接收站的天线高度分别为h1和h2，则收发两点之间的几何视距D为：

考虑到大气折射效应，电磁波在地球表面自由空间传播时会产生一定的弯曲效应（4），所以超短波传播的有效视距可简化为：

若天线发射功率为5W，整体功耗控制在30W内，满足海上设备低功耗需求。海上浮标装载的天线在海面上架高约12m，并设定正常解调的信号强度为-109dBm，多径雨雾环境时衰落冗余10dB，在岸天线采用定向11dBi，海上浮标天线采用全向6dBi，则发射天线高度与通信距离的关系如下图。

图1 发射天线高度与通信距离之间的关系

根据以上分析，笔者在福建连江和平潭之间选取70-80公里跨海无遮挡的两个点作为系统测试点，进行无线数传系统测试。经过实地测试，获得在跨海73.6公里的点对点通信距离，需要接收天线架高约340m，发射天线架高12米，发射功率可以控制在5W，整机功耗可以降低至30W内，此时系统传输正常，测得传输速率为 9.6kbps（1kB/s）。

图2 测试地点示意图

3 传输损耗分析

电磁波的传输损耗不仅与频率、距离、收发天线的高度、地形和地物有关，而且还与时间、季节及经纬度位置等诸多实时变化因素相关（5）。因此，要对其进行精确计算非常困难。研究人员一般通过结合经验模式和实践经验来得到具体的路径损耗值。在实际工作中最常用到的场强预测模式有自由空间模式、奥村模式( Okumura)、Hata 模式、COST231-Hata 模式、Egli模式等(6)，结合具体的使用场景选择合适的模式。 Egli 给出了适合于海上超短波通信的电波传输损耗经验公式 :

Lg为传输损耗，f为通信频率，d为通信距离，h1 h2分别为接收发射天线的海拔高度，Ks为地形校正因子，因为海平面近似规则平面，因此Ks取值为零，则上式可以化简为：

经实际测试获得数据表明，系统双向通信正常。通过RSSI计算得到的路径衰减如下：测试结果（红色点）与理论值（蓝色点线）的对比情况如图所示。

由上可以看出，在跨海73.6公里的点对点通信距离，接收天线架高约340m，发射天线架高12米，天线发射功率为5W，整机功耗为30W，系统测得的路径损耗为136dB，测试结果与理论值基本吻合，说明所选取的路径损耗模型的准确性。

4 结束语

在海域地震台网的设计建设中，如何因地制宜的设计选择出一种实用性强、稳定性好的传输方式是极其重要的。本文通过对超短波无线数传系统的理论分析和实地测试，了解了超短波无线数传系统在海域地震探测中应用的可行性。为海域地震台网建设提供了一种通信保障，既能最大限度的保证海域地震台网的日常运行，又能在遭遇突发事件，比如：强地震、台风、海啸及通信阻塞等干扰时不至于通信全部瘫痪。这样，才能保证每一个关键地理位置上地震探测点数据回传的实时性和完整性。