2. 海洋无线信道特性与建模
海洋无线信道与陆地信道最本质的差别，来自“界面”二字：电磁波要在高电导率海水表面之上传播，声波要在海水体内部传播，而海面本身又是随时间起伏的粗糙边界。理解这一节，关键不是记住若干公式，而是建立一条因果链——介质参数决定传播机制，界面几何决定多径结构，动态起伏决定时间选择性。下面按电磁波、海面、水下声波三条线索展开，并给出可操作的建模与实测对照方法。
一、海水电导率如何改变电磁波传播
海水含有大量溶解盐，典型电导率 σ 约为 3～5 S/m，远高于淡水和干燥土壤。对电磁波而言，海水是典型的有耗介质，其复介电常数中虚部占主导。工程上常用趋肤深度 δ 描述场强衰减到 1/e 的距离，近似为 δ ≈ 1/√(πfμσ)。以 σ=4 S/m 估算：100 MHz 时 δ 约 2.5 cm，1 GHz 时约 0.8 cm。这意味着高频电磁波几乎无法穿入水下，海面通信必须依赖“沿界面传播”或“贴近水面”的路径。
由此产生两个直接后果。第一，海面以上视距链路（如船岸微波、海上 4G/5G、卫星回传）主要受海面反射与大气折射影响，海水本身只作为反射面；第二，水下若要用电磁波，只能选择极低频（ELF/VLF），其波长长、趋肤深度大，但带宽极低，仅适合短报文或触发信号。实际工程中，水下数据回传几乎都交给声学链路，电磁波承担“出水后”的接力段。建模时，海面反射系数应使用海水介电参数计算，而非理想导体近似；在掠射角很小时，两者差异会明显影响多径干涉的深度。
二、海面反射、多径与海浪遮挡
海面不是镜面。当海面粗糙度参数（如 Rayleigh 参数）增大时，相干反射分量下降，漫散射增强。工程上常用修正的 Fresnel 反射系数乘以一个粗糙度衰减因子来近似。对船岸链路，接收端通常同时收到直射波与海面反射波，两者路径差 Δd 引起相位差 2πΔd/λ，形成随距离和天线高度周期变化的干涉衰落。一个实用的估算示例：发射天线高 20 m、接收天线高 10 m、水平距离 5 km，则镜面反射路径差约为 2h₁h₂/d ≈ 0.08 m；在 5 GHz（λ=6 cm）下相位差超过一个周期，接收功率随距离出现明显起伏。这说明天线高度和频段选择会直接改变衰落图样，布站时应通过抬高天线或利用地形遮挡来避开深衰落点。
海浪遮挡则是另一类问题。当链路贴近海面（如无人艇之间的视距通信），波峰可能周期性遮挡直射路径，造成“通—断—通”的突发中断。其时间尺度由海浪周期（典型 3～10 s）决定，空间尺度由波高与波长决定。建模时可将遮挡视为一个随海况变化的随机门控过程：低海况下遮挡概率低，高海况下中断频繁且持续时间变长。多普勒效应在此同样显著：平台运动速度 v 引起的频移 f_d = v·cosθ/λ，若无人艇以 10 m/s 运动、5 GHz 载频、运动方向与来波夹角 30°，则 f_d 约 14 Hz，对窄带系统已不可忽略，需要在接收端做频偏估计与补偿。
三、水下声信道的传播损失与噪声
声波在海水中衰减远小于电磁波，但仍不可忽视。传播损失通常由几何扩展损失与吸收损失两部分组成。球面扩展时 TL = 20log₁₀r（r 以米计），柱面扩展时约为 10log₁₀r；吸收系数 α(f) 随频率快速上升，在数十 kHz 量级可达每公里数 dB 到十几 dB。一个教学示例：工作频率 20 kHz、距离 2 km，若取球面扩展并叠加约 3 dB/km 的吸收，则 TL ≈ 20log₁₀2000 + 6 ≈ 66 + 6 = 72 dB。若发射声源级 170 dB、接收端环境噪声谱级折算后允许的最小信噪比 10 dB，则可估算最大允许传播损失，从而反推可用距离。这类“声源级—传播损失—噪声级—检测阈”的链路预算，是水声回传设计的基本功。
噪声方面，风浪噪声在低频段随海况升高明显，航运噪声在 50～500 Hz 有强线谱，生物噪声则具有季节与昼夜差异。建模时不能只用一个高斯白噪声近似，而应按频段叠加不同噪声谱。工程上常把噪声级表示为与频率和风速相关的经验谱，再与传播损失一起代入声呐方程，判断在给定调制与编码下能否达到目标误码率。
四、建模工具与实测数据的使用方法
海面电磁链路可用基于抛物方程或射线追踪的工具做覆盖与多径预测，输入包括频率、天线高度、海水介电参数、海面粗糙度与大气折射率梯度；水声链路常用 BELLHOP 类射线/声束追踪工具，输入声速剖面、海底底质参数、海面风浪与频率，输出本征声线、传播损失与到达结构。工具给出的是“条件预测”，必须用实测数据校准。
实测对照的推荐做法是：在同一海域布放发射与接收节点，记录接收功率时间序列、平台 GPS 与姿态、同步的水文与海况信息；对电磁链路，重点比对深衰落出现的位置与周期是否与几何模型一致；对声链路，重点比对传播损失随距离的斜率与到达多径结构。若模型预测的衰落深度明显浅于实测，通常说明粗糙度或折射参数偏理想化，应调整粗糙度衰减因子后重算。下面给出一份可直接用于外场记录的最小字段示例，便于把“测什么、怎么比对”落到实处。
链路类型: 海面电磁 / 水声
频段或中心频率: ______
发射/接收天线或换能器高度(深度): ______
平台速度与航向: ______
海况等级与有效波高: ______
风速与风向: ______
接收功率或声压级时间序列(采样率): ______
同步记录: GPS、姿态、声速剖面、电导率
比对结论: 衰落周期/传播损失斜率/多径到达是否与模型一致把三条线索合起来看，海洋无线信道的建模本质是“分层处理”：电磁段抓住电导率与海面几何，声学段抓住扩展损失、吸收与噪声谱，动态段抓住海浪遮挡与平台运动带来的时间选择性。只有把介质参数、界面几何和实测校准三者对齐，模型才具备工程可用性。