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天波传输衰减模型
【摘 要】 本文建立了衰减模型以解决通过天波传输的HF 无线电传播问题及其在船岸通信中的具体应用.首先建立了基于傅里叶级数和PM 海洋谱的静态海浪模型,然后将相位设置为随机变量来描述海洋的时变性质.其次,将总损失分为三部分：自由空间和电离层损失,海洋反射损失和接收机天线损耗.对于海洋反射模型,建立了海面上的基本电磁场方程,并基于数学期望提出了“等效粗角”的概念来描述海洋湍流程度.
【关键词】 傅里叶级数 PM 海洋谱 衰减
引言
研究天波的传播规律一直是热点.这方面,有很多前人的研究可以促进我们对天波的理解.例如,曾艳军釆用Okumura-Hata 模型进行陆地上无线电波传播的预测.黄芳基于甚高频和特高频无线电波在海洋环境下的传播特点,介绍了海上信道模型的建模方法和分析方法,最终得出了适用于不同海上通信环境的模型.
一、静态模型
在现实世界中,海浪是动态的,三维意味着波的轮廓在XZ 平面和YZ 平面都是不规则函数,很难预测波的形状.不规则函数很难正确解析和分析,为了简化这个问题,假设将三维波映射到XZ 平面并在YZ 平面上保持不变时,波是周期性的.
通过上述简化,必须处理海浪的频率分量.实际上,海洋的波形随其周围而迅速变化,并且由于环境因素的复杂性,有许多经验海浪波谱基于大量的观测数据描述了海洋环境条件与海洋频率成分之间的关 系.
本文选择PM 谱来分析波形.
PM 频谱是一个经验频谱,是许多其他频谱的基础.
发现该谱与海洋上的风标相关,大部分波浪能量集中在低频区域,很明显风速越快,能量越集中在低频区域.因为在现实世界中,当海洋平静时,波浪的幅度相对较小,并且水面上似乎有更多的波动.
但是当湍流发生时,波的平均高度变大并且平均距离也增加,这表明频率组成倾向于较低.
二、时变模型
到目前为止,本文只分析波形的形状近似和频率分量.海洋的另一个重要特征是它的时变特性,在XZ 平面上考虑这个问题.
当X 固定时,幅值F（X）将根据观测时刻而改变. 换句话说,由于将形状抽象为余弦函数,所以时变特性的讨论与阶段的随机特性是平行的,因此忽略矩之间的相关性,并简单地将相位设置为符合0 至2 之间均匀分布的随机变量.
通过以上分析,可以推导XZ 平面中海浪的时变形状模型,如下所示：
三、反射模型
不同情况下海洋表面的衰减是本文最关心的. 为了说明这个问题,需要建立基本的电磁波功能.
可以列出电磁波函数如下：
还有一个尚未讨论的重要参数,即θ. 它可以被看作是指示海洋中湍流程度的因素.
当气候温和,海洋扰动较小时,波浪的振幅很小.因此,海洋表面是一个巨大的平面,在这种情况下,粗糙的角度几乎为零.
但是,当风标强烈时,波浪的平均高度要大得多,所以粗略的角度在0 到90 度之间.为了解决这个问题,本文使用期望来解决.
通过推导可以计算期望值：
其中：
f（ψ）是的概率密度函数 ψ.
现在即可以得出海洋表面的衰减主要是由于海洋上的风向和相位的分布造成的.
四、结论
本文在研究HF 无线电波在天波传播过程中的衰减之后,得出以下几个结论：随着发射端信噪比的增加,总损耗中海洋反射损耗的比例将下降；汹涌的海洋会比平静的海洋造成更多的反射损失,但随着湍流程度越来越严重,反射损失变得更小. 我们需要根据风标设置合适的仰角以最大化传播距离.
参 考 文 献
[1]W.Q.Yan, N.Zhang and K.M.Zhao, Modeling method of HFcommunication in common environment.Chinese New Communication, 2009 , 11 (19) :65-68
[2]S.S.Zhong,Electromagnetic Field and We, Beijing:Tsinghua University Press,2006.
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