海上自然环境对短波通信的影响浅析

周怡慧　王睿

【摘 要】海上自然环境的变化将对短波通信的质量产生直接影响。文章通过分析海上自然环境，得到了短波地波通信和天波通信的主要影响因素，并给出了增强短波通信质量的相应对策，可为短波通信在海上自然环境下的有效应用提供支撑。

【关键词】海上自然环境;短波通信;地波通信;天波通信

中图分类号： X43 文献标识码： A 文章编号： 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

作为舰艇中远距离通信的主要手段之一，短波通信具有设备简单、通信距离远等特点。按其信息传播路径，可分为“天波传播”和“地波传播”。因此复杂海上自然环境对短波通信的影响主要是两个方面：一是海上自然环境对“天波”通信的影响;二是海上自然环境对“地波”通信的影响。舰艇短波通信受海上自然环境影响较大，应对短波通信实际应用方法及对策进行深入研究。

1 海上自然环境分析

海上自然环境对通信地波短波的影响主要包括：有耗海面引起波前倾斜、低层大气介电常数分布不均匀导致波的折射、视距外地球曲率导致波的绕射以及随机粗糙面导致波的色散等。这些自然环境对短波通信的影响有时是很明显的，特别是对短波通信的干扰十分严重，有时这种影响甚至是毁灭性的。

地波在海面上传播时，风浪变化会在很大程度上影响短波地波的衰减，进而影响接收场强的大小，引起通信质量的变化

电磁环境的变化影响短波天波通信较大。传播辐射因素是电磁环境的重要构成要素，它对人为电磁辐射和自然电磁辐射都会发生作用，从而改变电磁环境的形态。它主要包括：电离层、地理环境、气象环境，诸如大气和水等各种传播媒介等等。

1.1 电离层

在此区域存在着自由电子和离子，数量和密度足以影响电磁波的传播。电离层的随机、色散、各向异性的媒介特性，使电波在其中的传播会产生各种效应，从而使通信信号特别是短波通信的信号不稳定。

1.2 地理环境

地理环境对电磁传播的影响主要表现在：地形对电磁波的反射、绕射、折射和散射。在短波传播的过程中，计算传播距离的方程一般不会考虑传播过程中各种因素对它的影响。实际上，“地球曲率”、“地面反射”等地理环境因素都会对短波传播的作用距离产生影响。

1.3 气象环境

当电磁波的波长超过30cm时，无线电波在大气中的损耗较小，因此短波通信在大气中的损耗较小。这些损耗一般是由两个原因造成的：一是氧气和水蒸气的吸收;二是大气中水滴和其它悬浮物的散射和吸收。

氧气所引起的电磁波的能量衰减主要作用在波长为0.5m的电磁波附近，因此氧气对短波通信的影響不大。而在常温常湿的情况下，水蒸气对短波通信的影响较大，并且其影响程度随着波长的增加而迅速提高。此外，随着温度的上升，大气中各种分子的活动加剧，对短波通信的影响程度变大。因此，电磁波能量的衰减与大气的绝对温度和绝对湿度成是正比的。

大气中的水滴和悬浮物对短波通信造成衰减的原因有两个方面：一是因为水和悬浮物颗粒都是非理想介质，其中介质的损耗造成对电波的吸收;二是由于在水滴和悬浮物颗粒中的感应电流的二次辐射（散射），减少了电磁波传播方向上的功率密度。

电磁波在云层和雾中传播时，由于水滴和悬浮物颗粒的体积很小，所以第一个原因是引起电磁波衰减的主要原因，并且：电磁波的衰减与大气中水滴和悬浮物颗粒的数量成正比，并随着波长的减小而增加。

在下雨、下雪等天气的情况下，由于水滴的体积较大，数量较多，这时第二个原因称为引起电磁波衰减的主要原因，并且电磁波衰减的程度与水滴的体积和数量成正比。

2 短波地波通信影响因素及对策

2.1 影响因素

海上自然环境对短波地波通信的影响主要表现为：在传播过程中对地波的损耗。这里的损耗一方面是在自由空间传播因扩散而引起的自然衰减;另一方面是海面对电波的吸收;当传播距离较远时，还必须考虑球面造成的绕射损耗。由于海上的特殊环境，还应考虑风浪对短波通信的影响。

（1）地表吸收地波传播的损耗

地波传播时，由于地表的吸收作用，在波的行进过程中能量会出现损耗。短波通信在海上进行地波传输时受到地表的吸收作用影响较小，一般不予考虑。

（2）风浪对地波传播的损耗

风浪是海上主要自然环境因素之一，受其作用海面几乎总是非平滑的。粗糙海面上的传播损耗比平滑海面上的传播损耗要大。表面波在传播过程中由于海面粗糙会引起附加损耗。

风浪附加损耗会随着频率的升高、海风的加大和传播距离的增长而急剧增长。由于海面阻抗的电抗性，在工作频率为2～5MHz时，低海况的附加损耗随距离的增加变为负增长，所以只有在高海况时，才特别需要考虑附加损耗。海上风浪变化会在很大程度上影响短波地波的衰减，进而影响接收场强的大小。低海况时，在2～5MHz频段工作的实际接收场强随附加损耗的负增长而增加。其它频段的接收场强都有随附加损耗的增长而降低。

低海况情况下，低频率时通信距离的增大对通信质量的影响是越来越有利的;高频率时通信距离的增大对通信的质量影响是越来越不利的，频率越高不利影响越大。高海况的情况下，地波通信衰减与工作频率有密切关系，频率越高衰减越大，距离越远衰减越大。在相同的频率和通信距离的情况下，随着海况的升高，海况越高对通信质量的保证越不利。

2.2 对策

风浪对地波通信的影响较大，因此在大风浪的情况下应尽量避免用短波4地波进行通信。想要距离通信远又要提高频率，因此在某种海况某种距离下的最高通信频率是研究的重点。

3 短波天波通信影响因素及对策

3.1 影响因素

海上自然环境对短波天波通信的影响主要表现为：由于电离层受各种因素影响变化时对天波的损耗和天波经地面反射时所造成的损耗;静电、宇宙射线、雷电、地磁场等各种自然因素对天波通信的干扰。

（1）电离层变化对天波传播的损耗

在天波经电离层的反射到达接收点的过程中，被电离层吸收了一部分能量，因此，信号遭到衰耗，这种衰耗就是“电离层衰耗”。

电离层的吸收与电子密度和气体密度有关。电子密度越大，电子碰撞的机会就越多，被吸收的能量就越大;气体密度越大，则每个电子在单位时间内的碰撞次数增加，损耗也就相应加大。此外，吸收还和电波的频率有关。频率越高，吸收越小;频率越低，吸收损耗越大。

由于电离层形成的主要原因是太阳辐射，因此各层会随着一年四季甚至是一天24小时太阳辐射的强弱变化的情况而变化，太阳黑子的周期性爆发也会对天波通信造成巨大的影响。

“昼夜变化”是电离层的第一个周期性变化。日出之后，各层的电子密度开始增加，到正午前后达到最大，以后又逐渐减小，在深夜和拂晓时变得最小。其中，在日落之后，D层会很快消失，F1层则会与F2层重合，变成F2层的一部分。

“季节变化”是电离层的第二个周期性变化。由于地球绕太阳公转，不同季节太阳的辐射强度不同。D层、E层、F1层夏季的电子密度大于冬季。但由于F2层的大气位于高空，夏季受热膨胀导致电子密度相对较小，因此F2层冬天的电子密度大于夏季。

“太阳活动的周期性变化”是电离层的第三个周期性变化。目前，广泛使用太阳黑子数的增减来表征太阳的活动性：太阳黑子数增加时，太阳辐射能量变强，各电离层的电子密度也随之增大。太阳黑字的数目每年都在变化，但存在一定的规律性，大约为11年一个周期。

电离层除了周期性的变化之外，还有不规则的变化，称为“反常变化”，主要有D层突然吸收现象、突发E层现象、电离层骚扰现象等，它们都具有非周期性的随机特性。这些反常变化往往使电离层的正常结构遭到破坏，使天波传播受到非常严重的干扰甚至会导致传播中断。

（2）海面反射对天波传播的损耗

天波在传播过程中由于在海面和电离层之间多次反射也会造成损耗。这种损耗是在多跳传输时海面反射产生的，它与电波的极化、频率、射线仰角以及地质情况等因素有关。由于电波经电离层反射后极化面旋转且随机变化，入射海面时的电波是杂乱极化的。

（3）自然辐射对天波传播的干扰

静电、雷电和地磁场等自然辐射是海上自然电磁环境中几种最重要的电磁辐射。这几种电磁辐射对电磁环境的影响有时候是相当明显的，同时也对短波通信的干扰特别严重有些影响甚至是毁灭性的。

3.2 对策

（1）了解电离层变化规律

基于电离层的天波通信是短波通信的主要手段，而且天波的电离层损耗是自然因素中对天波通信影响最大的因素，因此电离层的变化对短波通信的影响巨大。我们应该根据电离层的周期性变化规律来确定天波通信的时机、方式等，以减少电离层损耗对天波通信的影响。

（2）加强对海上自然电磁环境的研究

重点研究海上地理环境和气象环境对电磁环境的影响。静电虽然时刻在发生，但由于其对短波通信的影响较小，一般不予考虑;雷电对短波通信的影响时间短、强度大，我们应尽量避免在闪电时的短波通信;太阳活动活跃期虽然时间间隔较长，但其活跃期对短波通信的影响较大，因此在其活跃期应采取相应措施减小其对天波通信的影响。

（3）加强短波通信新技术的开发应用

采用以扩频技术为主的频域抗干扰技术、以自适应时变和处理技术为主的时域抗干扰技术、以自适应调零天线为主的空域抗干扰技术等，并大力发展多体制相结合的综合抗干扰技术。

4 结语

文章通过浅析海上自然环境对短波通信的影响，得出了风浪和电离层的变化是分别引起短波地波通信和天波通信损耗主要因素的结论，故在实际运用中，研究了海上自然环境并采取相应的对策，对提高海上短波通信质量有一定的帮助。

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