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散射通信,网安学术

原标题:【网安学术】短波通信中地表反射损耗的分析和建模

散射通信是指利用对流层及电离层中的不均匀性对电磁波产生的散射作用,进行的超视距通信。分电离层散射通信,对流层散射通信和流星余迹通信。经过散射的电波能量向多个方向发送,在超视距远方接收点的信号能量将很微弱并有衰落现象,因此在散射通信系统中需要大功率发射机、高增益天线和高灵敏度接收机,并采用分集接收方式。

摘要:在短波通信过程中,地表的物质组成不同和地形起伏会导致电磁波在地表反射时产生损耗,同时反射角度发生巨大变化。针对地形变化的不同情况,建立基本的平面与起伏面模型,并衍生出海浪模型和山地模型,结合基本模型计算得到平地、山地、平静海面与汹涌海面等不同反射表面情况下信号频率、仰角和反射损耗之间的相互关系,进而分析不同地表特性对短波通信的影响。

中文名:散射通信

0 引 言

外文名:scatter communications

短波是指频率范围在3~30
MHz的电磁波。由于电离层对该频段的电磁波吸收较小,有利于电离层的反射,因此通常采用天波形式进行传播。短波通信过程中,电磁波由发射塔发出,经电离层和地表的多次反射进行传播,覆盖范围非常大。因此,短波通信是目前最精准可靠、广泛覆盖的通信方式之一。然而,在短波信号传播过程中,由于地表特性的差异,造成电磁波不同程度的传输损耗,导致传输距离和传输效果出现较大差异。地表反射对传播的影响一直是短波通信中的研究热点,在中远距离军事通信、抗震防灾等通信中发挥了重要作用[1-4]。本文从不同地表的物质组成和几何特性两方面来表征其反射特性,量化得出不同地表的反射损耗典型值,建立海面和地面两种不同地表的反射模型,进一步分析起伏面与平面对电磁波传播造成的影响,深入探讨了不同地表特性对电磁波传输损耗以及最大通信距离的影响。

应用学科:通信

1 天波传输中的损耗

历史

20世纪50年代初,美国提出了建立对流层散射通信系统的设想,并于50年代中建立了对流层散射通信电路。中国于50年代中期开始研究对流层散射传播问题,60年代初研制模拟对流层散射设备,70年代开始研制数字对流层散射设备,并陆续建站投入使用。20世纪60年代初,美国建立了电离层散射通信电路。但由于电离层散射通信的容量很小,发射功率却要求很大,因而限制了它的发展和应用。

当以天波形式进行短波通信时,电磁波通过多跳的方式从发射点传输到接收点,在传输过程会产生能量损耗。这些损耗由多个部分组成,包括电磁波自由空间传输损耗、电离层吸收损耗、地表反射损耗和极区损耗等。传输路径损耗计算表达式为[1]:

定义

散射通信是一种超视距的通信手段,它利用空中介质对电磁波的散射作用,在两地间进行通信。对流层、电离层、流星余迹、人造散射物体等都具有散射电磁波的性质。如果发射机发出的电磁波辐射到这些地方,就会向各个方向散乱地辐射出去,其中朝斜前方向射去的电磁波能达很远的地方。远处的接收机,如果有足够高的灵敏度,就能将散射来的微弱电磁波接收下来,从而实现通信。


其中,Lb 是电磁波自由空间传输损耗,Li
是电离层吸收损耗,Lm 是高于基本最大可用频率损耗,Lg 是地表反射损耗,Lh
是极区损耗,Lz 是其他损耗,Gt
是天线增益。本文主要研究自由空间传输损耗和地表反射损耗。

特点

由于散射通信中电磁波传输损耗很大,到达接收端的信号很微弱,为了实现可靠的通信,一般要采用大功率发射机,高灵敏度接收机和高增益、窄波束的天线。

利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用进行的超视距通信。根据散射媒质的不同,散射通信一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。通常所说的散射通信大多是指对流层散射通信。

在对流层中由于大气的湍流运动产生了具有各不相同的介电常数的湍流团,当无线电波照射到这些不均匀的湍流团时,就在每一个不均匀体上感应电流,成为二次辐射体,从而向各个方向发出该频率的二次辐射波,这就是散射现象。对流层散射通信就是利用这种现象而实现的超视距无线电通信。由于对流层散射现象在200~8000兆赫频段比较显著,所以对流层散射通信主要工作在这个频段内。

并且散射通信可以进行超视距通信,距离100~300km,容量为十数路至数十路;不受核爆炸、太阳黑子、磁暴和极光等影响。可跨越海湾、无人烟地区;保密性强,稳定可靠,具有一定抗毁性;便于机动应急架设。在军事通信中广泛应用。


1.1 自由空间传输损耗

电离层散射通信

电离层散射通信是利用85~100km高度的电离层作作散射通信,其特点是不受电离层扰动的影响,尤其适合高纬度和跨极光区的通信。可用频率为40~50MHz。通信容量类似短波通信,只能通一个话路。其设备十分庞大,费用昂贵,很少使用。

自由空间传输损耗是指电磁波经天线发出后,在自由空间中传输因几何扩散引起的能量损失。设P
为发射功率,在有效传播路径r 处,功率通量密度为,接收总面积为,接收到的总功率为,则自由空间传输损耗可表示为[5]:

对流层散射通信

地球大气层一般分为电离层、平流层和对流层。对流层是大气层的最低层,其下界与地面相接,上界即对流层顶(与平流层的交界处),一般定义为温度不再随高度增加而下降之处,中纬度地区平均高度为10~12km,低(高)纬度地区较高(低)些,且一般夏季高于冬季。对整个大气圈而言,对流层只是很薄的一层,但它集中了90%的大气质量,主要天气现象如风雨、雷电、云雾等都发生在这一层。

对流层散射通信是以存在于离地面数公里到20km对流层中的不均匀气团为散射介质的散射通信。最远通信距离可达800~1000km,可用频率为100MHz~10GHz。我国在20世纪50年代中期就进行了散射传搞试验,60年代初进行了多条对流层散射电路试用,70年代建立了全部采用数字话路的对流层散射通信系统。

对流层散射的传输损耗和衰落起伏都很大;与视距通信不同的是,传输损耗同频率的三次方成正比,且随散射角(发射与接收天线波束的夹角)的增加而增大,通常每增加1度,损耗约增加10dB,传输损耗又随大气折射系数的增加而减少。

由图1中天波单跳传输示意图中的几何关系,可得电磁波传播的有效路径r

优势

对流层散射通信的优点是,通信距离远,单跳距离一般约300公里,多跳转接可达数千公里;不受核爆炸和太阳耀斑的影响,传输可靠度高,一般可达99~99.9%;通频带较宽,可达10兆赫以上,能实现多路通信,可以传送电话、电报和数据等。

其缺点是,传输损耗大,且随着通信距离的增加而剧增,因而要用大功率的发射机、高灵敏的接收机及庞大的天线,故耗资大。散射信号有较深的快衰落,其电平还受散射体内温度、湿度和气压等的影响,且有明显的季节和昼夜的变化。其衰落程度通常夏季比冬季强,早晚比中午强。为了克服或减小快衰落的影响,常采用分集接收等技术。对流层散射通信主要用于建立战略、战役通信干线。

在地球上空75~90公里的电离层中电离密度的不均匀体,对入射的超短波电波能产生散射作用,利用这种散射信号进行的超视距无线电通信,称为电离层散射通信。电离层散射通信最适用的频段是35~60兆赫,基本上不受核爆炸和太阳耀斑的影响。它的通信距离较远,单跳距离可达1000~2000公里。但它的通频带很窄,通常为2~3千赫,因而通信容量很小,一般只用于电传报通信。信号也存在快衰落现象,信号电平也有季节和昼夜的变化。


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发展趋势

(1)由于散射信道存在衰落与时延,其通信容量受到限制,但分集技术与信号处理技术的发展,使数字通信的速率得以提高,20世纪80年代国际上达12Mbit/s,我国为4Mbit/s,可靠性达99%以上。

(2)为适应时变信道的特点、充分利用多径传输的能量,研究新的调制解调技术和编码技术,以获得最佳的分集效果和克服信息码间的干扰。

(3)研究各种自适应技术,以适应信道的变化,并用于机动式散射设备中。

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通过MATLAB计算可得出图2。可见,随着仰角的增大,电磁波传播的有效路径长度逐渐减小。

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由式(3)可以推导,沿地球表面实际传输的距离D
为:

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1.2 平坦地表反射损耗

永利网站网址,经由电离层反射的电磁波再次反射到地球表面时,由于地表的物质组成不同,会导致传输过程中反射和损耗的极大差异。

由菲涅尔公式可得,当电磁波射到介质平面时,会发生反射和折射现象。短波通信中,入射到地表的电磁波大部分被反射,小部分发生折射。假定电磁波能量在水平极化和垂直极化均匀分布,则电磁波传输过程中的地表反射损耗为[3]:

其中,RV 为垂直极化反射系数,RH
为水平极化反射系数。

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式中:

可以看出,不同的相对介电常数和电导率
所造成电磁波传输过程中的地表反射损耗程度不同。例如,海水的盐分会对电导率有较大影响,泥土的含水量不同会导致相对介电常数和电导率的较大差异。表1为几种常见的地表介质的介电常数与电导率。

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根据表1中的参数,假定平静海水,,平地,,利用式(5)~式(8),借助MATLAB可计算得出天线不同仰角情况下的平静海面和平坦地面的反射损耗,如图3、图4所示。可以看出,当发射塔发射天线的仰角增大时,平静海面的衰减减少,而平坦地面的衰减增大,平静海面的衰减远小于平坦地面衰减。可见,物质组成特性对短波通信的影响显著。

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1.3 起伏地表反射损耗

很多情况下,电磁波经由电离层反射到地表并不是理想的平静海面或平坦地面,往往是一种起伏面结构,而不同的起伏面呈现出更多不同的反射特性。当地表为起伏面时,短波从电离层反射到起伏地表,如图5所示。

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图5中,表示反射点的倾角,为入射射线相对水平面的夹角,同时也是前一次地表反射时反射射线相对水平面的仰角,是反射点与水平面的距离,r
是电磁波有效传播路径长度。

根据图5的几何关系可以推导得出,当电磁波从电离层传播到起伏面后,起伏面对电磁波进行反射即形成下一跳,此时前后两跳相对水平面的仰角之间的关系为:

由式(9)可以得出,当电磁波反射在起伏面时,其射线仰角为。因此,射线仰角和反射表面起伏程度相关,且会影响下一跳的仰角,导致电磁波传输路径发生变化。

根据图5,还可推导出电磁波下一跳传播的有效路径与上一跳的有效路径、地表反射面的倾角和高度有关:

其中,n 为弹跳次数,为初始发射仰角,为初始发射高度,a1=0
,即默认初始发射塔处于水平地面,r1
为第一次弹跳有效路径(从发射塔发射到电离层,再从电离层反射到地面的距离)。

由式(10)可以看出,当地表反射面为平地时,实际传播路径会增多,引起地表反射损耗的不同。

在电磁波多跳传输过程中,地表反射面的粗糙程度不同,还会引入自由路径损耗系数:

在5级海情以上,电磁波在海平面的反射系数与平静情况下有所不同。起伏面反射系数需采用汹涌海面的修正反射系数表示实际的反射系数:

其中,为平静海面反射系数,为汹涌海面反射系数。

2 起伏地表模型

2.1 海浪模型

在短波通信过程中,电磁波从电离层反射到山地或者海面,地表反射面往往不是一个平面,而是一个起伏粗糙面。为了描述反射面的连续起伏,可将起伏海面看作由无限个随机正弦信号叠加而成:

其中。

信号的能量谱由振幅决定,为:

假设海浪的波倾角呈周期性变化,即起伏面连绵不绝。若传播方向固定,则可得出波倾角:

波倾角幅度与振幅、角频率的关系为[6]:

可将式(13)、式(15)简化为:

由此可得出每一时刻的海浪振幅(即海浪高度)和波倾角的大小。

2.2 山地模型

当地表为山地时,反射表面往往是粗糙不平、高低起伏的。根据电磁波的仰角
和波长 ,可由式(19)计算出平面平整度的参数高度hc 为[7]:

若地表反射面的起伏高度小于hc
,可认为是光滑面;若起伏高度大于hc ,可认为是粗糙面。

对于粗糙小平面,可建立如下曲面方程:

其中,n(x,y) 独立并服从分布的二维随机过程,n(x,y)
的大小可反映地面起伏程度。

z(x,y)是服从瑞利分布的相关随机过程,即:

其中,z1(x,y) 、z2(x,y)
都是服从的相关随机过程。所以,z1(x,y)
均值为,标准差为。

由于介质面的粗糙程度往往会发生散射,散射损耗系数为[6]:

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粗糙表面的修正反射系数表示为:

对比汹涌海面和山地的反射波损耗情况,不同的反射面,由山地模型、海浪模型以及式(9)~式(12)计算修正反射系数进行反射损耗计算。较之介质面为平静海面和平坦地面时,汹涌海面和起伏山地对电波的衰减明显增大。假设海浪的浪高为3
m、山地起伏的标准差为5时,仿真结果如图6、图7所示。

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由图6可知,当反射面为海面且浪高一定时(忽略仰角很小时增益的变化),增益随着仰角的增大而增大,且增益在仰角大于30°时变化不大。

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由图7可知,当反射面为山地且起伏程度一定时(忽略仰角很小时增益的变化),增益随着仰角的增大而减小,且在20°左右取到极大值。

结合以上两方面考虑,反射面可能是山地,也可能是海面,因此仰角不宜过大也不能过小,取值在20°~30°较为合理。

3 结 语

本文通过建立海浪模型和山地模型,对短波通信时不同状态的地表反射损耗进行分析。可以看出,汹涌海面、山地反射的地表反射损耗相对要大于平静海面、平地的损耗。

除此之外,通过仿真分析得到以下结论:

(1)当介质相同时,无论地表状态是平坦还是起伏,仰角与反射损耗的关系基本一致。在频率和仰角相同的情况下,平坦和起伏表面的地表反射损耗差异明显,起伏表面的反射损耗远大于平坦表面。

(2)当介质不同时,仰角与地表反射损耗的关系有所不同。随着仰角的增大,反射介质面为海面的反射损耗逐渐减小,反射介质面为地面的反射损耗逐渐增大。

由此可以看出,在短波通信过程中,反射面的介质特性会极大地影响传输过程中的损耗和实际的传输距离,海面和平地有较大区别,且起伏面反射损耗大于平面。

参考文献:

[1]
徐义君,汤云革,蒙洁.基于短波的天波传播衰减预测模型研究[J].微型机与应用,2010,29(18):56-57,60.

[2]
庄乾波,孙方刚.不同地面形式对短波通信影响分析[J].中国新通信,2014,16(09):92,97.

[3]
罗佳,张文明,王雪松.通信对抗中短波天波传输损耗的仿真建模[J].计算机仿真,2007(08):28-31,35.

[4]
罗光胜,张志刚,孙剑平.倾斜地面对短波天线通信的影响[J].舰船电子工程,2012,32(12):63-64,67.

[5]
叶桂林.海上短波通信链路计算与分析[J].舰船电子工程,2017,37(04):52-55,126.

[6]
郭惜久,程翔.随机海浪模型仿真[J].四川兵工学报,2010,31(08):134-136.

[7]
啜钢,王文博,常永宇等.移动通信原理与系统[M].北京:北京邮电大学出版社,2015:18-22.

作者简介:

张倩倩,上海海事大学信息工程学院学士,主要研究方向为通信工程;

蒋匡铭,上海海事大学信息工程学院学士,主要研究方向为通信工程;

吴秉横,上海海事大学信息工程学院讲师,博士,主要研究方向为无线宽带天线、雷达罩技术。

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