蒸發波導環境下海上超視距通信應用研究

周 朋

(中國人民解放軍 91404 部隊，河北 秦皇島 066000)

蒸發波導環境下海上超視距通信應用研究

周 朋

(中國人民解放軍 91404 部隊，河北 秦皇島 066000)

提出不同條件下蒸發波導預測方法：基于水文氣象條件的海上艦艇蒸發波導預測模型選擇方法和基于 GPS 信號利用貝葉斯正則化 BP 神經網絡反演蒸發波導的方法；結合艦艇微波頻段通信模式及電磁波在蒸發波導環境下的傳輸損耗，研究蒸發波導環境下海上超視距通信，定量估算出最大有效通信距離，仿真結果表明蒸發波導環境下微波頻段通信可達視距范圍之外；研究超視距通信電磁盲區分布特征及影響因素；建立蒸發波導環境下艦艇超視距通信模型及應用流程。結合實際海上通信需求，提出蒸發波導環境下艦艇海上超視距通信應用。

蒸發波導；預測模型；超視距通信；通信模式

0 引 言

蒸發波導作為一種特殊類型的大氣波導，具有發生概率高、一般發生在 40 m 以下高度的近海面大氣中等特點[1]，因此，對海上電磁系統產生較大影響。在蒸發波導預測方面，國內外已形成多套成熟的蒸發波導預測模型[2–9]，目前主要的研究方向是蒸發波導的反演算法[9–10]和蒸發波導環境下超視距傳播特性研究[11–12]；在蒸發波導環境下電磁波傳輸模式方法研究方面，主要采用拋物線方程法、射線跟蹤法、模理論以及多種混合算法解決電磁波在蒸發波導中的傳播特性[13–16]，其中，拋物線方程法是在基于霍姆赫茲方程基礎之上得到的，應用最為廣泛，相比于其他算法，是研究蒸發波導環境下電磁波傳播問題最穩定、準確的方法。在蒸發波導結合實際裝備應用的研究方面，早期的很多試驗都是針對雷達探測系統，很多國家利用蒸發波導的超視距探測系統已經在艦艇上列裝使用，很好地提高了雷達探測性能，而蒸發波導在通信領域應用方面起步較晚，還停留在理論分析和實驗測試階段[11,17]。本文針對蒸發波導這一特殊的大氣現象，根據電磁波形成波導傳播的性質變化，進行蒸發波導環境下海上微波超視距通信應用研究。

1 蒸發波導有效預測

1.1 基于水文氣象條件預測模型

在利用水文氣象條件預測蒸發波導模型上，國外許多專家在20世紀70年代初已經開始這方面的研究，比較有代表性的預測模型有美國的 Paulus-Jeske 提出并不斷修正的蒸發波導預測模型（P-J 模式）[6,8]、法國學者 Luc Musson-Genon，Sylvie Gauthier 和 Eric Bruth 提出的 MGB 模式[7]以及美國霍譜金斯大學的 S. M. Babin提出的 Babin 模式[18]（也稱 A 模式）。我國在蒸發波導預測上比較有代表性的研究成果有劉成國提出的偽折射率模式[4]和李云波提出的基于海氣通量算法的蒸發波導診斷模型[3]，他們提出的各種模型都是在 Monin-Obukhov 相似理論的基礎上得到的，只是應用不同。為彌補 Monin-Obukhov 相似理論在某些條件下不能使用的缺陷，戴福山提出利用局地相似理論代替Monin-Obukhov 相似理論確定蒸發波導的方法，稱為局地相似蒸發波導模式[2]。此外，我國的很多學者還對幾種傳統模式在我國海域的適應性進行研究[19]，對蒸發波導預測模型在我國海域的應用研究起到了促進作用。

在此基礎上，根據海上艦艇裝備實際情況，提出采取如下方式利用氣象水文條件預測蒸發波導：

1）在強穩定層結海洋大氣環境時，選取局地相似理論的蒸發波導預測模式。

2）在弱穩定層結、中性層結以及不穩定層結海洋大氣環境時選取 P-J 模式。

3）在極端不穩定層結海洋大氣環境時選取 Babin模式。

Monin-Obukhov 相似理論不滿足強穩定層結海洋大氣環境時的應用條件，P-J 模式在此情況下需考慮人為修正，不適于艦艇裝備及人員實際情況，而局地相似理論適用于整個近地層，可以彌補 Monin-Obukhov 相似理論的缺陷，因此本文在強穩定層結海洋大氣環境時選取基于局地相似理論的蒸發波導預測模式。

極端不穩定層結多發生在晴好的海洋大氣環境中，通過上述各個模式的研究與比較分析，Babin 模式將 Monin-Obukhov 相似理論推廣到甚低風速海洋大氣環境下，風速較小的大氣環境時，該模型預測效果最優。

其他大氣層結的海洋大氣環境時，選用 P-J 模式。P-J 模式是目前蒸發波導預測方面應用最成功的模型之一，美國研究人員將其集成到某微波傳播預報系統中，作為業務化預報模式投入實際應用。可以看出在 P-J 模式的應用上有著成熟的先例與經驗，而且通過前面的比較分析，在弱穩定層結、中性層結以及不穩定層結的海洋大氣環境時該模式在某些特定水文氣象環境下具有優勢外，其他環境條件下并無明顯缺陷，因此，建議使用 P-J 模式。

1.2 基于 GPS 信號的蒸發波導反演方法

在基于實測數據反演算法中，本節提出基于 GPS信號接收功率利用貝葉斯正則化訓練方法的改進 BP神經網絡反演蒸發波導的方法，考慮到實際海洋環境接收信號影響因素較多，對用來驗證反演結果的接收功率采用加干擾處理，以保證反演結果與實際環境相符，仿真條件及反演結果如表 1 所示。

表 1 GPS 衛星系統參數Tab. 1 GPS satellite system parameter

本文將不同蒸發波導高度出仿真得到的 GPS 信號接收功率與其對應的波導高度分別作為神經網絡訓練的輸入數據和目標數據。由于蒸發波導高度一般不超過 40 m，因此本文選取目標數據波導高度時，從 2 m至 40 m，波導高度采樣間距為 2 m，這樣可以得到 20個采樣點的蒸發波導高度；利用拋物線方程計算接收天線高度 15 m 處的 GPS 信號接收功率，輸入數據選取距離從 31 km 到 60 km 以 0.5 km 為間隔的各點的接收功率，共 59 個采樣頻率。因此輸入數據為 59 × 20的不同距離和波導高度處接收功率矩陣，目標數據為1 × 20 的不同波導高度矩陣，根據上述輸入數據和目標數據訓練神經網絡，以波導高度為 15 m 和 25 m 的GPS 信號接收功率作為檢驗數據來驗證反演的準確性，結果如表 2 所示。

表 2 反演高度計算結果Tab. 2 Inversion height result

根據表 2 的反演結果可以看出，在未加干擾情況下，反演結果與實際高度相差不大，相對誤差小于1%，結果精度較高；干擾情況下反演得到的波導高度與實際值誤差相對較大，相對誤差在 3% 左右，但在可接受范圍內，考慮到實際海洋氣象環境下噪聲等干擾不可避免，因此在存在干擾下的反演結果與實際環境更為接近。

本文提出的 2 種方法，分別適用于不同的環境條件：一是基于氣象水文條件的蒸發波導預測方法理論研究較為成熟，在國內外應用廣泛，因此，在可以準確完備的測量水文環境參數時，可以利用本方法預測蒸發波導；二是基于實測數據的蒸發波導反演算法也有，輸入數據單一，且獲取較為容易，預測速度快等優點，因此，在可以有效接收實測數據的情況下可以考慮使用本方法。本文提出分別適用于不同條件的 2種方法，保證艦艇航行時處在不同環境下能夠對海上蒸發波導實時有效預測，為通信裝備對蒸發波導的應用奠定基礎。

2 電磁波形成蒸發波導超視距傳播

當海洋大氣環境中傳播的的電磁波產生陷獲折射現象時，會形成大氣波導，滿足電磁波形成大氣波導傳播還應具備如下條件：

1）處于近地層的一定垂直高度范圍內必須產生陷獲層，即大氣修正折射指數滿足

4）電磁波發射天線必須處于適當位置，即滿足發射天線處于波導層高度范圍內或距波導層很近的位置。

2.1 最低陷獲頻率

電磁波能否形成大氣波導傳播，與波長的大小有關，通常情況下，波長越短，頻率越大，電磁波越容易形成大氣波導，電磁波能夠形成大氣波導產生超視距傳輸的最大波長叫做截止波長，記為，與截止波長對應的最低頻率稱為最低陷獲頻率，記為

同一大氣修正折射指數梯度下，波導高度越高，所能捕獲的電磁波最低頻率越低；在相同蒸發波導高度下，大氣修正折射指數梯度越大，捕獲的電磁波最低頻率越低，說明蒸發波導對電磁波的陷獲能力越強。

2.2 臨界入射角

當發射源在波導層內以一定仰角向上發射電磁波時，電磁波仰角隨傳播距離的增加不斷減小，若選擇合適的初始仰角，可使電磁波傳播到波導頂所在高度時，其仰角恰好等于 0，此時的初始仰角 Φ0稱為臨界入射角，記作 Φc（單位：rad）。可得：

3 蒸發波導環境下超視距通信

3.1 有效通信距離

超視距通信距離的計算，首先要得到形成波導傳播的電磁波隨傳播距離的傳播損耗，再結合通信系統裝備的信息傳播特性，有效估算超視距通信距離。首先利用拋物線方程及分布傅里葉解法，求解波導傳播模型的拋物線方程，進而定量估算出蒸發波導環境下電磁波傳輸損耗，結合微波通信接收端接收電平的計算公式及完成有效通信需要滿足的條件，得到蒸發波導超視距通信覆蓋距離，可以得到蒸發波導環境下微波信號最大有效通信距離[20]：

微波通信系統中，通常采用卡塞格倫天線，發射天線頻率 2 GHz，高度 3 m 時，兩端天線增益之和約為 33 dB[21]。仿真不同波導高度下接收功率隨傳播距離變化曲線，結果如圖 1 所示。

該仿真圖描述了接收機接收功率隨電磁波傳播距離的變化情況，仿真中取發射功率為 25 dBW，兩端饋線損耗為 6 dB，微波接收機的門限接收電平為 –90 dB。從圖中可看出，在滿足接收機接收功率大于門限接收電平情況下，通信系統可以實現有效通信；波導高度越高，電磁波傳播距離越遠，有效通信范圍越大；只要選取適當的天線發射頻率及電磁波發射仰角，利用蒸發波導可實現超視距通信，并定量估算出最大有效通信距離。

3.2 通信電磁盲區

滿足一定條件的電磁波形成波導傳播過程中，能夠使傳播距離增加，實現電磁波的超視距通信，同時，受陷獲作用的影響，將會產生電磁盲區，如圖 2所示，主要包括波導頂端盲區和跳躍盲區。

根據波導環境下電磁波傳播特性，利用射線追蹤方程進行仿真分析，仿真結果如圖 2 所示，選取波導高度為 15 m，發射天線高度約為 11 m，初始發射仰角略小于臨界入射角 Φc，最低陷獲頻率 fmin=3 GHz。本文利用射線軌跡方程，分別研究在滿足波導傳播條件下的發射源位置、發射仰角的變化分別對通信電磁盲區分布的影響。得到結論：對大氣波導頂端電磁盲區影響較嚴重的主要是發射天線高度和發射仰角的變化，而減小發射仰角對第一個跳躍點的跳躍盲區影響較大。

4 蒸發波導環境下超視距通信應用研究

利用蒸發波導實現海上超視距通信，首先需要對蒸發波導進行有效預測，根據波導的特征，選擇能夠使電磁波實現蒸發波導傳播的通信裝備相關參數，進而實現海上信號的超視距傳輸及對傳輸性能的評估。本文根據上述對蒸發波導預測模型及蒸發波導對艦載通信裝備的影響研究，提出蒸發波導環境下超視距通信模式如圖 3 所示。

首先根據艦載裝備的特點和海上環境特征選擇蒸發波導預測方法對蒸發波導進行有效預測，在蒸發波導預測系統中，本文提出 2 種預測模型，分別適用于不同的輸入條件，艦艇航行過程中可根據實際情況選擇不同的預測方法：在海上溫度、風速、濕度等氣象條件較容易獲取，或者無法接收 GPS 衛星數據或接收數據不完整、不具備反演條件的情況下，可選用基于水文氣象條件的蒸發波導選擇方法；在海上水文氣象參數測量較為困難，或者可以很好的接收到 GPS 信號接收功率的情況下，可選擇基于 GPS 信號的反演算法。

根據預測得到的蒸發波導特征設置艦載天線系統的發射參數，通信系統參數的包括發射天線高度、發射頻率、發射仰角，選擇依據是根據預測得到的蒸發波導高度、強度等特征以及電磁波滿足波導傳播條件，結合實際環境的約束，對艦載通信裝備發射參數進行選擇。微波通信系統天線高度的設定，遵循的原則是天線高度盡量不大于預測得到的蒸發波導高度。發射源較低時波導對電磁波的陷獲作用更強，同時波導頂端通信盲區的范圍也更大，因此，可以參考接收天線的高度來決定發射天線的高度，在滿足接收天線可接收到信號的前提下，即接收天線不能處于波導通信盲區范圍內，結合裝備可調整程度及環境因素限制來設置發射天線高度。既保證接收天線對信息的有效接收，又滿足波導對電磁波有較強的陷獲作用，實現了蒸發波導的高效利用；能形成蒸發波導傳播的最低陷獲頻率由波導高度、強度等因素決定，滿足發射頻率高于最低陷獲頻率條件下，發射頻率越大，海上超視距通信距離就越遠，因此，可根據計算得到的有效通信距離結合收發天線的間距調整發射頻率的大小，只要能滿足電磁波在此區間內有效傳播即可，這樣，即可達到有效通信的目的，又能夠增強系統的反偵察干擾能力；根據電磁波滿足波導超視距傳輸條件，通信系統發射天線仰角要小于蒸發波導臨界入射角，臨界入射角較小，一般為 1° 左右，因此，通信系統天線首要選擇小角度發射信號。同時，通信發射天線可根據預想達到的有效通信距離，調節發射頻率與仰角，以達到最佳的通信效果[22]。

微波超視距傳輸系統可以計算得到最大有效通信距離及超視距通信盲區分布特征。上述因素可為通信裝備發射參數的選擇提供反饋信息和調整依據，結合實際通信的需求對參數進行調整，直至達到最佳通信效果為止。

蒸發波導超視距通信可應用于航母戰斗群、水面艦艇編隊等，增強艦艇編隊戰法運用的靈活性；蒸發波導超視距通信也可應用于反潛戰飛機，使反潛機在視距之外執行任務時，使用微波頻段仍能與母艦保持通信聯絡，提高反潛機的作戰能力[24]。利用蒸發波導超視距通信時，應盡量減小電磁盲區的影響，天線頂端處于頂端盲區的目標，可適當調整天線位置避開電磁盲區的干擾；通過改變電磁波發射參數，例如在超視距通信范圍內改變發射頻率，使跳躍盲區覆蓋區域改變，跳過目標所在位置；或在允許范圍內移動目標位置來降低跳躍盲區的影響，達到最佳效果。同樣，蒸發波導通信電磁盲區也是我方對敵海上通信進行干擾的突破口，執行偵察任務的飛機可沿波導頂層上方隱蔽前進，進行隱蔽偵察。

5 結 語

本文根據蒸發波導條件下電磁波傳播特性，提出了基于蒸發波導條件下海上超視距通信距離估算方法，定量估算出最大有效通信距離，仿真結果驗證蒸發波導條件下微波頻段可實現遠距離通信，通信覆蓋范圍可到達視距之外。在實際應用中可進行微波超視距通信有效通信距離的估算，對保障海上微波超視距通信可靠性，提高通信系統應用能力具有重要指導意義。

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Research on maritime transhorizon communication application based on evaporation duct

ZHOU Peng
(No. 91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

There are two methods for predicting evaporation duct: they are the method of choosing evaporation duct prediction model based on hydrometeor logic conditions and inversion for evaporation duct using GPS signals based on improved BP neural network. Combined with ship-borne microwave communication modes and the loss of electromagnetic transmission under evaporation duct, conducting the research on maritime transhorizon communication under evaporation duct, get the maximum effective communication distance under quantitative estimation. The simulation results show that microwave communications under evaporation duct can reach the zone out of visibility range; studied the distribution features and influence factors of electromagnetic blind zone within tranhorizon transmissions. This paper builds the ship-borne communication model and application process. Combined with the actual maritime communications needs, proposes the application of maritime transhorizon communication under evaporation duct.

evaporation duct；predication model；transhorizon communication；communication model

TN928

A

1672–7619(2017)03–0135–05

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.028

2015–11–05；

2016–02–29

周朋(1989–)，男，碩士，研究方向為通信系統。