我國總體上是一個缺林少綠、生態(tài)脆弱的國家，是一個受氣候影響顯著、森林火災(zāi)多發(fā)的國家。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、破壞性大、危險性高，是全球發(fā)生最頻繁、處置最困難、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。由于燒荒、燒灰、吸煙、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(zāi)害都會引發(fā)森林火災(zāi)。我國從2001年到2015年曾發(fā)生一般火災(zāi)67694起、較大48235起、重大208起、特大34起，總計116171起，總面積達(dá)3522582公頃，受害面積達(dá)1429477公頃。造成了嚴(yán)重危險和后果，必須高度重視森林保護與立法，森林防火重在預(yù)防。

森林防火實行“預(yù)防為主，積極消滅”的方針，做好預(yù)防工作是防止森林火災(zāi)的先決條件，而建立健全森林監(jiān)控通信系統(tǒng)是預(yù)防工作的主要舉措。為此，必須了解森林電波的傳播特性，這是研制開發(fā)森林監(jiān)測通信的基礎(chǔ)。

在有大量建筑物的地區(qū)，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(chǎn)生大的路徑損耗。在第二次世界大戰(zhàn)南太平洋戰(zhàn)區(qū)的熱帶森林環(huán)境中，無線通信設(shè)備普遍失靈。后來，人們通過實驗了解了熱帶亞熱帶森林地區(qū)的惡劣氣候和復(fù)雜的電磁環(huán)境是干擾無線通信的主要原因。隨著移動通信的迅猛發(fā)展，人們對于通信環(huán)境的要求越發(fā)嚴(yán)格，從城市環(huán)境到森林環(huán)境都需要保證一定的通信質(zhì)量。就目前的現(xiàn)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(shù)已經(jīng)快速地在郊區(qū)、農(nóng)村得到了普及，甚至正向森林發(fā)展。森林環(huán)境往往吸引著大量的探險愛好者前往。并且，出于軍事戰(zhàn)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、濕度、植被覆蓋率、樹木稀疏程度等。無線電波在森林這種復(fù)雜的環(huán)境下傳播具有很大的不確定性，傳輸會受到很大的干擾。在森林環(huán)境中，我們主要研究樹木、植被等因素對電磁波傳播產(chǎn)生的影響。森林通信的理論研究和實驗測試始于上世紀(jì)50年代，為了解決越南戰(zhàn)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(dá)5年的現(xiàn)場測量和實驗。與此同時，我國也在本土森林地區(qū)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，表明原來僅局限于地面通信問題的研究，已經(jīng)擴展到解決包括森林環(huán)境中的戰(zhàn)場偵察、電子對抗與衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)的綜合通信領(lǐng)域。

森林通信的研究是在實際應(yīng)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(cè)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(huán)境下的電波傳播路徑損耗及天線效應(yīng)為主。對森林中路徑損耗研究中最為經(jīng)典的Tamir 森林模型，將森林等效為一層有耗的介質(zhì)，在Tamir 所做研究得到的接收場值的基礎(chǔ)上，通過仿真對該模型的正確性進行了證明，并探討了一些基本參數(shù)，如森林高度，傳播距離，接收天線高度，發(fā)射信號的頻率等對森林中電波傳播的路徑損耗值產(chǎn)生的影響。

1基本路徑損耗

1.1路徑損耗與傳播距離

這里將地面的折射率和森林介質(zhì)的折射率分別設(shè)置為N2=10+i，n2=1.03+0.03i，為了簡單起見，發(fā)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(dāng)傳播距離較短時，基本路徑損耗的值隨著傳播距離呈指數(shù)關(guān)系變化，而當(dāng)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(guān)系變化。此外，通過比較兩條曲線可得，發(fā)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(shù)

當(dāng)收發(fā)天線之間的距離設(shè)置為1.5km，森林介質(zhì)的電導(dǎo)率設(shè)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(shù)變化曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長。當(dāng)森林介電常數(shù)的值較小時，該參數(shù)對基本路徑損耗的影響較大；而當(dāng)森林介電常數(shù)的值逐漸增大時，該參數(shù)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(shù)設(shè)置為1.3，電導(dǎo)率設(shè)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(fā)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。并且，相距1500 米的收發(fā)天線之間的基本路徑損耗比相距800 米的收發(fā)天線之間的基本路徑損耗總是要大，這與上述的分析結(jié)果是相符的。

2 附加損耗

附加損耗是由發(fā)射信號的波長，發(fā)射天線與接收天線之間的聯(lián)合深度s 以及森林介質(zhì)的折射率n 共同決定的。將發(fā)射天線的高度設(shè)置為12 米，森林層高度設(shè)置為16 米，其他參數(shù)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(fā)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(fā)現(xiàn)，隨著接收天線高度的增大，附加損耗的值逐漸減小，并且呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2.2附加損耗與森林層高度

當(dāng)發(fā)射天線的高度為6米，接收天線的高度為4米，其他參數(shù)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(fā)現(xiàn)，附加損耗隨著森林介質(zhì)層高度的增加而增大，幾乎也是呈現(xiàn)線性的變化。頻率較高的發(fā)射信號的附加損耗增加的相對更快，對于森林層高度相同的情況，1800MHz 的信號的附加損耗值大于900MHz 的信號。

2.3附加損耗與聯(lián)合深度

通過理論分析可以得到，改變發(fā)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(fā)射天線與接收天線之間的聯(lián)合深度s 的值，該參數(shù)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(fā)射天線與接收天線之間的聯(lián)合深度s 對附加損耗的影響。

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

圖7 附加損耗隨聯(lián)合深度變化曲線

由圖7可以看出，隨著森林中發(fā)射天線與接收天線之間的聯(lián)合深度的值變大，附加損耗的值也呈線性增加。當(dāng)發(fā)射天線與接收天線之間的聯(lián)合深度為0 米的時候，其表示的是發(fā)射天線與接收天線架設(shè)高度都為16 米，附加損耗的值為0dB。而當(dāng)發(fā)射天線與接收天線之間的聯(lián)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(yán)重衰減。

2.4附加損耗與信號頻率

當(dāng)發(fā)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(shù)設(shè)置為1.3，電導(dǎo)率設(shè)置為1mS/m 時，改變發(fā)射信號的頻率，可以得到附加損耗隨發(fā)射信號頻率的變化曲線，如圖8所示。

圖8 附加損耗隨發(fā)射信號頻率的變化曲線

由圖8 可以得到，收發(fā)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(fā)天線之間的距離無關(guān)。隨著發(fā)射信號頻率的增加，附加損耗的值逐漸增大，但當(dāng)頻率增加到1GHz 以后，附加損耗的值改變的非常緩慢，發(fā)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(gòu)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(fā)天線都位于森林中的附加損耗Ls，而總的路徑損耗即為二者的和，即L= L0+Ls。當(dāng)森林層高度為10 米，發(fā)射天線與接收天線的高度都為5米，森林介電常數(shù)為1.3，電導(dǎo)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(fā)天線距離的變化曲線

從圖9 可以看出，頻率較大的發(fā)射信號在傳播過程中遭受的衰減比較嚴(yán)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(xiàn)指數(shù)的形式變化，當(dāng)水平距離的值較小時，路徑損耗的值增加的比較快，而當(dāng)水平距離的值較大時，路徑損耗的值增加的趨勢趨于平緩。

3.2總路徑損耗與信號頻率

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

圖10 總路徑損耗隨發(fā)射信號頻率的變化曲線

由圖10 可以看出，信號頻率的變化范圍設(shè)定為0.2GHz 到2GHz，隨著發(fā)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。對于圖10中的兩條曲線來說，當(dāng)收發(fā)天線相距800 米時，其路徑損耗的值總是小于收發(fā)天線相距1500米的情況。

因此，我們在研究開發(fā)森林監(jiān)測通信系統(tǒng)時，就應(yīng)依據(jù)森林的具體電波傳播特性的介電常數(shù)、森林層高度選擇適宜的信號頻率、收發(fā)天線高度以滿足通信距離對基本路經(jīng)損耗、附加損耗與總路經(jīng)損耗的技術(shù)要求。