蒸發(fā)波導(dǎo)模型與微波超視距傳播試驗對比

郭相明 林樂科 趙棟梁 劉永勝 張利軍 康士峰

（1. 中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)試驗室，青島 266107；2. 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，青島 266100）

引 言

微波超視距的傳播機(jī)制可以歸因為對流層散射、大氣波導(dǎo)、繞射和層反射，有時還要考慮雨散射引起的超視距干擾等[1-3]. 在海洋大氣環(huán)境中，大氣波導(dǎo)是影響微波頻段電波傳播的主要因素，在一定的頻率、發(fā)射高度配置下，可實(shí)現(xiàn)微波陷獲超視距傳播，對雷達(dá)和通信系統(tǒng)的影響顯著[4-5]. 其中蒸發(fā)波導(dǎo)受近海面水汽蒸發(fā)的影響，具有永久存在的特征[6]，是大氣波導(dǎo)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn). 蒸發(fā)波導(dǎo)高度是描述蒸發(fā)波導(dǎo)的重要參量，直接影響電波陷獲頻率和波長的選擇. 受海上測量條件的限制，很難通過直接測量的方法實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)的診斷. 目前，海洋蒸發(fā)波導(dǎo)主要通過蒸發(fā)波導(dǎo)模型實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的診斷，即通過測量近海面一定高度上的空氣溫度、濕度、風(fēng)速和氣壓，以及海表溫度，采用蒸發(fā)波導(dǎo)模型來確定蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的大氣折射率剖面和蒸發(fā)波導(dǎo)高度及強(qiáng)度等參量[7]. 從20世紀(jì)60年代末開始，隨著近地層相似理論發(fā)展和試驗的開展，相繼提出了多個蒸發(fā)波導(dǎo)模型[8-9].其中Paulus 提出的PJ模型[10]和美國海軍研究生院（Naval Postgraduate School，NPS）提出的NPS模型[11]應(yīng)用最為廣泛，目前已集成在美國高級折射影響預(yù)報系統(tǒng)（advanced refractive effects prediction system,AREPS）中.

針對海上對流層電波傳播數(shù)值計算，從20世紀(jì)40年以來，研究人員相繼提出了基于波導(dǎo)模理論的計算方法、幾何光學(xué)方法和拋物方程算法等[12].其中拋物方程算法是目前計算海上大氣波導(dǎo)超視距傳播的主要方法. 同時，相關(guān)研究人員基于實(shí)際測量的海上傳播試驗也證明了該方法的有效性[13].在利用拋物方程方法進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的電磁波傳播計算時，獲取蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的大氣折射率剖面是實(shí)現(xiàn)傳播計算的先決條件. 受海上試驗條件限制，往往采用蒸發(fā)波導(dǎo)模型得到大氣折射率剖面.

國外相關(guān)研究人員利用不同海域單點(diǎn)測量的水文氣象和海上傳播鏈路數(shù)據(jù)[14-15]，對比分析了不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型，及其在微波超視距傳播中的應(yīng)用精度等. 對比結(jié)果表明，PJ和NPS模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測海洋蒸發(fā)波導(dǎo)，同時在不同海域，不同大氣條件、工作頻率、路徑長度下具有不同的預(yù)測精度. 長期以來，由于試驗條件的限制，國內(nèi)對蒸發(fā)波導(dǎo)模型及其在電波傳播應(yīng)用的比較研究較少. 2013年郭相明等人利用渤海岸邊的海上氣象梯度塔數(shù)據(jù)[16]，對比了目前常用的幾種蒸發(fā)波導(dǎo)模型在我國渤海海域的適用性，結(jié)果表明PJ和NPS模型的預(yù)測精度較高. 田斌、郭相明等人也根據(jù)海上試驗采集的波導(dǎo)數(shù)據(jù)，對比分析了蒸發(fā)波導(dǎo)PJ模型和NPS模型在我國海域的適應(yīng)性，結(jié)果也表明在多數(shù)情況下PJ模型和NPS模型是適用性較好的模型[17-18]. 同時，李磊、張利軍等人利用短期的試驗數(shù)據(jù)對不同模型在海上電波傳播損耗計算中的應(yīng)用開展了初步研究[19-20]，但針對不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型在海上超視距傳播的對比研究還未開展.

因此，本文利用我國南海海上平臺的實(shí)測水文氣象參數(shù)，對比PJ和NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型，同時利用在我國南海湛江附近海域開展的海上超視距傳播試驗，對比分析不同環(huán)境條件下蒸發(fā)波導(dǎo)模型在電波傳播計算上的精度，所得結(jié)果可對蒸發(fā)波導(dǎo)模型的選擇，利用單點(diǎn)測量的水文氣象參數(shù)和海上蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的電波傳播預(yù)測等提供指導(dǎo).

1 海洋蒸發(fā)波導(dǎo)與超視距傳播損耗測量

2017年11 月到12月期間，在我國廣東湛江、茂名和陽江附近海域開展了海上蒸發(fā)波導(dǎo)的超視距傳播試驗，試驗鏈路和海上測試平臺位置如圖1所示. 試驗中利用茂名的南海海上綜合觀測平臺進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)測量. 該觀測平臺距離海岸約6.5 km，是我國第一個海洋氣象綜合觀測平臺，觀測平臺上安裝有多套海洋氣象儀器，主要用于海氣邊界層和海氣相互作用過程的觀測. 試驗期間在平臺的10 m高度安裝了大氣溫濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向和紅外海溫傳感器，進(jìn)行試驗海區(qū)水文氣象參數(shù)的測量和海洋蒸發(fā)波導(dǎo)的診斷，數(shù)據(jù)采樣頻率為60 Hz. 微波超視距傳播試驗采用固定距離與流動距離傳播試驗相結(jié)合的方式開展. 試驗的發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)均位于海邊，其中湛江東海島到吉兆灣鏈路為固定傳播鏈路，采用中心頻率為5.8 GHz的低速擴(kuò)頻傳輸設(shè)備進(jìn)行超視距信號的發(fā)射和接收試驗. 同時利用美國NI公司的軟件無線電平臺開展了湛江東海島到吉兆灣、湛江中國第一灘、茂名博賀港、陽江海陵島的短期流動超視距傳播與信道測量，對應(yīng)的傳播距離分別約為52 km、71 km、85 km和148 km. 傳播站點(diǎn)位置和海上測試平臺具體信息如表1所示.

圖1 試驗地點(diǎn)及傳播鏈路Fig. 1 Test sites and propagation link

表1 站點(diǎn)位置Tab. 1 Site location

考慮到試驗中湛江東海島到吉兆灣為固定試驗鏈路，連續(xù)測量時間近一個月，環(huán)境代表性較為充分，因此下面利用低速擴(kuò)頻傳輸設(shè)備測量的傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析. 在東海島，低速擴(kuò)頻傳輸設(shè)備射頻穩(wěn)定輸出功率為23 dBm，然后連接拋物面天線輻射出去，拋物面天線增益為32.3 dBi，垂直極化. 在吉兆灣，同樣利用同極化的拋物面天線實(shí)現(xiàn)信號的接收，然后進(jìn)行信號功率接收，同時利用筆記本電腦實(shí)時記錄接收信號功率，數(shù)據(jù)記錄頻率為15 Hz. 試驗中發(fā)射天線和接收天線位于海面上約2 m高度. 則試驗中傳播路徑損耗可表示為

式中：Pt為發(fā)射功率，dBm；Lt、Lr分別為發(fā)射端與接收端的饋線損耗，分別約為1 dB、1 dB；Gt、Gr分別為發(fā)射端與接收端的天線增益，dBi；Pr為接收功率，dBm.

2 試驗測試結(jié)果對比

2.1 蒸發(fā)波導(dǎo)模型對比

所有蒸發(fā)波導(dǎo)模型都是基于近地層相似理論構(gòu)建的[8-9]，但不同模型在相似理論普適函數(shù)、海面粗糙度和近海面特征參數(shù)的選取和處理等方面存在差別，從而在計算結(jié)果上可能存在較大的差異[16]. 利用架設(shè)在海上觀測平臺上的水文氣象傳感器，獲取了2017年11月到2018年5月的數(shù)據(jù)，基本代表了冬季和春季的環(huán)境條件，具有典型的環(huán)境代表性. 考慮到大氣湍流的影響，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行10 min平均，然后分別代入PJ和NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型計算對應(yīng)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度. 考慮到PJ模型限制蒸發(fā)波導(dǎo)高度為40 m，在利用NPS模型進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)高度的計算中，也限制蒸發(fā)波導(dǎo)高度為40 m. 圖2給出了兩種模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度對比，表2給出了兩種模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度統(tǒng)計結(jié)果和不同大氣穩(wěn)定條件下的計算結(jié)果. 從圖2和表2可以看出：在不穩(wěn)定大氣條件時（大氣溫度小于海表溫度），PJ和NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型預(yù)測的一致性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98，但NPS模型預(yù)測的波導(dǎo)高度往往小于PJ模型；在穩(wěn)定大氣條件時（大氣溫度大于海表溫度），兩種模型的預(yù)測結(jié)果差異較大，NPS模型預(yù)測的波導(dǎo)高度往往大于PJ模型的預(yù)測結(jié)果，并且NPS模型預(yù)測的波導(dǎo)高度可達(dá)40 m. 這主要是與PJ模型在穩(wěn)定條件下的溫度修正有關(guān)[10]，導(dǎo)致在穩(wěn)定條件下預(yù)測結(jié)果小于40 m. 因此，在穩(wěn)定大氣條件下兩種模型的預(yù)測結(jié)果可能存在較大的誤差，在后面?zhèn)鞑p耗的計算中也得到了進(jìn)一步證實(shí).

圖2 PJ與NPS模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度對比Fig. 2 Comparison of evaporation waveguide height between PJ and NPS models

表2 PJ和NPS模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度統(tǒng)計對比Tab. 2 Statistical comparison of PJ and NPS evaporation waveguide models

2.2 路徑損耗對比

針對海洋蒸發(fā)波導(dǎo)的超視距傳播損耗預(yù)測，受觀測條件的限制，在海上通過釋放探空氣球、探空火箭和架設(shè)氣象梯度塔等方式進(jìn)行海上電波環(huán)境測量是不現(xiàn)實(shí)的. 海上蒸發(fā)波導(dǎo)傳播損耗的預(yù)測，通常采用在傳播路徑附近進(jìn)行近海面水文氣象參數(shù)代入蒸發(fā)波導(dǎo)模型獲取近海面大氣折射率剖面，然后代入阻抗邊界條件下的數(shù)值拋物方程算法中，計算不同蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)下的路徑傳輸損耗. 對試驗中測量的路徑損耗進(jìn)行10 min平均，同時分別利用PJ和NPS模型計算近海面大氣折射率剖面，輸入到拋物方程算法中，計算對應(yīng)的路徑損耗，并與實(shí)測路徑損耗進(jìn)行對比. 圖3、圖4和表3分別給出了利用兩種蒸發(fā)波導(dǎo)模型在不同大氣條件下的計算結(jié)果對比，其中平均誤差和均方根誤差的計算采用實(shí)測值減去預(yù)測值進(jìn)行計算. 從圖3、圖4和表3可以看出，利用單點(diǎn)測量水文氣象參數(shù)，預(yù)測的傳播損耗一般小于實(shí)際測量的路徑損耗，并且NPS模型預(yù)測的路徑損耗精度要優(yōu)于PJ模型. 考慮到大氣穩(wěn)定性（氣海溫差）、風(fēng)速風(fēng)向?qū)^(qū)域海洋大氣環(huán)境的影響[19-21]，表3同時給出了不同大氣穩(wěn)定性和風(fēng)向條件下兩種蒸發(fā)波導(dǎo)模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果的對比. 其中海風(fēng)對應(yīng)的風(fēng)向扇區(qū)為90°～150°，通?？烧J(rèn)為大氣環(huán)境近似代表海上區(qū)域均勻的大氣環(huán)境.從表3可以看出，在不穩(wěn)定大氣條件下NPS和PJ模型預(yù)測的路徑損耗的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.56和0.52，再綜合平均誤差和均方根誤差可以看出，NPS模型的預(yù)測精度要優(yōu)于PJ模型的精度. 在穩(wěn)定大氣時，兩種模型的預(yù)測精度都不理想. 海風(fēng)和陸風(fēng)條件下的對比可以看出，NPS模型在海風(fēng)和陸風(fēng)條件的預(yù)測精度相當(dāng)，但PJ模型在海風(fēng)和陸風(fēng)條件的預(yù)測精度差異較大，這可能是因為在穩(wěn)定大氣條件下PJ模型對預(yù)測的波導(dǎo)高度進(jìn)行修正導(dǎo)致預(yù)測的波導(dǎo)高度較低，同時在陸風(fēng)大氣環(huán)境下對應(yīng)的大氣結(jié)構(gòu)往往是水平非均勻的，進(jìn)一步導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相差較大.

圖3 PJ模型預(yù)測與測量路徑損耗對比Fig. 3 Comparison of PJ model prediction and measurement path loss

圖4 NPS模型預(yù)測與測量路徑損耗對比Fig. 4 Comparison of NPS model prediction and measurement path loss

在實(shí)際傳播鏈路的規(guī)劃設(shè)計中，路徑傳播損耗的統(tǒng)計結(jié)果是系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)[22]. 例如ITU-R.617-4[23]模型中給出了不同時間概率下的對流層散射傳播損耗的計算方法，為對流層散射通信鏈路的規(guī)劃設(shè)計提供服務(wù). 針對利用蒸發(fā)波導(dǎo)超視距通信鏈路的設(shè)計同樣需要傳播路徑損耗的統(tǒng)計分布情況，圖5給出了測量的路徑損耗累積分布，同時給出了利用蒸發(fā)波導(dǎo)模型的預(yù)測結(jié)果.從圖5可以看出，利用單點(diǎn)測量的水文氣象參數(shù)，NPS模型相對PJ模型有較好的預(yù)測精度，但在大部分時間概率下預(yù)測的累積傳播損耗一般小于實(shí)際測量的預(yù)測損耗，PJ和NPS模型預(yù)測的中值損耗與實(shí)際測量的中值損耗的差值分別為?14.02 dB和?10.06 dB. 因此，如果利用長期單點(diǎn)測量的水文氣象參數(shù)進(jìn)行路徑損耗計算并進(jìn)行通信鏈路設(shè)計時，需要考慮預(yù)測的傳播損耗可能小于實(shí)際傳播路徑損耗，合理地分配系統(tǒng)余量.

表3 不同大氣條件下測量與預(yù)測路徑損耗對比Tab. 3 Comparison of measured and predicted path losses under different atmospheric conditions

圖5 測量與預(yù)測的路徑損耗累積分布對比Fig. 5 Comparison of measured and predicted cumulative path loss distribution

3 結(jié) 論

海上蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋環(huán)境中近乎永久存在的異常大氣環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)微波超視距電波傳播的重要機(jī)制，對海上無線電雷達(dá)和通信系統(tǒng)具有重要的影響. 利用近海面單點(diǎn)水文氣象的測量，是目前進(jìn)行傳播鏈路路徑損耗預(yù)測的主要途徑. 本文利用海上平臺約7個月的水文測量數(shù)據(jù)和約1個月的路徑損耗數(shù)據(jù)，對PJ和NPS兩種蒸發(fā)波導(dǎo)模型在不同大氣條件下的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了初步對比，結(jié)果顯示：

1）在不穩(wěn)定大氣條件時PJ和NPS模型預(yù)測的蒸發(fā)波導(dǎo)高度一致性較好，通常NPS模型預(yù)測的蒸發(fā)波導(dǎo)高度小于PJ模型，但在穩(wěn)定大氣時預(yù)測結(jié)果相差較大，這可能與PJ模型在穩(wěn)定大氣條件下的溫度修正有關(guān).

2）NPS模型預(yù)測的路徑損耗稍優(yōu)于PJ蒸發(fā)波導(dǎo)模型，特別是在不穩(wěn)定大氣條件時，二者在穩(wěn)定大氣時預(yù)測結(jié)果都不太理想，這可能是由于蒸發(fā)波導(dǎo)模型在穩(wěn)定條件下大氣折射率剖面預(yù)測還不準(zhǔn)確，需要進(jìn)一步改進(jìn).

3）路徑損耗的統(tǒng)計對比結(jié)果表明，PJ和NPS模型預(yù)測的傳播損耗往往小于實(shí)際測量值，這兩種模型預(yù)測與實(shí)際測量的中值路徑損耗的差值分別為?14.02 dB和?10.06 dB，在進(jìn)行海上相關(guān)無線電系統(tǒng)的規(guī)劃時，需要考慮預(yù)測的傳播損耗可能小于實(shí)際傳播路徑損耗的事實(shí)，并結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)合理地分配系統(tǒng)參數(shù).

由于試驗條件的限制，僅利用固定鏈路開展蒸發(fā)波導(dǎo)模型在C波段傳播試驗中的對比研究，所得結(jié)果還存在一定的局限，還需要進(jìn)一步利用海上氣象梯度塔等開展不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型的研究，開展不同頻率和距離下的蒸發(fā)波導(dǎo)傳播試驗，并結(jié)合具體的海域和工作參數(shù)開展更加深入的分析和比較研究.