大氣物理特性對電磁環境影響的研究概述

唱 亮，李景春

（國家無線電監測中心，北京 100037）

1 研究背景

近年來，隨著用頻業務和臺站數量的顯著增加，大氣物理特性對電磁波傳播的影響也日益突出，如大氣波導引起的超視距傳播帶來的干擾問題就時常出現，帶來明顯的環境適應性問題[1-2]，這一點尚沒有引起人們足夠的重視。因此，為保證相應通信、雷達業務的穩定性與可靠性，對各頻段電磁波在大氣媒介中的傳播機理進行系統研究，在此基礎上針對各類典型業務，研究電離層異常傳播對特定業務的影響以及相應的處理對策，探索利用電磁層傳播特性優化現有典型通信的方法，具有迫切的現實意義，可以顯著提升現有傳輸模式的效率和可靠性。本文聚焦大氣波導這一典型的大氣傳播現象，就其研究現狀及未來的研究方向進行論述。

2 研究現狀

當前，對大氣波導的研究總體可分為兩個部分，即為在基礎理論上深入開展對大氣波導的固有特性和電磁傳播機理研究，以及在此基礎上針對各類典型業務的影響及應對方法研究。

2.1 大氣波導固有特性及電磁傳播機理研究

相對對流層、平流層的傳播特性研究及其在短波通信中的應用，大氣波導對超短波頻段的通信、雷達業務的影響的研究起步較晚，但隨著各類通信系統的日益廣泛應用，對大氣波導固有特性及電磁傳播機理的研究，在近幾十年來逐漸成為了大氣物理學研究的熱點之一。

大氣波導可以分為蒸發波導、表面波導、抬升波導等三種類型。其中，蒸發波導主要存在海洋大氣環境中，表面波導和抬升波導則以下邊界是否與地面相接觸而區分，前者為下邊界接觸地面，多出現在晴好天氣下；后者一般高于地面數十至幾百米，存在逆溫層的情況下經常出現。

早期的大氣波導相關研究主要集中在無線電波傳播的建模方法和異常傳播觀測上[1]。在無線電波傳播的建模方法上，研究人員對波導模態理和拋物方程方法進行了深入和細致的研究。《Meterological factors in radio wave propagation》中給出了許多關于大氣波導的報告，《Propagation of short radio wave》中，給出了有關這一問題的主要結論。在異常傳播觀測方面，從20世紀60年代開始，美國、日本以及德國的研究人員就開始觀測大氣波導環境及無線電波的異常傳播。其中，80年代末90年代初，美國開展了大量關于蒸發波導的研究。K.D.Anderson等人在1989年至1991年進行了海上蒸發波導微波傳播理論和通信實驗研究，以及在1993年進行了蒸發波導環境中低飛目標的探測的研究。90年代以后，前蘇聯/俄羅斯開展過多次大洋實驗，對全球各大海區進行過蒸發波導高度的評估，并且針對雷達在海上進行超視距探測的可靠作用距離、能探測低飛目標的高度范圍、最佳頻率以及天線高度選擇等開展了一系列有意義的研究，在理論上獨立發展了蒸發波導的形成模型。有資料指出在俄羅斯現役雷達中有考慮了大氣波導（包括蒸發波導）的超視距傳播效應的成熟武器系統，如微波主/被動超視距探測雷達（“米歇拉爾”雷達）。該型雷達的主動探測模式利用了近海面蒸發波導環境，探測距離最遠可達180千米。2001年的9月中旬，在美國海軍研究局（The Office of Naval Reseach）的支持下，SPAWAR聯合加州大學，約翰霍普金斯大學等研究機構，在夏威夷海域開展了RED（RoughEvaporation Duct Experiment）實驗。該實驗投入了大量的人力、物力和財力，主要為了驗證在粗糙海面條件下以及非均勻蒸發波導的條件下，電磁波在波導內傳播時受到的影響。

我國的研究起步于20世紀60年代，國內相關學者針對蒸發波導的形成機理和我國海域的大氣波導的預測預報方法已經開展了深入研究[1-2]，特別是步入21世紀以來，受海軍信息化建設和公眾移動通信的飛速發展影響，解放軍理工大學、西北工業大學、大連海軍艦艇學院、西安電子科技大學、武漢海軍工程大學等單位圍繞大氣波導參數估計、時空分布建模與驗證、短期預報、信道特性等方面開展了深入的研究，取得了較積極的研究成果，逐步接近國際先進水平[1-2]。其中，在大氣波導參數估計方面，解放軍理工大學采用變分同化技術，結合正則化思想，基于電磁波拋物方程傳播模式對利用垂直天線陣觀測資料遙感反演大氣折射率廓線問題深入研究，取得了高精度的結果，并提出了利用粒子濾波、卡爾曼濾波、Bayesian-MCMC等工具從雷達回波中提取大氣折射率廓線等參數的方法，以及基于多波束雷達模式進一步提升大氣波導參數估計精度的方法。在大氣波導時空分布建模與驗證方面，西北工業大學聚焦蒸發波導，利用改進的蒸發波導預測模型和美國環境預測中心最新的NCEP CFSR再分析數據庫，計算了中國南海和世界海洋的蒸發波導時空分布規律，建立了分辨率0.312?！?.313°的蒸發波導特性數據庫，空間分辨率和精度顯著優于國外公開的10。×10。數據庫，并利用海上浮標觀測數據以及微波路徑損失測量數據對計算方法的有效性進行了驗證，達到了世界先進水平。

在短期預報方法上，西北工業大學采用近期海氣邊界層實驗中得到的穩定度函數，提升了模型在穩定條件下的計算精度，并利用蒸發波導預測模型研究了蒸發波導高度對環境參數的敏感性，分析了穩定條件及不穩定條件下，風速、海表面溫度、相對濕度、空氣溫度等因素對蒸發波導高度的定量影響規律，顯著提升了預測模型的精度。在信道特性研究方面，西北工業大學利用拋物方程模型分析了蒸發波導環境的水平不均勻性對微波傳播的影響，并通過數值仿真和實驗觀測的方法，定量研究了海上障礙物對微波傳播的影響。并對蒸發波導信道中的頻率響應傳輸特性進行了深入研究，得出了頻響類型和定量的頻響特性，并利用黃海實驗數據對計算方法進行了驗證。

2.2 大氣波導對典型用頻系統的影響研究

2.2.1 蒸發波導對海面超視距通信雷達系統的影響

現代海軍正在進行以信息化作戰模式為核心的作戰理念、戰略戰術、技術裝備的快速變革，基于無線電手段的時、頻、空、能量域的全方位立體化監測的重要性日益凸顯；同時，漁業、海洋勘探、交通運輸等方面對無線通信、雷達技術設施的依賴也逐漸加強。因此，加強大氣蒸發波導對海面通信雷達系統的影響分析，則具有重要的現實意義。

蒸發波導對船載電子系統應用影響研究是在蒸發波導環境特性后報、現報和預報研究以及電磁波傳播特性研究的基礎上，結合實際應用系統進行分析。主要可劃分為兩個范疇，一種是分析船載雷達、通信系統在蒸發波導條件下所受到的影響，對其工作性能主要參數的變化進行分析，如雷達的探測距離、探測概率，通信系統的通信距離、傳輸速率、誤碼率等參數。美國的AREPS（Advanced Refractive Effects Prediction System）系統[1-2]可以評估各種大氣折射環境（包括蒸發波導）對船載電子系統的影響，但是，還不能針對實際水平不均勻蒸發波導環境，評估電子系統的工作性能。國內相關的應用研究主要集中在對雷達探測效能的評估上[3-7]；其中，西北工業大學基于現有蒸發波導監測預報方法及微波傳輸特性研究的基礎，結合實際海面通信系統的應用需求，提出了蒸發波導數據傳輸系統的輔助決策方法。利用該方法，可實現對蒸發波導數據傳輸系統的工作性能進行預報，并能計算傳輸天線的最優高度、最優工作頻率、可通概率等參數，利用南海實驗數據進行了有效性驗證，系統性的提升了海面大氣波導用頻系統的通信水平。另外一種則是探索利用蒸發波導實現遠距離、高速率、低截獲概率的通信和雷達探測，但該技術需要精確獲得并預測大氣波導的電磁傳播特性和時空分布規律，尚需要在理論方面進一步深入研究，現有的工作多為基于理論模型的作用距離評估[8-9]，尚處于初步探索階段。

2.2.2 大氣波導對TDD通信系統的影響研究

近幾年來，隨著以TD-LTE為代表的4G移動通信業務的飛速發展，以及5G業務中TDD模式逐漸成為主流，因此，針對各類大氣波導的TDD移動通信的影響評估則顯得日益重要。當前，針對大氣波導對TDD移動通信系統的影響主要結合移動通信的網絡特性出發，采取一系列工程技術策略與手段，緩解大氣波導的影響[10]，并對定位干擾源方法進行了研究[10-11]。

在干擾緩解方面的主要方法如下：一是在功率控制方面調整策略，可以采用提升用戶接入發射功率的算法提升接入信號信噪比以保證QoS。二是在調度編碼策略上，可通過調整自適應編碼的碼率以減低數據開銷，提高可靠性。三是在物理層和MAC層控制上，可以通過優化解調的信道估計算法，采用受影響較小的第二列解調參考信號以降低干擾影響。也可通過特殊子幀配比調整和部分子幀關斷等方法，以犧牲下行速率的辦法來換取保護距離延遲至200～500km左右。四是在多頻組網上，可采用D/E頻段雙頻組網的方式來徹底避免同頻組網的干擾問題，但D/E頻段的覆蓋較弱且帶來較大的干擾提升。五是在天線配置上，可增大現有天線下傾角可以減低大氣波導的影響，但會降低覆蓋范圍；另外可更換高增益天線，或通過增加天線頂部吸波材料罩等方式來降低頂部的天線旁瓣輻射功率，降低大氣波導的作用范圍。

在干擾定位方面，同頻多信號的干擾特征使得傳統的定位手段大多不適用或性能顯著降低，必須采用空間譜等具備同頻信號分離的手段；其他的手段包括在干擾信號較強時，直接解析全球惟一小區識別碼來定位基站；或通過增加特殊序列來用于定位基站，但該方法會降低資源開銷且不具有廠家適用性。

3 近一步工作展望

基于上述研究現狀和具體的應用需求，針對大氣波導傳播機理研究及對典型用頻系統的影響研究，可以考慮在未來的工作中，開展如下的研究方向。

3.1 大氣波導傳播機理研究

（1）大氣波導時空分布規律研究與驗證。未來的研究工作主要內容可考慮為依托高分辨率、覆蓋全面、更新及時的氣象參數同化數據庫[12]，對現有主流的NPS、PJ、BYC等大氣波導預測模型進行綜合評估與研究，并對典型陸地、海洋等地形地貌進行預測模型的改進，給出分辨率、精確度更高的大氣波導時空分布規律統計計算方法。在驗證方面，如果條件允許，可在中國近海選擇典型實驗鏈路，開展蒸發波導環境特性及微波傳播特性的長期同步觀測，進一步驗證和完善中國近海的蒸發波導時空分布規律。另外對于部分參數的誤差規律及產生原因，還有待進一步的深入分析。

（2）大氣波導短期預報方法研究。未來的研究工作主要可考慮為針對各類典型的大氣波導監測數據，對典型的NPF、WPS模型進行改進，并研究針對特定區域（海域）的差異化參數優化方案，力爭建立針對不同地形地貌和天氣特征下的新型或改進模型，以進一步提升特定環境下的短波波導短期預報方法的準確度。同時，還可考慮進一步同化探空觀測數據、地面觀測數據、船舶觀測數據和衛星觀測數據，研究其同化范疇和同化方法，從而高效、準確的將這些數據同化到蒸發波導短期預報方法之中。

（3）大氣波導電磁傳播理論與模型研究。未來的研究工作可考慮通過對各類典型應用場景下大氣波導傳播參數的統計特性規律，進一步針對各類典型應用場景，建立數值或解析方式信道模型，給出場強分布、傳播路徑、適用頻率等關鍵模型參數，并通過實際場景進行驗證。

3.2 大氣波導對典型用頻系統的影響研究

3.2.1 蒸發波導對海面超視距通信雷達系統的應用研究

（1）蒸發波導海面干擾影響技術研究。該項研究主要基于后報現報的高分辨率時空分布模型、電磁傳播模型及短期預報模型，結合當前各類船載雷達、通信電子系統的具體技術參數例如發射功率、使用頻率、通信體制等，以及典型的場景，例如典型天氣、氣壓、濕度、地理位置，定量研究蒸發波導對各類典型用頻系統的影響，并對相應設施的環境適用性進行系統評估，給出可靠的作用距離、作用時間和適用范圍，從而提升各類軍、民用海面用頻系統的可靠性。

（2）基于蒸發波導的超視距通信技術研究?；谡舭l波導的電磁傳播模型，結合現有典型雷達與通訊設施的主要特性，探索進行雷達探測及通信的具體方案，給出針對典型應用場景的典型參數選取方法，包括作用距離、低空探測目標、可用頻率、適宜功率、通信體制、調制方式等主要特征，在此基礎上構建超視距通信綜合輔助決策系統，實現各類用頻設備參數的最優化選取，從而形成各類超視距雷達探測與通信的應用方案。

3.2.2 大氣波導對TDD通信系統的影響研究

（1）自適應多天線應用于大氣波導干擾緩解技術研究。探索在5G移動通信中，根據大氣波導的現報和預報數據，采用MIMO自適應波束形成技術動態調整天線波束進行大氣波導干擾緩解的方法，基于覆蓋范圍最大化和干擾最小化的多目標原則，給出典型應用場景下的控制策略。

（2）大氣波導干擾緩解的功率控制策略研究。基于大氣波導的現報和預報數據，基于傳輸速率最大化、干擾和發射功率最小化的準則，采用各類優化工具，給出典型應用場景下，上下行信道的動態功率的控制策略和實施步驟。

（3）異頻組網和載波聚合技術應用于大氣波導干擾緩解技術研究。根據大氣波導的現報與預報數據，基于傳輸速率最大化、干擾和頻率資源開銷最小化的準則，給出典型應用場景下進行異頻組網的頻率選擇、復用方式等選取策略，以及采用載波聚合技術的可行子載波分配及聚合的方案。

（4）物理層與MAC層編碼及調度策略應用于大氣波導干擾緩解技術研究。根據大氣波導的現報與預報數據，針對典型應用場景，優化自適應信道估計、編碼速率與調制方式選擇的物理層處理算法，實現解調可靠性與數據吞吐量的最大化；探索自適應子幀配比調整、關斷的策略與實施步驟，實現資源開銷最小化與干擾緩解最大化的目標。

4 結語與展望

繼續加強大氣波導參數估計、時空分布規律、短期預報方法、信道傳播模型等方面的研究，提升精細化、準確化水平及時效性，并探索中長期預報的可行性，可使我國掌握第一手的大氣波導綜合數據，為后續干擾緩解、超視距通信及雷達探測等應用工作的研究奠定必要的基礎。

現有海軍的作戰編隊需要對陌生的高威脅作戰海域實現大范圍的高效立體監測，研究大氣波導異態場景下海面通信、雷達等典型用頻設施的可靠作用距離，減少甚至規避探測和通信盲區，并探索利用大氣波導進一步擴大作用范圍的超視距通信和雷達探測方法，將會使我國海軍在在復雜電磁環境及氣象條件下的綜合信息化作戰水平邁上新臺階；同時，針對5G移動通信為代表的TDD通信模式的大氣波導干擾問題，從自適應天線技術、功率控制技術、編碼技術、異頻組網和載波聚合技術等方面開展應用化研究，將會有效緩解沿海地區公眾移動通信的大氣波導干擾問題，顯著提升我國公眾移動通信系統在異態傳播環境下的可靠性和傳輸效率，進一步提升綜合移動通信服務能力。