短波通信在海洋表面的损耗分析

赖曦文

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071000）

0 引 言

高频通信又称短波通信，自20世纪以来迅速发展，成为世界各国远程通信的主要手段。它被广泛应用于军事、外交和气象等行业，用以传送数据、图像和语音等信息。短波通信具有建设费用低、设备安装简便、运行成本低和通信距离远等优点，但同时具有可靠性差、运输效率低、抗干扰能力弱和网络化不足等缺点[1]。为了更好地利用短波进行通信，需要改进其缺点。因此，本文将重点讨论短波通信在传输过程中的损耗问题。

1 模型的引入

1.1 电离层模型

电离层是地球大气的一个电离区域。它作为一种传播介质，使电波受到折射、反射、散射和被吸收的影响，损失了部分能量，从而对短波电磁信号的强度产生了较大影响。影响电离层的因素众多，短波电磁信号在不同电离层中的传播速度也不尽相同，则电磁信号在电离层中的传播速度为：

式中，c0为电磁信号在真空中的传播速度，n为电离层的折射率。

即使在电离层中n＞1，计算得出的c仍然非常大。因此，电磁波经过电离层时所用时间非常短，具体计算时可以忽略各种因素对电离层变化的影响，即认为计算时参数都是定值。

电离层吸收损耗有非偏移吸收和偏移吸收两种，而偏移吸收一般小于1 dB，可忽略不计。非偏移吸收为：

式中，f为电磁波频率，fH（MHz）为磁旋频率，φ为电波信号入射角，β为电离层吸收系数。磁旋频率为：

式中，Fx、Fy、Fz分别为地球基本磁场在高度为h时的北向、东向、垂直分量，计算时可取1.2～1.5 MHz，即取均值。电离层吸收系数为：

1.2 海洋对无线电波的吸收模型

海洋平静时，电磁波较为均衡。因此，只需考虑折射和反射对无线电传播的影响。电磁波在介质界面上反射和折射时，平行于入射面的分量（又称平行分量，用p表示，或简称p分量）和垂直于入射面的分量（又称垂直分量，用s表示，或简称s分量）不同[2]。根据菲涅尔公式，可得无线电波在s方向的能量比为：

式中，ts和tp分别表示s分量的振幅透射比和p分量的振幅透射比，Is、Ip和It分别表示折射波在s方向的强度、折射波在p方向的强度和入射波的强度。由此可得折射波与入射波的功率比为：

2 损耗公式

由于高频无线电波在自由空间中的损耗较小，因此可近似认为高频无线电波在传输过程中的损耗主要由两部分组成，即电离层的损耗和海洋表面的损耗，则Lb损耗为：

其中，La是电离层吸收损耗，Lw是海洋表面反射损耗。

3 模型的验证

3.1 参数赋值

取发射的无线电信号频率为10 MHz，入射角φ为45°，平静海洋的折射率n2为1.34。假设一年中太阳黑子数的平均值为100，取太阳天顶角χ的值为60°，磁旋频率fH的值为1.35 MHz。

3.2 电磁信号在平静海面传播的损耗

将参数代入公式可知，无线电波每次被电离层反射后的剩余能量为入射时能量的0.316倍，每次被平静海面反射后的剩余能量为入射时能量的0.4倍。如果发射信号的强度为100 W，则高频无线电波在平静海面反射一次后的信号强度为12.64 W[3]。

3.3 电磁信号到达信噪比阈值之前的最大跳数

由于电磁信号传播过程中的噪声功率一般极低，因此设定噪声功率为0.01 W，则信噪比为：

式中：PS和PN分别表示信号和噪声的有效功率。如果假定可用信噪比最小值为10 dB，则可得到如下不等式：

用递推方法求解上述不等式可得最大跳数为3。

4 结 论

本文通过引入电离层模型和海洋对无线电波的吸收模型，确定了无线电波在海洋表面传播的损耗公式，之后将特定参数代入损耗公式，计算海洋表面短波通信的损耗率。为了验证公式的正确性，进一步计算了无线电波在平静海洋表面进行多跳传播时的最大跳数，得出最大跳数为3，与实际情况基本相符，验证了本文推导的损耗公式的可靠性。