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2018美赛a题论文.pdf

发布时间：2022-06-18 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.32M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    多跳 HF 无线电传播 摘要 随着海洋发展战略的推行和发展，远洋航行已是世界海洋交通的 新趋势，对海洋通信设备的要求极高，建立一个好的海洋表面无线电 信号传播的数学模型也显得至关重要，根据本文的背景，我们建立了 光滑海面和湍流海面的电磁波损耗模型、高山和光滑地形的传输损耗 模型，并比较二者的异同，在有信噪比的约束条件下，求出最大跳数， 通过改变模型来适应在动荡的海洋上移动的船上接收器，使海洋上的 船舶能够使用 HF 进行通信，并接收天气和交通报告，具体模型的建 立方法如下： 针对问题一: 根据无线电在海洋表面的传播过程，首先根据公式求 出自由空间的损耗，由于电磁波通过电离层时也会受到电离层的吸收 衰减作用，根据相应公式，求出电离层的吸收损耗，最后根据海面上 的电波反射特性，分别求出平静海面和湍流海面的反射损耗，随着入 射角度和风力的变化，求出不同角度和不同风力下湍流海面和平静海 面的反射总损耗，得出湍流海面比光滑海面的反射损耗多，即第一反 射强度较弱。根据信噪比的定义，将已知数据转化为信号与噪音，当 信噪比小于 10dB 时，求出最大的跳数为十次，此时的角度为 78 度。 针对问题二：与第一问的思路类似，找出影响因子，模拟出电磁波 在陆地上的反射过程，在光滑地形下，只考虑土壤的影响，本文在常 见的土壤类型中选择了花岗岩，搜集需要的数据，求出光滑地形下的 反射损耗，电磁波遇到障碍物时会发生绕射，所以采用刃锋模型求出 绕射损耗和高山的反射总损耗。随着发射角度的不断变化，求出不同 1
    角度下的反射总损耗，将结果与第一问相对比得出异同。 针对问题三：船只在海洋中随海浪运动而运动，为了适应在动荡的 海洋上移动的船上接收器，我们考虑了波浪的运动特点，接收点位置 的变化，以及传输距离，根据因素之间的相关关系和先前的模型，通 过 MATLAB 求出了无线电波的传输损耗和反射次数，保持时间。 关键词：传输损耗 反射强度 刃锋模型 传输距离 1 问题重述 无线电波在高频段（短波）时，可进行长距离传输，在低于最大可用频 率时，可反射回电离层或地球，在高于最大可用频率时，不被反射直接进入 太空。反射表面的特性决定了反射波的强度以及信号最终行进的程度，同 时保持有用的信号完整性。在此背景下研究海洋表面的反射，从经验上发 现，在一个平静的海洋上，反射出汹涌的海面的无线电波反射比平静海面 的无线电波衰减更多。海洋湍流将影响海水的电磁梯度，改变海洋的局部 介电常数和渗透率，改变反射面的高度和角度。汹涌的海洋是波浪高度，形 状和频率迅速变化的地方，波浪的行进方向也可能发生变化。需要解决的 问题如下： 1. 对于一个 100 瓦的低于 MUF 的 HF 恒定载波信号，比较湍流海洋与 平静海洋的第一反射强度。当平静的海平面反射 n 次，在信号强度低 于 10dB 时所能达到的最大跳数。 2. 第一问中的结果与高山或崎岖地形与光滑地形的 HF 反射情况相比有 何异同？ 3. 一艘穿越海洋的船舶将使用 HF 进行通信，并接收天气和交通报告。 如何改变模型才能适应在动荡的海洋上移动的船上接收器？船舶能够 使用相同的多跳路径保持多久？ 2
    4. IEEE 通信杂志上准备一份 1 到 2 页的简短的摘要，以便作为短信发 布。 2 模型假设 1. 对于一个 100 瓦的低于 MUF 的 HF 恒定载波信号，我们将频率假设 为 5MHZ。 2. 假设离开电离层的电磁波为水平极化波，水平极化波此时只有竖直方 向的分量能量波。 3. 忽略海水温度，盐度，等其他因素的影响。 4. 假设在陆地上的传播路径上只有一个障碍物对传播造成了损耗。 5. 假设高山的高度为 1km,A,B 两点离高山的距离一样。 6. 假设所收集到的数据真实可靠。 3
    3 符号说明 符号 LFS F D Y ϵ p B c h w L1 L2 E Ps Pn N Lg 意义 自由空间传输损耗，单位 dB 频率，单位 MHz 传播距离，单位 Km 系统附加损失 海面复介电常数 垂直极化波的 Fresnel 反射系数 粗糙海面反射系数 粗糙修正因子 光速 海面均方根高度 海面附近高度的风速 粗糙海面总损耗 平静海面总损耗 电离层吸收损耗 信号 噪音 跳数 光滑地面的反射损耗 4 模型的分析与建立 4.1 问题一的分析与建立 分析：对于低于 MUF 的 HF 恒定载波可以在地球表面和电离层之间 多次反射进行长距离传输，首先分别研究海面电磁特性和海面电波反射特 性的表征参数，海面复介电常数和电波反射系数，求出光滑海平面的反射 系数，进而求出粗糙海平面的反射系数，无线电在海洋的传输损耗主要分 4
    为四种，自由空间传输损耗，电离层吸收损耗，海面反射损耗，额外损耗。 求出每个阶段的传输损耗，运用 MATLAB 在不同角度及风速下进行模拟 与仿真，求出不同海平面下的能量总损耗，损耗越多，则反射强度越小。再 根据分贝与功率的换算单位和信噪比的定义，对公式进行适当的转换，求 出当信噪比小于等于 10dB 时所能达到的最大跳数。 模型的建立： 1：自由空间损耗描述了电磁波在空气中传播时候的能量损耗，同电磁波的 频率，传播距离有关，损耗公式 [1] 为： LF S(dB) = 32:4 + 20lg(F ) + 20lg(D) (1) 自由路径的计算推导为：当电磁波由陆地点源 A 发出，与地面呈 角度向 空中入射，假设则电磁波所经过的自由路径为 d，其中 D = 2d 可由几何关 系得出 d 与地球半径 R、电离层高度 H 的关系： cos( + 2 ) = d2 + R2 (H + R)2 2dR 其中 H=100Km, 地球半径 R=6370Km, 代入式中得出： d = 12740( + 2 ) + 12536 2 (2) (3) (5) 2：对于海面上电波反射特性，主要使用海面对电波的反射系数来表示，表 示海面电磁特性的参数是海面复介电常数，它由海水相对介电常数 ϵr，海 水电导率 和电波波长 构成，表达式为: ϵ = ϵr + i60 (4) 查阅文献可知，当电波频率 f 2253:5895 时，ϵr = 70, 当电波频率 f 1106:207 时，海水电导率 =5.0;i 表示温度、盐度等其他因素，可忽略不 计。根据 snell 定律，可得光滑海面上水平极化波的反射系数公式为： sin p p sin + ϵ cos2 ϵ cos2 P = 5
    其中 为入射角, 此处将角度取为 1 150 将上式代入此式，得出不同角度 下光滑海面上的反射系数。 由文献 [4] 知，粗糙海面反射系数与平静海面反射系数有以下关系： B = P 其中 的表达式为： = √ 3:2g 2 + √ 1 (3:2g)2 7g + 9 (6) (7) 其中 g = 0:5( 4hF sin 风力等级对照表如图所示： c )2，h = 0:0051w2 通过 MATLAB 对不同的风速进行模拟与仿真，将数值带入 (6) 式，求出粗 糙海面下的反射系数。 3：在电磁波通过电离层后会受到电离层吸收衰减作用，利用工程上的半经 验公式可求出电离层的吸收损耗 E, 额外系统损耗是一项综合估算值，值与 6
    反射点的本地时间 T（小时）有关，可按下述数值估算： 8>>>><>>>>: Y =18:0dB 22 < T 04 Y =16:6dB 04 < T 10 Y =15:4dB 10 < T 16 Y =16:6dB 16 < T 22 此处将时间固定为 16-22，所以额外系统损耗为 16.6dB. 最终：粗糙海面的总传输损耗为： L1 = LF S + E + 20lgB(dB) + Y 平静海面的总传输损耗为： L2 = LF S + E + 20lgP (dB) + Y 根据信噪比的定义，我们可知信噪比的计算公式 [5] 为： (8) (9) (10) 根据分贝与功率的换算公式 X(dB) = 10 lg[Y (mW )], 当信号为 100W 时， 分贝为 50dB, 信号功率可表示为： SN R = 10log ps pn Pn = Y (dB) N Lb (11) 代入上式中，当信噪比小于 10dB 时，可求出最大跳数 N。 4.2 问题二的分析与建立 分析：电波在传播过程中遇到尺寸和工作波长相近的障碍物时，会绕 过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射，在复杂的地形下极易发生 绕射，可用刃锋模型来计算绕射损耗，刃锋模型又分为单刃锋、双刃锋和单 圆形锋，此题我们认作传播路径上只有一个障碍物对传播造成了损耗即单 刃锋模型。通过相应的公式计算高山地区的传输损耗。对于平滑地面，常见 7
    的土壤介质有花岗岩 [6]，石灰石，土壤（均值），我们研究花岗岩的相对介 电常数、电导率、相对磁导率，根据平行极化波反射系数公式，求出空气到 花岗岩的反射系数，进而求出平滑地形的反射损耗，将得出的结果与第一 问的结果比较异同。 模型的建立： 8，相对介电常数率 ϵr=5，相对磁导 1: 根据文献得花岗岩的导电率 v = 10 率 =1，入射角度从 1 900 不断地变化，根据平行极化波反射系数公式： sin p p sin + ϵ cos2 ϵ cos2 P = (12) 通过 MATLAB 得出花岗岩的反射系数为-0.249，再根据平原的反射损耗公 式，求出光滑地面的反射损耗。 Lg = 20lgj 1 P j (13) 2: 运用单刃锋模型 [7] 计算山地的反射损耗，其中高频无线电波在山地 的传播如图所示： 根据下列公式求出绕射因子 a 和绕射损耗 j： √ a = h 2 ( 1 d1 + 1 d2 ) 8 (14)
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