海上微波超視距傳播試驗(yàn)研究

劉成國 熊得安 段開源 胡文韜 曹立鋒 黃立峰 郭相明 王紅光

（1. 湖北省射頻微波應(yīng)用工程技術(shù)研究中心, 武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué)理學(xué)院, 武漢 430070；3. 中國電波傳播研究所, 青島 266107）

引 言

不同大氣狀況導(dǎo)致的電波傳播視距變化對地面附近無線電系統(tǒng)影響嚴(yán)重[1]. 傳播視距大于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的情況稱為超視距傳播，若實(shí)際傳播中遠(yuǎn)大于這個視距則為超視距遠(yuǎn)距離傳播，包括波導(dǎo)傳播和散射傳播. 海面工作的微波雷達(dá)經(jīng)常出現(xiàn)超視距遠(yuǎn)距離傳播，在探測與通信等領(lǐng)域廣受關(guān)注[2-6].波導(dǎo)傳播頻繁出現(xiàn)在沿海和海上[7]，有各種應(yīng)用的雷達(dá)超視距遠(yuǎn)距離問題和近年來移動通信中的超視距覆蓋問題. 散射機(jī)制所對應(yīng)的微波超視距傳播，形成了散射通信技術(shù)有關(guān)問題[8]. 未來大數(shù)據(jù)、人工智能支撐的智能無線電系統(tǒng)，需要新的試驗(yàn)觀測獲得超視距遠(yuǎn)距離電波傳播規(guī)律方面更詳細(xì)更新的信息.

試驗(yàn)觀測一直是微波超視距遠(yuǎn)距離研究的重點(diǎn)和難點(diǎn). 系統(tǒng)高可靠度服務(wù)能力的要求和新信號體制的提出，一方面要求更精細(xì)地描述超視距遠(yuǎn)距離傳播時空隨機(jī)性，另一方面也對測試設(shè)備提出了采樣和分析方面的新挑戰(zhàn)，還須克服線路上各種地形和試驗(yàn)支撐條件等方面困難，出現(xiàn)了各種形式的傳播試驗(yàn)測試研究. 國外已進(jìn)行了多種雷達(dá)跨海和海上試驗(yàn)、國際聯(lián)合觀測線路試驗(yàn)和海面?zhèn)鞑ピ囼?yàn)研究[3-4]. 國內(nèi)中國電波傳播研究所在20 世紀(jì)60 年代到80 年代組建了跨黃海的雷達(dá)電波觀測線路和通信線路電測研究隊(duì)伍，開展了支撐微波視距探測和散射通信的觀測研究，獲得了大量的觀測數(shù)據(jù)，總結(jié)了微波超視距遠(yuǎn)距離(波導(dǎo))傳播和天氣形勢相關(guān)性及信號統(tǒng)計(jì)規(guī)律等傳播規(guī)律[8]；并在1997年開始和有關(guān)無線系統(tǒng)相結(jié)合，開展了波導(dǎo)環(huán)境測試和超視距遠(yuǎn)距離傳播的試驗(yàn)規(guī)律研究，探索了有關(guān)應(yīng)用的信號分級等問題[9]；到2010 年前后獨(dú)立建立了微波超視距遠(yuǎn)距離觀測線路，并開展觀測研究[10]. 海軍工程大學(xué)等院校[11]也開展了測試研究，支撐相關(guān)應(yīng)用.

本文主要闡述2019-09 的微波超視距遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠^測試驗(yàn)研究. 對微波超視距遠(yuǎn)距離傳播的有關(guān)原理和機(jī)制進(jìn)行了探討，并對南海沿海海域超視距遠(yuǎn)距離傳播試驗(yàn)的研究情況進(jìn)行了總結(jié)分析.

1 機(jī)制分析

1.1 大氣傳播和超視距

電波在地球大氣中傳播發(fā)生折射，折射程度由大氣折射指數(shù)n隨高度h的變化(折射指數(shù)梯度)決定，根據(jù)大氣折射率N、修正折射率M的梯度范圍劃分為標(biāo)準(zhǔn)折射、負(fù)折射、正常折射、超折射、大氣波導(dǎo)等類型.

地面距離最遠(yuǎn)的傳播路徑即地平線距離，地面無線電系統(tǒng)中把標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下的地平線距離稱為視距. 視距dH(km)由發(fā)射天線和接收天線的離地高度hT(m)、hR(m)確定：

超遠(yuǎn)視距除了折射傳播外，還有繞射傳播和對流層散射傳播[11]. 將地面無線電系統(tǒng)的地面距離及收發(fā)天線高度與由式(1)計(jì)算的視距對比，即可區(qū)分超視距遠(yuǎn)近的不同情況. 繞射傳播是電波直接照射區(qū)和陰影區(qū)的過渡區(qū)，不在本文研究的超視距遠(yuǎn)距離情況中.

1.2 波導(dǎo)傳播

1.2.1 環(huán)境條件

波導(dǎo)傳播需要足夠強(qiáng)的大氣逆溫層結(jié)和/或濕度下降層結(jié)支撐，和所在地區(qū)的大地理氣候條件有關(guān)，主要影響因素是地球大氣環(huán)流中的陸地-大氣、海洋-大氣、陸地-海洋耦合效應(yīng). 不同季風(fēng)氣候區(qū)的大氣環(huán)流交替、海陸交界的海陸風(fēng)環(huán)流會導(dǎo)致厚波導(dǎo)層結(jié)出現(xiàn)概率較高，形成懸空波導(dǎo)、貼地波導(dǎo)等波導(dǎo)環(huán)境，影響較高架設(shè)的無線電系統(tǒng)；特殊地理環(huán)境的地面輻射逆溫和水汽蒸發(fā)也可形成近地面的波導(dǎo)層結(jié)，影響地面附近的無線電系統(tǒng). 在大面積水體上由于空氣流動的影響導(dǎo)致水氣界面經(jīng)常出現(xiàn)水汽急劇下降層結(jié)，在合適的頻段、傳播角度和空間尺度下，就會產(chǎn)生有效的波導(dǎo)傳播. 尤其是大面積海洋上經(jīng)常產(chǎn)生，這類波導(dǎo)稱為蒸發(fā)波導(dǎo)[12].

1.2.2 理論分析方法

對流層傳播物理過程遵從麥克斯韋方程，考慮水平分層的對流層波導(dǎo)環(huán)境，可以獲得波導(dǎo)傳播的理論特征. 主要方法有幾何光學(xué)理論、波導(dǎo)模理論和拋物型方程等. 計(jì)算電磁學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，提供了處理復(fù)雜大氣折射率剖面和復(fù)雜下墊面等實(shí)際環(huán)境的方法，拋物型方程逐漸成為精確求解遠(yuǎn)距離電波傳播問題的有效方法[13-15]. 通過選擇正向傳播方程的不同角度近似和計(jì)算方法(如有限差分法[14]等)，建立符合實(shí)際問題下墊面、系統(tǒng)天線方向圖和工作頻率等方面的適用計(jì)算邊界模型、下墊面模型，獲得電波場量的空間分布u(x,z)eik0x，并給出選定頻率f(MHz) 的電波傳播到地面距離d處某一高度的傳播損耗：

1.3 散射傳播

基于大量試驗(yàn)觀測總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式包含散射傳播多種傳播機(jī)制的綜合效果，可以給出有關(guān)研究需要的超視距散射傳播預(yù)測值.

2 觀測試驗(yàn)

用易受蒸發(fā)波導(dǎo)和海陸環(huán)流貼地波導(dǎo)影響的無線傳輸系統(tǒng)，在大氣波導(dǎo)環(huán)境經(jīng)常出現(xiàn)的地域設(shè)置傳輸觀測線路，選擇大氣波導(dǎo)出現(xiàn)有利氣象條件的時段開展不同距離不同頻段的傳播試驗(yàn)觀測，來分析其出現(xiàn)規(guī)律和相應(yīng)機(jī)制.

試驗(yàn)選擇區(qū)域?yàn)閺V東沿海，開展測試的收發(fā)站點(diǎn)和線路剖面如圖1 所示，其中小圖為平地球線路剖面和標(biāo)準(zhǔn)大氣中線路(1)～(2)電波射線示意圖. 試驗(yàn)中站點(diǎn)(1)分別和站點(diǎn)(2)～(5)由近及遠(yuǎn)構(gòu)成四條跨海傳播線路，直線距離分別約為50 km、70 km、85 km、150 km.

圖1 測試站點(diǎn)位置和線路剖面Fig. 1 Sites and profile of transmission lines of test

構(gòu)建C 波段和X 波段的收發(fā)系統(tǒng)，電波信號經(jīng)海面?zhèn)鞑ズ?，接收天線接收并經(jīng)過后續(xù)信號分析處理，得到信號的功率數(shù)據(jù). C 波段收發(fā)機(jī)為NI PXIe插卡式信號源和接收機(jī)，用程控系統(tǒng)對單向單頻信號時域測量進(jìn)行試驗(yàn)測試. X 波段由西安三維低速擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)機(jī)組成雙工信號測量收發(fā)機(jī). 測試中各站點(diǎn)天線性能和架設(shè)高度見表1.

表1 測試站點(diǎn)天線參數(shù)及地面架設(shè)高度Tab. 1 Gain, beamwidth and height of antenna at test sites

發(fā)射天線架設(shè)在海岸地面，架設(shè)地面距離當(dāng)?shù)刈罡叱蔽桓叨?，站點(diǎn)(1)約為10 m；其他站點(diǎn)選擇靠近海水的沙灘架設(shè)，小于2 m. 天線地面距離海水最近時，站點(diǎn)(1)約為150 m，其他站點(diǎn)小于30 m.

試驗(yàn)時間為2019-08-31—09-26，期間各站點(diǎn)附近潮汐觀測的最高潮高和最低潮高見表2，試驗(yàn)線路5 個站點(diǎn)的最高潮高和最低潮高相差小于5 m. 根據(jù)式(1)得到對應(yīng)的視距約為26.9 km，因此本試驗(yàn)構(gòu)成了有效的超視距遠(yuǎn)距離傳播試驗(yàn)線路.

表2 2019-08-31—09-26 試驗(yàn)期間各站點(diǎn)附近的最高潮高和最低潮高Tab. 2 Highest and lowest tide levels around test sites during 2019-08-31—09-26 test

3 結(jié)果分析

以本次試驗(yàn)期間微波超視距遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)式(5)計(jì)算出白天傳播損耗隨時間的變化情況，然后分別由式(2)、(3)和(4)計(jì)算得到波導(dǎo)傳播損耗、自由空間傳播損耗和散射傳播損耗，三者損耗計(jì)算結(jié)果如表3 所示. 可以看出：波導(dǎo)傳播損耗與自由空間傳播可比，并未逐漸增加；而散射傳播的損耗大于自由空間傳播損耗.

表3 試驗(yàn)線路損耗計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Calculated path loss of duct, free space and troposcatter for the test lines dB

試驗(yàn)中線路(1)～(2)開展了C 波段和X 波段的傳播觀測，其中X 波段雙工工作. C 波段傳播觀測發(fā)射點(diǎn)在站點(diǎn)(1)，和其他4 個站點(diǎn)構(gòu)成觀測線路，每天只對一個線路開展測試，在大氣波導(dǎo)傳播有利的時間，有計(jì)劃地選擇其中的站點(diǎn)構(gòu)建線路，進(jìn)行試驗(yàn)測量.

波導(dǎo)傳播損耗的計(jì)算中，選用了寬角Q算子近似、有限差分法、高斯天線、海面阻抗邊界和試驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù). 發(fā)射天線海拔高度設(shè)為20 m，電波頻率為C 波段和X 波段. 利用世界氣象組織公布的香港觀測探空數(shù)據(jù)和國家海洋局公布的海洋數(shù)據(jù)構(gòu)建的2019-09-14T20:00 含蒸發(fā)波導(dǎo)的復(fù)雜大氣折射率剖面如圖2(a)所示. 剖面貼地波導(dǎo)層結(jié)由約25 m 的蒸發(fā)波導(dǎo)層結(jié)及其上波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)成，高可達(dá)67 m. 對接收天線高度1 m 內(nèi)計(jì)算得到的傳播數(shù)據(jù)做算術(shù)平均，得到圖2(b)和(c) 4 條線路上水平發(fā)射X 和C 波段電波傳播損耗圖. 和后面觀測損耗相比，計(jì)算得到的損耗較高. 考慮到香港離研究線路遠(yuǎn)，其探空剖面和蒸發(fā)波導(dǎo)計(jì)算剖面會偏離實(shí)際試驗(yàn)線路上的剖面，只能用其距離變化趨勢進(jìn)行分析，因?yàn)榇粟厔莺臀墨I(xiàn)[17]中對流層波導(dǎo)傳播信號水平的描述一致.

圖2 試驗(yàn)期間波導(dǎo)傳播損耗仿真結(jié)果Fig. 2 Simulation result of duct propagation loss during the test

3.1 C 波段傳播損耗

將C 波段傳播測量數(shù)據(jù)處理后得到4 條線路白晝傳播損耗，如圖3 所示.

圖3(a) 50 km 線路的傳播損耗中，09-14 和09-26T12:00 前損耗高于自由空間19～32 dB，在12:00 后逐漸靠近或低于自由空間傳播損耗；09-21 和09-22 的損耗基本上低于自由空間的，約為-145～-120 dB. 午后變動均較大，15:00—19:00 信號較強(qiáng)，且較平穩(wěn).

圖3(b)70 km 線路的傳播損耗測試中，09-20T 12:00—14:00 損耗高于自由空間30 dB，其余時間段高10～12 dB；09-23 變化平緩，全天約為-127 dB，約比自由空間傳播損耗低20 dB，比散射損耗低100 dB.

圖3 各測試鏈路C 波段傳播損耗Fig. 3 C-band propagation loss of each test link

圖3(c)85 km 線路的傳播損耗測試中， 09-25T 10:00—14:00 高于自由傳播損耗，最大傳播損耗約出現(xiàn)在11:00，約為10 dB；14:00 后低于自由空間10～30 dB.

圖3(d)150 km 線路的損耗測試中，09-17 損耗整體高于自由空間32～38 dB，15:00 時短時間內(nèi)出現(xiàn)高于自由空間13 dB 的情形；同樣在09-16 傳播損耗均高于自由空間損耗，14:00 之前約高55 dB，隨后逐漸接近自由空間損耗，但整體比散射損耗低25～40 dB. 說明在更遠(yuǎn)距離海面?zhèn)鞑ブ写髿鈱咏Y(jié)的水平不均勻性越來越強(qiáng).

試驗(yàn)結(jié)果說明，測試期間有利于C 波段海面微波超視距遠(yuǎn)距離傳播的白晝時間中，經(jīng)常出現(xiàn)高于散射傳播損耗和接近自由空間傳播損耗的信號傳輸.

試驗(yàn)測量平均值和散射損耗預(yù)測值隨距離的變化如圖4 所示. 可以看出，散射損耗均高于實(shí)測損耗，隨著距離增加，兩者差值由89 dB 減小為48 dB.

圖4 試驗(yàn)測量平均值和散射損耗預(yù)測值隨距離變化Fig. 4 Variation of propagation loss with distance of the tropo-scattering prediction and average of measurement

3.2 X 波段傳播損耗

X 波段在50 km 線路測得的站點(diǎn)(1)和站點(diǎn)(2)之間雙向傳播損耗如圖5 所示.

圖5 X 波段雙向傳播損耗實(shí)測結(jié)果Fig. 5 X-band bidirectional propagation loss measured results

表3 中，09-12—14T12:00 之前線路上的傳播損耗略高于散射傳播損耗(-203.7 dB)，而12:00 后傳播損耗迅速靠近并低于自由空間損耗(-146.2 dB). 雙向損耗中，圖5 (a)中站點(diǎn)(1)到站點(diǎn)(2)最高達(dá)到-210 dB，高于圖5 (b)中反向5 dB 左右.

09-22 和09-24 全天線路的傳播損耗為-187～-155 dB，但雙向差別明顯. 因?yàn)檎军c(diǎn)(1)→(2)為-175～-155 dB，兩天的損耗曲線約以10 dB 的間隔分開；而反向線路損耗為-190～-170 dB，且相互交叉.

結(jié)合C 波段的情況可以看出，超視距遠(yuǎn)距離的大氣傳播條件可明顯促進(jìn)X 波段在地面附近的傳播，雙向傳播差異??；不利于超視距傳播情況下，傳播損耗僅能達(dá)到散射損耗的水平. 在向超視距傳播有利轉(zhuǎn)變的過程中，站點(diǎn)(1)～(2)的傳輸方向傳播損耗較小且變動逐漸變小，圖5 中顯示出幾次的測量結(jié)果大致為-185 ～-165 dB 的水平.

09-22 和09-24 兩天超視距傳播有利的大氣結(jié)構(gòu)存在不可忽視的水平不均勻性，是由于站點(diǎn)(1)的發(fā)射天線架設(shè)高度高出站點(diǎn)(2) 10 m，信道水平不均勻?qū)е碌?

將50 km 線路(1)～(2)中C 波段和X 波段09-14 和09-22 實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到傳播損耗如圖6所示. 可以看出：在海面超視距遠(yuǎn)距離傳播有利的時段(09-14T14:00 以后及09-22 整個白天觀測時段)，C 波段可出現(xiàn)低于X 波段40 dB 的損耗；不利的情況下，X 波段出現(xiàn)了散射傳播為主的傳播情況. 兩個波段的傳播特性晝間變化趨勢一致，C 波段的傳播損耗小，優(yōu)于X 波段.

圖6 C 波段和X 波段09-14 和09-22 傳播損耗對比Fig. 6 C-band and X-band propagation loss comparison on 09-14 and 09-22

3.3 海面超視距傳播條件

首先是4 條線路跨海面的區(qū)別. 50 km 線路是靠近海岸大致呈南北向的跨海線路，北端易受大陸氣團(tuán)影響，海陸環(huán)流較強(qiáng)，線路上容易出現(xiàn)水平不均勻的大氣結(jié)構(gòu)；如果線路上是東面海上氣流控制的，則會在線路南段出現(xiàn)以蒸發(fā)波導(dǎo)為主的有利大氣層結(jié)，天線架高影響強(qiáng)烈. 3.2 節(jié)的對比符合這個特征.

其次是線路走向的區(qū)別. 長度增加的線路，線路也向西東方向變化. 來自北方大面積影響的大陸氣團(tuán)，會造成范圍足以支撐線路出現(xiàn)超視距傳播的同一大氣層結(jié). 這樣的層結(jié)是穩(wěn)定超視距遠(yuǎn)距離傳播的一個關(guān)鍵物理因素. 南海海岸秋季的專門試驗(yàn)觀測研究[9]和大陸反氣旋的空間尺度證明了這種層結(jié)的存在.

最后是大氣環(huán)流變化的影響. 圖7 給出了2019-09 5 個站點(diǎn)附近沿海氣象觀測的地面風(fēng)向風(fēng)速的逐日變化情況. 09-06―13 大陸氣流約 3 級的西北風(fēng)變?yōu)楹Ｉ蠚饬骷s3 級以下的南風(fēng)和西南風(fēng).

圖7 試驗(yàn)期間超視距試驗(yàn)線路附近沿海的風(fēng)向風(fēng)級Fig. 7 Observed wind direction and scale during the transhorizon propagation test

由海陸風(fēng)形成的變性貼地波導(dǎo)氣團(tuán)和蒸發(fā)波導(dǎo)層結(jié)局域變化大. 09-13―15 具有較好的大陸氣流，持續(xù)的2 級西風(fēng)或西北風(fēng)變化緩慢穩(wěn)定，利于50 km線路和其他線路上海岸貼地波導(dǎo)和海面蒸發(fā)波導(dǎo)一體層結(jié)的形成. 09-19―23 和09-26―30 都有北風(fēng)出現(xiàn)，說明有強(qiáng)大的大陸反氣旋影響到試驗(yàn)區(qū)域，容易出現(xiàn)超視距遠(yuǎn)距離傳播所需的大范圍同一大氣波導(dǎo)層結(jié).

4 結(jié) 論

本文研究了海面超視距遠(yuǎn)距離傳播試驗(yàn). 基于微波超視距遠(yuǎn)距離傳播機(jī)制的分析，設(shè)計(jì)并開展了2019-09 在我國南部沿?？绾Ｎ⒉ǔ暰噙h(yuǎn)距離試驗(yàn). 對測試線路上的白晝傳播規(guī)律、機(jī)制做了分析，并根據(jù)試驗(yàn)的地理環(huán)境、線路構(gòu)型和試驗(yàn)期間的氣象風(fēng)觀測數(shù)據(jù)分析了有利于線路發(fā)生微波超視距遠(yuǎn)距離傳播的大氣環(huán)境變化特征. 得到以下結(jié)論：

1) 超視距遠(yuǎn)距離低損耗傳播的主要機(jī)制為波導(dǎo)傳播.

2) 午后有利于超視距遠(yuǎn)距離傳播. 通常12:00—13:00 為傳播起伏大的時段，條件不利時傳播損耗增加；有利的傳播條件下，表現(xiàn)為波導(dǎo)傳播，接近或低于自由空間的傳播損耗.

3) C 波段具有比X 波段損耗更低的傳播效果.岸上收發(fā)情形下，50 km 的傳播距離C 波段的傳播損耗約比X 波段低40 dB.

4) 傳播條件和線路構(gòu)型、地理?xiàng)l件、陸上氣流都有關(guān)系. 本試驗(yàn)研究中長距離海面的收發(fā)線路，表現(xiàn)為橫向吹過線路的陸上氣流、2～3 級的風(fēng)速、盡量低并接近海面的收發(fā)天線架設(shè)等因素.

本文的結(jié)論可供同類地形條件、氣候條件和收發(fā)線路的研究或應(yīng)用選擇使用，對于不同應(yīng)用需求的研究可提供試驗(yàn)測試設(shè)計(jì)和是否有利于超視距傳播判斷等方面的參考.