海面无线电波传播损耗模型研究

摘 要 我们分析了高频信号（HF）在海面反射过程中的强度变化过程，由此建立了一套关于海情状况与高频信号（HF）反射率的相关系统：随着海情状况不同，海面的波浪系数不同，随之改变海面的介电常数，结合菲涅尔公式，计算出不同海情状况下，对应的高频信号反射率。反射强度之比即为反射率之比。

关键词 菲涅尔公式；介电常数；反射率

1 模型建立

1.1 背景介绍

高频短波指的是一种频率范围在3-30MHz的电磁波，它相比低频段电磁波，具有空间管理能力大，频率资源丰富的特点。利用高频短波信号进行通信时，要经过多次反射才能在终端之间进行通信，其中包含了在海平面间的反射，我们由此建立了一套解决信号在海平面反射前后能量变化的模型。

海面对波的反射，根据入射角的不同而不同。由已知的Bragg共振散射模型，海浪谱可以看作由无限个振幅不同、频率不同、方向不同等具有明显的随机性，从而会影响海洋的局部介电常数，改变入射的角度。在海洋中，反射率会受到海水温度、海水盐度、海面风向的影响。

1.2 问题假设和模型建立

我们假设：

（1）对于平静的海面，其介电常数为定值。

（2）对于湍流的海洋，其介电常数及磁导率等会随着海水的流速、风级以及海浪的方向等不同而不同。

设定海水流速，风向以及观测方向夹角，分别取不同的风速、风浪谱宽，得倒涌浪波高，在频域内采样，将涌浪波高归一化处理，加入随机因素，得倒海面全谱（全谱=涌浪普+风浪谱）。

考虑波的反射从微观角度考虑，及仅可从一个波浪入手去考虑，且仅考虑海面以上的部分。海水的湍急程度以及风向等会影响海浪的高度以及介电常数，利用matlab仿真出在小范围内的一个海浪的PM图。

2 模型求解

2.1 海水介电常数的计算

海水的介电常数使用Debye Equation计算：

其中，，为自由空间介电常数；；；为电磁波角频率。

与温度和盐度的关系表达式分别如下：

其中，分别为海水的盐度（‰）和温度（℃）。

由前面假设可知；海水平均温度

海水平均鹽度；

（1）平静海洋的介电常数：

（2）湍流海面的介电常数：

其介电常数除与上述因素有关，还与浪高，浪波长等因素有关，由Bragg模型可得不同的海浪对应的介电常数（为对应不同浪波长所对应的系数）。

根据曲线图：

于是：

2.2 海水在两种不同环境下的反射率估算

菲涅耳公式知反射系数：

其中为复相对介电常数，为入射角度

对于反射系数：

对于平静海面：

海水的信号反射率：

对于汹涌海面：

信号的反射率：

因此，平静海面的第一反射强度和汹涌海面的第一反射强度之比为：

2.3 平静海面下反射波信号的强度损失

海面反射过程中的无线电信号损失：

如果入射电波是圆极化的，那么反射损失 （dB）

对于平静海面：；

对于湍流海面：。

3 总结分析

我们通过研究无线电波信号在海平面的反射现象，建立了一套用于计算无线电波在海面反射能量损失的模型，得出了以下结论：（1）在海情状况相同的情况下，反射损失随着入射角的增大而增大；（2）海面起伏程度越大，信号损失越多；（3）我们还通过MATLAB仿真发现。①在高频信号入射角相同的情况下，汹涌画面比平静海面信号损失多；②在海情状况相同的条件下，信号入射角越大，反射损失越多；③入射角 海浪系数 的情况下，海面反射损失最大；

参考文献

[1] 黄芳.海上无线电波传播特性及信道建模研究[D].海口：海南大学，2015.

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