中原地区森林环境电波传播实验研究

1、中原地区森林环境电波传播实验研究蔡植荣刘永华章秀麓( 中国电波传播研究所 新乡 453003)摘 要 本文给出在中原地区进行的森林环境电波衰减测试的结果分析, 提出经验预测模式。关键词 基本传输损耗 森林衰减 衰减率 天线高度增益In ve st iga t ion on Rad iowave Propaga t ion in Fore stEn v ironm en ts in Cen tra l Ch inaC a i Zh iro n g L iu Yo n gh u aZh an g X iu lu(C h ina R e sea rch In st itu te o f R ad i

2、ow ave P rop aga t io n , X inx iang 453003)A bstrac t A n ana ly sis is g iven fo r th e re su lt s o f a rad iow ave a t tenua t io n m ea su rem en t m ade in fo r2 e st env iro nm en t in C en t ra l C h ina and a se t o f em p ir ica l m o de ls a re p ropo sed fo r p red ic t ing th e a t2 ten

3、ua t io n.Key words ba sic t ran sm issio n lo ss, fo re st a t tenua t io n, sp ec if ic a t tenua t io n, an tenna h e igh t ga in引言1国际上不少学者对森林环境电波传播进行了理论研究, 一些国家和地区也相继开展了实验研究和提出适用于一定范围上的经验模式1 3 。本文基于 1992 1993 年在中原地区中牟县 林场和蔚氏县林带开展的两次实验研究的结果分析, 提出一组预测森林环境电波衰减的经验模式。中牟县林场和蔚氏县林带均为小叶型槐树林, 树林平均高度 13m 1

4、4m , 树杆直径 10cm 20cm , 株距 2m 5m 。测试期间长满树叶, 树林顶部枝叶茂盛, 树杆层则较清晰可见。近地面 有较稀疏的槐树苗等生长物。 地面平坦, 雨水稀少, 为干燥的沙质地面。测试频率为 160M H z, 450M H z 和 900M H z; 垂直极化和水平极化; 100m 900m 之间的 7个测试距离点; 发、收天线离地面高度 2m 12m 。测试设备是使用 FM电台作发、收信机。 发射机发射未经调制的连续波信号, 接收机接收到的载波信号经计算机实时采集系统记录储存, 待后进行数据处理换算成基本传输损耗以便进一步分析研究。测试时, 发、收天线均位于森林里面。

5、结果与讨论2211基本传输损耗通信Co r re spo n den ce(1) 基本传输损耗随距离的变化实测的垂直极化和水平极化的基本传输损耗随距离的变化关系分别如图 1 和图 2 所示。图 1 基本传输损耗随距离的变化( 垂直极化)图 2 基本传输损耗随距离的变化( 水平极化)图中曲线表明, 基本传输损耗 L B 随距离 d 的变化关系有两种明显不同的特征, 在大约 350m以内的距离上, L B 随着距离以指数形式增加; 在大约 350m 以远的距离上, L B 随着距离以对数 形式的增加。由此断言, 在大约 350m 以内的距离上, 无线电能量是全部穿过森林传播的, 即以直射波为主要传

6、播方式的, 因而电波经受呈指数形式的高衰减; 在大约 350m以远的距离, 到达接收天线的信号能量, 部分是穿过森林传播, 部分是以侧面波方式传播的, 而当距离继续增加时, 是以侧面波方式为主要传播方式的, 电波随距离以对数形式衰减的 40 lo g (d ) 的规律变化。 这种结论与 T am ir4 提出的侧面波模型和 T ew a r i 等2的测试结果是一致的。以上结论是图 1 和图 2 的平均趋势。 实测数据取值在图 1 和图 2 中已标出。 实测数据与平均趋势之间的均方根偏差在表 1 中给出。表 1实测数据的均方根偏差 (dB)(2) 基本传输损耗随频率的变化由图 1 和图 2 中

7、平滑曲线的数据得出基本传输损耗随频率的变化曲线如图 3 和图 4 所示。极化方式160M H z450M H z900M H z垂直极化6. 551. 583. 20水平极化4. 314. 19距离的穿过森林传播方式, 也考虑了较远距离的侧面波传播方式, 以及考虑两种极化方式, 提出以下的预测森林环境电波传播基本传输损耗的经验模式:- k d27156 + 20 lo g (f ) - 20 lo g A eB(dB )L B = -+(1)d 2d其中L B : 预测基本传输损耗, dBf : 频率; M H zd : 位于森林里面的发收天线之间的距离, mk: 由实测数据计算出的衰减率常数

8、, dB mA , B : 计算常数组合各系统参数的实测数据回归得出 k、A 、B值在表 2 中给出。表 2经验模式常数经验模式 ( 1) 表明, 森林环境电波传播基本传输损耗随频率的变化是以 20 lo g (f ) 的形式变化; (1) 式中最后一项表示 L B 随距离的变化关系, 其中因子 A e- k d d 反映了在大约 350m 的 较短距离范围内, 基本传输损耗 L B 在 20 lo g (d ) 损耗基础上叠加上指数衰减因子 A e- k d 的, 表 明在较短距离上电波穿过森林传播的指数衰减形式; 因子 B d 2 则表示对应于在较远距离上基本传输损耗 L B 以 40 l

9、o g (d ) 形式衰减的侧面波特征。(4) 基本传输损耗对极化的依赖关系对 160M H z 和 450M H z 频率的垂直极化与水平极化作同极化和交叉极化的测量中, 发现 垂直极化的同极化信号的基本传输损耗明显大于水平极化的同极化信号的基本传输损耗5 ,组合各系统参数的实测数据, 垂直极化的基本传输损耗超过水平极化的这种差别的平均结果 在表 3 中列出。垂直极化基本传输损耗超过水平极化的值 (dB)表 3由 表 3 可 见, 160M H z 垂 直 极 化 基 本 传 输 损 耗 超 过 水 平 极 化 这 种 差 别, 明 显 的 高 于450M H z。频率 (M H z)100

10、m200m300m500m600m800m900m160111919151018184505811131385频率 (M H z)极化方式k (dB m )AB160垂直极化0. 0120. 6224. 123450垂直极化0. 0130. 6232. 590900垂直极化0. 0130. 4241. 455160水平极化0. 0110. 98111. 69450水平极化0. 0120. 9146. 550在交叉极化测量中, 160M H z 作垂直极化发射时, 接收交叉极化的水平极化分量信号明显的高于接收同极化信号的垂直极化分量。 表明 160M H z 频率垂直极化波有明显的去极化现 象;

11、 450M H z 作垂直极化发射时, 接收交叉极化的水平分量信号几乎等于或略小于接收同极化 的垂直极化分量信号, 表明 450M H z 频率垂直极化波也有去极化现象, 但比 160M H z 有较小的去极化效应。无论是 160M H z, 还是 450M H z 频率的水平极化发射时, 接收同极化的水平极化分量都明 显的高于接收交叉极化的垂直极化分量。表明 160M H z, 450M H z 的水平极化波经受较小的去 极化效应。如上所述的垂直极化波比水平极化波有较高的基本传输损耗, 和较低频率时这种差别较 大; 以及垂直极化波比水平极化波经受较大的去极化效应, 和较低频率比较高频率有较大

12、的去 极化效应, 是因为以垂直分量为主的森林结构对垂直极化波以及对较长波长的无线电波有较 大的影响。(5) 基本传输损耗随天线高度的变化天线高度增益效应测试中发现, 接收信号强度随发、收天线高度的改变有明显的变化。 对测试数据的分析表 明, 变化的总趋势是基本传输损耗随发射或接收天线高度的升高而减小。这里用天线高度增益因子描述, 并定义: 天线高度增益 G h 是基本传输损耗随天线高度增加而减小的分贝数。为 便 于 统 计, 引 入 天 线 高 度 乘 积 (H tH r ) 参 数, 把 基 本 传 输 损 耗 看 成 是 天 线 高 度 乘 积(H tH r ) 的函数。 对 200m 以

13、远各距离测试点的数据, 以 H tH r = 8 (H t = 2m , H r = 4m 或 H t =4m , H r = 2m ) 时的基本传输损耗值进行归一化。经统计分析, 未发现天线高度增益随频率的明显变化, 即天线高度增益几乎不随频率变 化; 分析中发现, 不同距离或不同极化方式的天线高度增益略有差别, 但数据较离散, 未能统计出规律性。三个频率、两种极化方式的 200m 900m 距离上的天线高度增益取值范围如图 5 所示。图 5 天线高度增益随天线高度乘积的变化由此提出如下经验数学模式:G h = -1216 +13 lo g (H tH r )(dB )(2)式中 H t ,

14、 H r 分别为发、收天线离地面高度 (m )。天线高度增益效应可以用侧面波模型给以很好的解释。来自发射天线的电波能量, 以某一212森林衰减(1) 森林衰减 A F由于森林的存在而引起无线电路径的附加损耗, 称为“森林衰减 A F ”。 森林衰减 A F , 是在 相同系统参数的同一路径上, 测量有森林存在时和无森林时的基本传输损耗值的差, 以分贝表示。这里森林衰减 A F 是以森林路径相对于一般平地 (无森林) 路径的基本传输损耗衰减值, 分 析其随频率、距离和极化的变化关系。发现森林衰减 A F 对距离的依赖性与图 1、图 2 有相同的特性, 也表现了直射波方式和侧 面波方式的两种不同特

15、征。 在大约 350m 以内的距离上无论频率和极化方式如何, 森林衰减 A F 都是随距离的增加而增加, 即电波以直射波和反射波穿过高衰减的森林介质的传播方式;而在大约 350m 以远的距离上, 各测试距离点的 A F 几乎为常数, 即 A F 与水平距离无关。 这是 以侧面波方式传播为主, 其传播路径仅经受发、收天线到树顶之间的高衰减外, 其余较长的路径是在空气中传播, 因而表现出水平距离对森林衰减 A F 无影响的特性。也发现, 无论是直射波方式还是侧面波方式的森林衰减 A F 都是随着频率的增加而增加 的。 图 6 是侧面波方式中两种极化波的森林衰减 A F 随频率的变化关系曲线。图 6

16、 侧面波传播方式森林衰减随频率变化(2) 森林衰减率 森林衰减率, 简称衰减率。 是用森林衰减 A F 除以在其上传播的森林路径长度获得, 以dB m 表示。 经分析发现衰减率是随着频率的增加而增加的。在较短距离时, 有较高的衰减率, 随着距离的增加衰减率减小。到较远的距离后, 衰减率以较缓慢的速度减小。 这种近距离有较高衰减率而随距离的增加而减小的现象, 是因为发、收天 线均浸没于树林里面, 为枝叶所包围, 引起天线方向图的改变而产生附加损耗。 这种附加损耗对于某一确定的无线电路径是不变的, 与距离无关, 结果在较短距离上有较高的衰减率。还发现垂直极化波比水平极化波有较高的衰减率。综上所述,

17、 对 160M H z、450M H z 和 900M H z 频率的垂直极化以及 160M H z 和 450M H z 频 率的水平极化的 100m 900m 距离范围的数据回归, 提出以下预测森林衰减经验模式:L B = L B P +A Fd(3)=L B P +(dB )其中01214f 01262 d - 01496=(dB m ) (垂直极化)(411)和01013f 01420 d - 01268=(dB m ) (水平极化)(412)式中:L B : 森林路径基本传输损耗, dBL B P: 一般平地 (无森林) 路径基本传输损耗6 , dBA F: 森林衰减, dB: 森林

18、衰减率, dB mf : 频率,M H zd : 森林路径长度, m3结论对中原地区森林环境电波传播实验数据分析表明, V H F U H F 无线电波在森林环境中传播有两种明显不同的特征, 在大约 350m 以内的较短距离上, 以穿过森林的直射波和反射波为主的传播方式; 在大约 350m 以远的距离上, 以侧面波为主要传播方式。总的效果是, 森林环境 中无线电波的基本传输损耗或森林衰减为频率、距离、极化和天线高度的函数。 归纳得出如下结论:311基本传输损耗(1)(2) (3) (4)基本传输损耗随频率的增加而增加。基本传输损耗随距离的增加而增加。 垂直极化波的基本传输损耗比水平极化波的大,

19、 这种差别随着频率的增加而减小。 森林环境中, 无线电波有明显的去极化, 较低频率比较高频率以及垂直极化波比水平极化波有较大的去极化效应。(5) 森林环境中有天线高度增益效应, 这种效应几乎与频率无关, 也与极化方式无关。312森林衰减(1) 森林衰减随频率的增加而增加。( 2)在大约 350m 以内的距离上, 森林衰减随距离的增加而增加; 在大约 350m 以远的距离上, 森林衰减不随距离变化, 而为常数。(3) 垂直极化波的森林衰减高于水平极化波的森林衰减。参考文献1W e issbe rege r, M , et a l. R ad io W ave P rop aga t io n: A H andboo k o f P rac t ica l T ech n ique s fo r Com p u t ing B a sic T ran sm issio nL o ss and F ie ld S t reng th. ECA C 2HDB K 2822049, E lec t rom agne t ic Com p a t ib ility A