高频电磁波在海水中的传播特性

海洋表面的高频无线电传输作者：王亚来源：《科技经济市场》2018年第09期摘要：针对无线电波在海洋面上的传播问题，本文采用微元法、曲线积分法、几何推导等多种方法，得到无线电波在海洋面上的传播模型，运用MATLAB软件解得海洋面上无线电波的传播规律，与实际情况相吻合。

关键词：随机波理论；曲线积分；微元法；反射强度0 引言无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，几乎任何领域都使用无线通信，包括商业、气象、金融、军事、工业、民用等，无线电的最早应用于航海中[1]。

无线电波通过介质或在介质分界面发生折射或反射，由发射点传播到接收点。

无线电通信是利用无线电波的传播特性而实现的，因此，研究无线电波的传播特性和模式，是提高无线电通信质量的重大课题[2]。

在高频区域，通过电离层和地球外的多重反射，无线电波可以传输较远的距离。

在高频（HF）区域，通过电离层和地球外的多重反射，无线电波可以传输较远距离（从地球表面上的一点到地球表面上另一点）。

对于低于最大值的可用频率，来自地面源的HF无线电波通过电离层反射到地球，在地球可能再次反射回电离层，也可能会再次反映回到地球上，每一个连续的跳跃都会使得电波传输的更远。

除其他因素外，反射面的特性决定反射波的强度以及在保证有用信号完整性的同时如何最大程度地传输信号。

另外，最大可用频率随季节、时间及天气条件而变化，高于最大可用频率的无线电不会发生反射和折射，而是穿过电离层进入太空。

经验发现，在动荡海域表面电波的反射衰减程度比平静海域大很多。

海洋湍流会影响海水的电磁梯度，改变海洋的局部介电常数和渗透率，并改变反射面的高度和角度等。

动荡海洋表面的波高、形状和频率迅速变化，且波浪的运动方向也可能改变。

在本问题中，主要关注海洋表面的电波反射。

1 模型的假设（1）假设陆地上发送无线电波的点源处只有一个基站。

（2）假设不存在无线电波的折射。

因为无线电波的折射很小，可以忽略不计。

（3）忽略反射波被波浪所阻挡的情形。

海洋电磁学海洋电磁学是研究海洋中电磁现象和电磁波在海洋中传播及相互作用的学科。

它涵盖了电磁波在海洋中传播的机理、海洋电磁场的形成与变化、电磁波与海洋环境的相互作用等内容。

海洋电磁学的研究对于理解海洋的物理过程、环境变化以及资源勘探具有重要意义。

海洋电磁学的研究对象主要是海洋中的电磁现象，其中包括海洋电场、海洋磁场和海洋电磁波。

海洋电场是指海洋中存在的电势差和电场分布，它受到地球磁场、太阳辐射以及海洋流体运动等因素的影响。

海洋磁场则是指海洋中存在的磁场分布，它受到地球磁场以及海洋电流等因素的影响。

海洋电磁波是指在海洋中传播的电磁波，它的频段范围很广，包括无线电波、微波、红外线等。

海洋电磁学的研究内容主要包括海洋电磁场的形成与变化、电磁波在海洋中的传播特性以及电磁波与海洋环境的相互作用。

海洋电磁场的形成与变化受到多种因素的影响，包括地球磁场、太阳辐射、海洋流体运动以及地壳构造等。

研究者通过观测和模拟等手段，可以对海洋电磁场的变化规律进行研究，进而揭示海洋环境的变化过程。

电磁波在海洋中的传播特性也是海洋电磁学的重要研究内容之一。

电磁波在海洋中传播受到海水的吸收、散射和反射等影响，不同频段的电磁波在海水中的传播特性有所差异。

研究者通过实验和模拟分析，可以对电磁波在海洋中的传播规律进行研究，进而为海洋资源勘探和海洋通信等应用提供理论依据。

电磁波与海洋环境的相互作用也是海洋电磁学研究的重点内容之一。

电磁波在与海洋中的物质相互作用时，可能会发生散射、吸收、反射等现象，这些相互作用过程对于海洋环境的研究和监测具有重要意义。

研究者通过模拟和实验等手段，可以对电磁波与海洋环境的相互作用过程进行研究，进而为海洋资源勘探和海洋环境保护等提供理论支持。

海洋电磁学是研究海洋中电磁现象和电磁波在海洋中传播及相互作用的学科。

它的研究内容涵盖了海洋电磁场的形成与变化、电磁波在海洋中的传播特性以及电磁波与海洋环境的相互作用等内容。

多跳高频无线电海上传播跳数模型摘要：海洋占有地球上百分之七十左右的面积，海上贸易和海上军事活动日益频繁，这对海上通信技术有了更高的要求，我们致力于用技术改变现状，提出创新方法。

我建立了基于射频追踪技术的海上信号反射模型。

该模型中我们考虑了电离层的反射率会随时间改变，给定电离层能量衰减系数，求出在电离层中的损耗能量。

根据电磁场理论，求出无线电波在海洋中由反射引起的功率损失，结合功率电平转换公式，给出湍流海面第一次跳跃能量损失。

对于平静海面，给定静态海水介电常数与磁导率，同理求出平静海面第一次跳跃的能量损失。

最后，我们模拟了噪音功率，求解最终衰减信噪比大于题目要求最小信噪比的不等式，得出最大跳数。

关键词：信号反射模型；能量损失；能量衰减系数；反射系数一、射线跟踪建造海洋信道模型1、建模：1.1自由空间散耗：在空气中传播的信号损耗为Lfs=32.44+20lgd+20lgf其中传播距离为其中h1是海面上的距离，h2是信号反射器的高度，h3是电离层信号发射点的高度1.2.电离层损耗：电离层由自由电子、正离子、负离子、分子和原子组成，是部分电离的等离子体介质。

带电粒子的存在影响无线电波的传播，其机制是带电粒子在外加电磁场的作用下随之振动，从而产生二次辐射，同原来的场矢量相加，总的效果表现为电离层对电波的折射指数小于1。

因为我们研究的是高频电波，所以只考虑电子的影响。

1.3.射线跟踪模型高频无线电波传播媒体介质的特性、障碍物的参量等等在一个波长距离范围内几乎不会发生变化。

电磁波在海洋表面传播的主要方式为直射、反射、绕射和透射这四大类。

因为海洋表面非常光滑并且弧度比较小，因此在海洋跟踪射线过程中我们只考虑直射和反射。

在对水的介电常数随温度的变化研究中，Malmberg等人得到了静态介电常数与温度的关系式为1.4模型求解相对于海平面高度50m，仰角67度，日间电离层衰减系数0.98，夜间电离层衰减系数0.92，海洋反射系数0.78，噪声功率8.5w。

海洋环境中无线通信信号衰减预测海洋环境中无线通信是现代海洋科技与事中的关键一环，其信号传输面临诸多挑战，其中信号衰减是影响通信质量和覆盖范围的主要因素之一。

本文将从六个维度探讨海洋环境中无线通信信号衰减的预测方法及其影响因素，以期为海洋通信系统的优化设计和实际应用提供理论支撑。

一、海水介质特性与信号衰减海洋环境下的无线通信信号传播，首当其冲遇到的是海水这一特殊介质。

海水具有较高的电导率，能显著吸收电磁波，特别是高频信号。

海水盐度、温度、压力的变化直接影响其电导率，进而改变信号的衰减特性。

因此，精确测量和模型化这些参数，对于预测信号在不同深度和海域的衰减至关重要。

利用先进的海洋学数据和计算机模拟技术，可以建立更为准确的海水介质模型，为信号衰减预测提供依据。

二、多径传播与干涉效应海洋环境中，无线信号除了直线传播外，还会因海面、海底及水中悬浮物的反射、折射和散射而产生多条路径传播，形成复杂的多径效应。

这些效应导致到达接收端的信号相位各异，互相干涉，引起信号衰落。

研究多径传播机制，特别是深海声道（SOund Channel）对信号传播的特殊影响，对于理解海洋环境中的信号衰减规律至关重要。

通过分析多径传播的时空分布特征，可以开发算法预估信号干涉的程度和模式，优化信号处理策略。

三、气象条件与海洋表面状态海洋气象条件，如风速、波浪状态、雨雪、雾等，对无线信号传播也有显著影响。

尤其是海面粗糙度，直接影响无线电波的反射和散射特性，从而改变信号衰减的模式。

强风浪会增加海面的不规则性，造成更多的散射，使信号能量分散，衰减加剧。

利用气象卫星和海洋观测数据，结合物理模型和统计方法，可以预测特定气象条件下信号的传播损耗，为海洋通信系统提供实时调整的依据。

四、海底地形与声学窗口海底地形的复杂性，包括山脉、峡谷、沉积层等，对声波传播路径有决定性影响。

不同的海底地质结构对信号的反射和吸收能力不同，影响信号的衰减程度。

此外，特定深度存在的声学窗口现象，即某些频率的声波能够以极低的衰减率传播，是海洋通信中利用的重要现象。

第54卷 第6期2021年6月通信技术Communications Technology Vol.54 No.6Jun. 2021·1314·文献引用格式：任祥维，魏兴雲，杨伟，等.深海水面通信信道传播特性分析[J].通信技术，2021，54（6）：1314-1319.REN Xiangwei,WEI Xingyun,YANG Wei,et al.Analysis of propagation characteristics of deep seasurface communication channel[J].Communications Technology,2021,54(6):1314-1319.doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2021.06.004深海水面通信信道传播特性分析*任祥维1，魏兴雲1，杨 伟2，胥 桓1，蒋天瑜1（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.电子科技大学，四川 成都 611731）摘 要：深海水面是一种极特殊的电磁波传播环境。

该环境下存在海浪散射、海水电特性、海杂波以及大气折射等诸多因素，导致通信信号传播过程中出现多径效应，且具有随机时变特性，对信号的接收和处理提出了较大挑战。

因此，针对典型工程应用中的深海水面传播场景，对其海浪特性、海水电特性等展开分析，通过选用合理的无线电波传播模型计算传播损耗，并分析通信信道通断规律，为后续进一步信道建模和通信信号体制设计、信号发射接收技术提出建议。

关键词：海面波；Debye 公式；Longley-Rice 模型；传播损耗中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2021)-06-1314-06Analysis of Propagation Characteristics of Deep SeaSurface Communication ChannelREN Xiangwei 1, WEI Xingyun 1, YANG Wei 2, XU Huan 1, JIANG Tianyu 1(1.No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China;2.University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Sichuan 610041, China)Abstract: Deep sea surface is a very special electromagnetic wave propagation environment. In this environment, there are many factors such as ocean wave scattering, sea electrical characteristics, sea clutter, atmospheric refraction, etc., which lead to multipath effects and random time-varying characteristics in the propagation of communication signals. They pose greater challenges to signal reception and processing. Based on the deep sea surface propagation scenarios in typical engineering applications, this paper analyzes its wave characteristics, seawater electrical characteristics, etc., calculates the propagation loss by selecting a reasonable radio wave propagation model, and analyzes the on-off laws of communication channels for further follow-up suggestions on channel modeling and communication signal system design, signal transmission and reception technology.Keywords: sea surface wave; Debye formula; Longley-Rice model; propagation loss0 引 言深海海面是一种典型的多径传播环境，日常海况3～5级，浪高1～2 m，通信双方相对位置、天线方向均存在随变特征。

海洋电磁法
海洋电磁法，又称海底电磁测深法或海洋电磁测深法，是一种在海洋研究中常用的技术。

它利用海洋中的水体对电磁波的吸收特性，通过探测电磁波在海洋中传播的衰减情况，来计算海洋深度。

海洋电磁法可以获取大面积海域海床深度信息，并能够快速、准确、经济地获得海洋深度数据，为海洋科学研究提供了重要技术手段。

一般来说，海洋电磁法包括海洋电磁发射装置和测深仪，其工作原理如下：海洋电磁发射装置将电磁波发射到海洋底部，电磁波受到水体的影响，在海洋中传播的衰减率随着底部深度的增加而增加，根据衰减率的变化，测深仪可以准确计算出海洋底部的深度。

海洋电磁法的优点很多，其中最重要的是它能够快速、准确、经济地获得海洋深度数据，为海洋科学研究提供了重要技术手段。

此外，海洋电磁法还具有测深范围广、无需直接接触海底、测深精度高等优点。

然而，海洋电磁法也存在一些缺点，比如测深精度受到水体的影响，海洋电磁法对海洋中的沉积物不敏感，测深距离有限等，使得其应用范围受到一定的限制。

总之，海洋电磁法是一种快速、准确、经济的海洋深度测量技术，被广泛应用于海洋科学研究领域。

它可以获
取大面积海域海床深度信息，为海洋科学研究提供重要的技术手段。

收稿日期：2019年4月4日，修回日期：2019年5月9日基金项目：国家自然科学基金项目（编号61702536）资助。

作者简介：王俊，男，硕士研究生，研究方向：水下电磁波通信。

王世练，男，博士，教授，研究方向：水下通信与网络对抗。

∗1引言声波传播一直是水下通信的主要方式，传播范围可达数十公里［1］，是较为可靠的通信技术。

然而它有几个显著的局限性：1）浅水中的性能较差，易受多径、温度、水压、混浊物的影响；2）声波传播速度较慢，带宽受限［2］，通信速率通常低于1kbps ；3）水和空气交界面处存在严重的反射和衰减，以及来自障碍物的衍射。

此外激光技术也可用于水下通信，它主要的优点是可用带宽较高，通信容量大［3］，然而，光通信容易受混浊悬浮颗粒和浮游生物的影响，只能在清澈的水域有效传播。

电磁波在水下会有巨大的衰减，但是它也具有显著的优点，能够在非视距条件下工作，不受水中浑浊物、盐分浓度和气压梯度的影响，具有较高的通信速率和可用带宽，特别是可以借鉴地面无线通信技术。

此外，在空气和水的交界面附近，以特定角度掠射，可以达到较远距离的通信。

文献［4］中提到可以利用电磁波从海水进入空气时形成的表面波进行传播，由于空气的介电常数非常小并且电导率近似为0，因此通过海面的传播损耗远远小于海水中的视距传播。

A.Shaw 等学者通过实验对此进行了验证，发现天线距离水面很近时，电磁波的衰减程度将变小，能够传播90m 的距电磁波在水-空气两层媒质中的传播特性研究∗王俊王世练（国防科技大学电子科学学院长沙410073）摘要根据海水中电磁波的传播特性，建立了水-空气两层媒质的电磁波传播模型，分析了海水中直射路径和海面路径两种传播方式的传播损耗，并利用FEKO 进行仿真验证。

结果表明，100kHz 的电磁波在直射路径15m 处衰减198dB ，而海面路径100m 处衰减161dB 。

利用直射路径可以实现以100kHz 左右的频率近距离的高速传输，利用海面路径则可以实现以100kHz 到1MHz 的远距离传输。

多跳高频无线电海上传输作者：缐磊孙晗王成来源：《科学与财富》2018年第08期摘要：多跳高频无线电海上传输主要取决于传输损耗，为了研究短波无线电在平静海洋、湍流海洋的反射损耗情况，本文确定三个最具影响的标准，以反射损耗、电离层损耗以及自由空间传播损耗为主要考虑因素。

分析了多跳高频无线电海上传播的具体情况。

关键词：多跳，高频无线电，海面反射损耗引言HF无线电传播可以利用地波传播，但主要是利用天波（依靠电离层的反射作用传播的无线电波）传播。

天波传播因为受到电离层不稳定性影响，信道参数不断变化。

因此短波天波信道为变参信道。

天波传播受外界影响较大，它与电离层强度、太阳辐射强度等多种因素有关。

其中，反射表面的特性决定了反射波的强度以及信号在保持有用信号完整性的状态下最终传播的程度。

海洋作为一个复杂多变的自然综合体，其涵盖面非常广泛，极大地影响着我们的生存环境。

而远程无线电海洋观测可以帮助人们深入了解和认识海洋，指导人们合理的开发海洋。

无线电是研究海洋环境、开发海洋资源、改善航海条件的一支不可或缺的生力军。

因此，高频无线电的研究对于海洋观测具有重要意义。

一模型为了详细分析多跳高频无线电传播中的损耗，我们建立了海洋表面的反射模型。

利用短波通信接收场强的计算方法，分别对自由空间基本传输损耗L0 ，电离层吸收损耗La ，地球表面反射损耗Lg 进行计算。

自由空间基本传输损耗L0电磁波在空气中传播的时候会有能量损失，这是由于传播较远的距离，能量扩展到更大的面积上造成的，基本表达式为：[1] （2）f为工作频率，d为电波传播的实际路径长度图1高频无线电的天波传输路径由图一中几何关系得出[2] （3）R为地球半径，h为地球表面到电离层的高度D为发射端到接收端的大圆距离有Google电子地图可知，发射端A和接收端B的地理经纬度，则大圆距离：（4）（5）其中x1 为发射端的地理纬度，x2 为接收端的地理纬度，y1 为发射端的地理经度，y2 为接收端的地理经度5.2电离层吸收损耗La对短波而言，电离层吸收损耗主要指电波穿过电离层时，由D，E层吸收损耗，它与太阳黑子数，太阳天顶角，工作频率，入射仰角，磁旋频率有关，工程中常用以下半经验公式：（6）fH是电离层高度处磁旋谐振频率的平均值，θ0 为入射仰角，Ij 为吸收系数（7）（8）由于太阳黑子数随事件不断变化，我们从Google的数据图中，根据前十二个月太阳黑子数平均值进行计算（9）为12个月太阳黑子数平均值，xj为太阳天顶角5.3地球表面反射损耗Lg这种损耗是传过程中在地球表面产生的，由于电波经电离层反射极化面旋转且随机变化，入射时的电波是杂乱极化的，因此，精确计算Lg是非常困难的，按照W·R·Piggott的建议，我们来估算海洋表面的消耗。

电磁波在海洋通信中的应用挑战 随着科技的不断进步和人类对海洋资源的需求增加，海洋通信变得越发重要。而在海洋通信中，电磁波的运用发挥了不可替代的作用。然而，由于海洋环境的特殊性，电磁波在海洋通信中面临着诸多应用挑战。本文将就这些挑战进行讨论，并探讨可能的解决方案。

一、海洋的复杂性 海洋环境的复杂性是电磁波在海洋通信中的首要挑战之一。海洋中存在着不同类型的水体、生物和地形，这些因素都会对电磁波的传播和接收产生影响。海洋中的盐度、温度和浊度的变化，会引起电磁波的折射和散射现象，导致信号衰减和多径效应。海洋生物如海藻和鱼群，也会对电磁波的传播产生阻碍。此外，海底地形的不规则性也增加了电磁波在海洋中传播的难度。

为了应对海洋环境的复杂性，科研人员提出了一系列解决方案。例如，采用自适应信号处理技术，可以对电磁波进行实时调整以适应海洋环境的变化。另外，通过使用多跳传输和多天线技术，可以减少信号衰减和多径效应的影响。此外，对于海洋生物的影响，研究人员可以通过减少电磁辐射的强度降低对海洋生物的干扰。

二、海洋通信的海难安全问题 在海洋通信中，海难安全问题也是电磁波应用面临的重要挑战之一。海洋环境的恶劣条件，如风浪、浓雾和雷雨，会对电磁波的传播和接收产生不利影响。在这种情况下，海上船只或平台上的通信系统可能无法正常工作，导致通信中断和应急求助的延迟。

为了应对海洋通信的海难安全问题，科技人员研发了一系列技术。例如，采用空间多样性技术可以提高通信系统的可靠性，避免单点故障。另外，在电磁波的传输过程中，通过使用频率分集和多极化技术，可以减少天气对电磁波传输的干扰。此外，安装备份通信设备和应急电源，也能够有效应对海洋通信中的突发情况，确保通信的可靠性和稳定性。

三、频谱资源的有限性 频谱资源的有限性是电磁波在海洋通信中的又一个应用挑战。尽管电磁波在通信中起着至关重要的作用，但由于频谱资源的有限性以及其他应用的竞争，海洋通信往往面临着频谱资源的短缺问题。