測量實際叢林環境下的電波傳播路徑損耗及天線效應

我國總體上是一個缺林少綠、生態脆弱的國家，是一個受氣候影響顯著、森林火災多發的國家。森林火災是一種突發性強、破壞性大、危險性高，是全球發生最頻繁、處置最困難、危害最嚴重的自然災害之一。由於燒荒、燒灰、吸菸、野炊、狩獵、上墳燒紙、汽車漏火等等人為用火行為及雷擊起火等自然災害都會引發森林火災。我國從2001年到2015年曾發生一般火災67694起、較大48235起、重大208起、特大34起，總計116171起，總面積達3522582公頃，受害面積達1429477公頃。造成了嚴重危險和後果，必須高度重視森林保護與立法，森林防火重在預防。

森林防火實行「預防為主，積極消滅」的方針，做好預防工作是防止森林火災的先決條件，而建立健全森林監控通信系統是預防工作的主要舉措。為此，必須了解森林電波的傳播特性，這是研製開發森林監測通信的基礎。

在有大量建築物的地區，樹木和植被對通信的影像通常可以被忽略。但在森林中樹木和植被是影像無線電波傳播的重要因素，樹木和植被引起的遮擋、散射和吸收可以產生大的路徑損耗。在第二次世界大戰南太平洋戰區的熱帶森林環境中，無線通信設備普遍失靈。後來，人們通過實驗了解了熱帶亞熱帶森林地區的惡劣氣候和複雜的電磁環境是幹擾無線通信的主要原因。隨著移動通信的迅猛發展，人們對於通信環境的要求越發嚴格，從城市環境到森林環境都需要保證一定的通信質量。就目前的現狀來說，城市人口密度相對較大，移動通信的容量相對飽和，移動通信技術已經快速地在郊區、農村得到了普及，甚至正向森林發展。森林環境往往吸引著大量的探險愛好者前往。並且，出於軍事戰爭的考慮，森林也是不可忽視的一塊地方。但是，森林中往往充斥著很多不確定的因素，例如，天氣、溼度、植被覆蓋率、樹木稀疏程度等。無線電波在森林這種複雜的環境下傳播具有很大的不確定性，傳輸會受到很大的幹擾。在森林環境中，我們主要研究樹木、植被等因素對電磁波傳播產生的影響。森林通信的理論研究和實驗測試始於上世紀50年代，為了解決越南戰爭的通信問題，美國投入了大量的人力物力開展森林通信的研究，專門在泰國進行了長達5年的現場測量和實驗。與此同時，我國也在本土森林地區進行了三年的實驗。70年代至80年代，實驗頻段從HF/VHF 頻段逐步擴展到UHF 頻段，表明原來僅局限於地面通信問題的研究，已經擴展到解決包括森林環境中的戰場偵察、電子對抗與衛星聯網的綜合通信領域。

森林通信的研究是在實際應用中提出的，因此，研究基本上是從理論和實驗這兩方面同時進行的。理論研究主要集中研究森林通信中電波傳播主要模式—側面波的傳播特性和傳播機制；實驗研究則以測量實際叢林環境下的電波傳播路徑損耗及天線效應為主。對森林中路徑損耗研究中最為經典的Tamir 森林模型，將森林等效為一層有耗的介質，在Tamir 所做研究得到的接收場值的基礎上，通過仿真對該模型的正確性進行了證明，並探討了一些基本參數，如森林高度，傳播距離，接收天線高度，發射信號的頻率等對森林中電波傳播的路徑損耗值產生的影響。

1 基本路徑損耗

1.1 路徑損耗與傳播距離 

這裡將地面的折射率和森林介質的折射率分別設置為N2=10+i，n2=1.03+0.03i，為了簡單起見，發射天線的極化方式選擇垂直極化。圖1 和圖2 分別表示短距離傳播和長距離傳播的情況下，電磁波在傳播過程中的基本路徑損耗。

圖1 傳播距離較短時基本路徑損耗隨距離變化曲線

圖2 傳播距離較長時基本路徑損耗隨距離變化曲線

由圖1 和圖2 可以看出，基本路徑損耗隨著傳輸距離的增加而增大，當傳播距離較短時，基本路徑損耗的值隨著傳播距離呈指數關係變化，而當傳播距離較長時，基本路徑損耗的值隨著傳播距離呈線性關係變化。此外，通過比較兩條曲線可得，發射信號的頻率越大，基本路徑損耗的值也越大。

1.2 路徑損耗與介電常數 

當收發天線之間的距離設置為1.5km，森林介質的電導率設置為0.1mS/m，可以得到無線電波在傳播的過程中遭受的基本路徑損耗，如圖3所示。

圖3 基本路徑損耗隨森林介電常數變化曲線

由圖3可以發現，電磁波在傳播的過程中，其基本路徑損耗隨著森林介電常數的增加呈現指數增長。當森林介電常數的值較小時，該參數對基本路徑損耗的影響較大；而當森林介電常數的值逐漸增大時，該參數對基本路徑損耗的影響作用漸漸變小，基本路徑損耗的值增長緩慢。

1.3 路徑損耗與信號頻率 

森林層的介電常數設置為1.3，電導率設置為1mS/m 時，可以得到不同頻率的無線電波在傳播的過程中遭受的基本路徑損耗，如圖4所示。

圖4 基本路徑損耗隨信號頻率變化曲線

由圖4可以看出，隨著發射信號頻率的增加，電磁波在傳播過程中的基本路徑損耗的值也逐漸增大。並且，相距1500 米的收發天線之間的基本路徑損耗比相距800 米的收發天線之間的基本路徑損耗總是要大，這與上述的分析結果是相符的。

2 附加損耗

附加損耗是由發射信號的波長，發射天線與接收天線之間的聯合深度s 以及森林介質的折射率n 共同決定的。將發射天線的高度設置為12 米，森林層高度設置為16 米，其他參數不變，得到如下圖像。

2.1附加損耗與接收天線高度 

圖5 附加損耗隨接收天線高度變化曲線

由圖5 可以得到，隨著發射信號的頻率增加，附加損耗的值變大。進一步分析，我們可以發現，隨著接收天線高度的增大，附加損耗的值逐漸減小，並且呈現線性關係。

2.2 附加損耗與森林層高度 

當發射天線的高度為6米，接收天線的高度為4米，其他參數相同時，改變森林層的高度，可以得到附加損耗隨森林層高度變化曲線，如下圖所示。

圖6 附加損耗隨森林層高度變化曲線

由圖6可以發現，附加損耗隨著森林介質層高度的增加而增大，幾乎也是呈現線性的變化。頻率較高的發射信號的附加損耗增加的相對更快，對於森林層高度相同的情況，1800MHz 的信號的附加損耗值大於900MHz 的信號。

2.3 附加損耗與聯合深度 

通過理論分析可以得到，改變發射天線或者接收天線的高度以及森林層的高度，實際上改變的都是改變發射天線與接收天線之間的聯合深度s 的值，該參數才是影響附加損耗的主要因素。因此，接下來所討論的就是改變發射天線與接收天線之間的聯合深度s 對附加損耗的影響。

當森林高度為16 米，其他參數相同時，改變發射天線與接收天線之間的聯合深度s，可以得到附加損耗隨發射天線與接收天線之間的聯合深度s 的變化情況，如下圖所示。

圖7 附加損耗隨聯合深度變化曲線

由圖7可以看出，隨著森林中發射天線與接收天線之間的聯合深度的值變大，附加損耗的值也呈線性增加。當發射天線與接收天線之間的聯合深度為0 米的時候，其表示的是發射天線與接收天線架設高度都為16 米，附加損耗的值為0dB。而當發射天線與接收天線之間的聯合深度為32 米的時候，附加損耗的值都非常大，信號在傳播過程中遭受了嚴重衰減。

2.4 附加損耗與信號頻率 

當發射天線的高度為5米，接收天線的高度為5米，森林層的高度為15 米，森林介電常數設置為1.3，電導率設置為1mS/m 時，改變發射信號的頻率，可以得到附加損耗隨發射信號頻率的變化曲線，如圖8所示。

圖8 附加損耗隨發射信號頻率的變化曲線

由圖8 可以得到，收發天線相距800 米和1500 米的兩條曲線重合，這表明附加損耗與收發天線之間的距離無關。隨著發射信號頻率的增加，附加損耗的值逐漸增大，但當頻率增加到1GHz 以後，附加損耗的值改變的非常緩慢，發射信號頻率的影響逐漸減小。

3 總路徑損耗

從以上分析可以知道，電磁波的路徑損耗主要由兩部分構成，一部分為在不存在地面的情況下的損耗L0，另一部分為存在地面且收發天線都位於森林中的附加損耗Ls，而總的路徑損耗即為二者的和，即L= L0+Ls。當森林層高度為10 米，發射天線與接收天線的高度都為5米，森林介電常數為1.3，電導率為1mS/m 時，總的路徑損耗如圖9所示。

3.1總路徑損耗與傳播距離 

圖9 總路徑損耗隨收發天線距離的變化曲線

從圖9 可以看出，頻率較大的發射信號在傳播過程中遭受的衰減比較嚴重，其路徑損耗的值較大。總的路徑損耗值隨著水平距離的增加呈現指數的形式變化，當水平距離的值較小時，路徑損耗的值增加的比較快，而當水平距離的值較大時，路徑損耗的值增加的趨勢趨於平緩。

3.2總路徑損耗與信號頻率 

當森林層高度為10 米，發射天線與接收天線的高度都為5 米，森林介電常數為1.3，電導率為1mS/m 時，考慮發射天線與接收天線之間的不同距離，得到總路徑損耗隨發射信號頻率的變化曲線如圖10 所示。

圖10 總路徑損耗隨發射信號頻率的變化曲線

由圖10 可以看出，信號頻率的變化範圍設定為0.2GHz 到2GHz，隨著發射信號頻率的增大，無線電波在傳播過程中的總路徑損耗值也隨之增加。對於圖10中的兩條曲線來說，當收發天線相距800 米時，其路徑損耗的值總是小於收發天線相距1500米的情況。

因此，我們在研究開發森林監測通信系統時，就應依據森林的具體電波傳播特性的介電常數、森林層高度選擇適宜的信號頻率、收發天線高度以滿足通信距離對基本路經損耗、附加損耗與總路經損耗的技術要求。

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