郭相明 林樂(lè)科 趙棟梁 劉永勝 張利軍 康士峰

（1. 中國(guó)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(yàn)室，青島 266107；2. 中國(guó)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?yàn)閷?duì)流層散射、大氣波導(dǎo)、繞射和層反射，有時(shí)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(duì)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(zhǎng)的選擇. 受海上測(cè)量條件的限制，很難通過(guò)直接測(cè)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(guò)蒸發(fā)波導(dǎo)模型實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的診斷，即通過(guò)測(cè)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(lái)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(kāi)始，隨著近地層相似理論發(fā)展和試驗(yàn)的開(kāi)展，相繼提出了多個(gè)蒸發(fā)波導(dǎo)模型[8-9].其中Paulus 提出的PJ模型[10]和美國(guó)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(guó)高級(jí)折射影響預(yù)報(bào)系統(tǒng)（advanced refractive effects prediction system,AREPS）中.

針對(duì)海上對(duì)流層電波傳播數(shù)值計(jì)算，從20世紀(jì)40年以來(lái)，研究人員相繼提出了基于波導(dǎo)模理論的計(jì)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(jì)算海上大氣波導(dǎo)超視距傳播的主要方法. 同時(shí)，相關(guān)研究人員基于實(shí)際測(cè)量的海上傳播試驗(yàn)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(jì)算時(shí)，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(jì)算的先決條件. 受海上試驗(yàn)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(guó)外相關(guān)研究人員利用不同海域單點(diǎn)測(cè)量的水文氣象和海上傳播鏈路數(shù)據(jù)[14-15]，對(duì)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(duì)比結(jié)果表明，PJ和NPS模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)海洋蒸發(fā)波導(dǎo)，同時(shí)在不同海域，不同大氣條件、工作頻率、路徑長(zhǎng)度下具有不同的預(yù)測(cè)精度. 長(zhǎng)期以來(lái)，由于試驗(yàn)條件的限制，國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)比了目前常用的幾種蒸發(fā)波導(dǎo)模型在我國(guó)渤海海域的適用性，結(jié)果表明PJ和NPS模型的預(yù)測(cè)精度較高. 田斌、郭相明等人也根據(jù)海上試驗(yàn)采集的波導(dǎo)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了蒸發(fā)波導(dǎo)PJ模型和NPS模型在我國(guó)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(shí)，李磊、張利軍等人利用短期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)不同模型在海上電波傳播損耗計(jì)算中的應(yīng)用開(kāi)展了初步研究[19-20]，但針對(duì)不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型在海上超視距傳播的對(duì)比研究還未開(kāi)展.

因此，本文利用我國(guó)南海海上平臺(tái)的實(shí)測(cè)水文氣象參數(shù)，對(duì)比PJ和NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型，同時(shí)利用在我國(guó)南海湛江附近海域開(kāi)展的海上超視距傳播試驗(yàn)，對(duì)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(jì)算上的精度，所得結(jié)果可對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)模型的選擇，利用單點(diǎn)測(cè)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(cè)等提供指導(dǎo).

1 海洋蒸發(fā)波導(dǎo)與超視距傳播損耗測(cè)量

2017年11 月到12月期間，在我國(guó)廣東湛江、茂名和陽(yáng)江附近海域開(kāi)展了海上蒸發(fā)波導(dǎo)的超視距傳播試驗(yàn)，試驗(yàn)鏈路和海上測(cè)試平臺(tái)位置如圖1所示. 試驗(yàn)中利用茂名的南海海上綜合觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)測(cè)量. 該觀測(cè)平臺(tái)距離海岸約6.5 km，是我國(guó)第一個(gè)海洋氣象綜合觀測(cè)平臺(tái)，觀測(cè)平臺(tái)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(guò)程的觀測(cè). 試驗(yàn)期間在平臺(tái)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(yàn)海區(qū)水文氣象參數(shù)的測(cè)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(yàn)采用固定距離與流動(dòng)距離傳播試驗(yàn)相結(jié)合的方式開(kāi)展. 試驗(yàn)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(hào)的發(fā)射和接收試驗(yàn). 同時(shí)利用美國(guó)NI公司的軟件無(wú)線電平臺(tái)開(kāi)展了湛江東海島到吉兆灣、湛江中國(guó)第一灘、茂名博賀港、陽(yáng)江海陵島的短期流動(dòng)超視距傳播與信道測(cè)量，對(duì)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(cè)試平臺(tái)具體信息如表1所示.

圖1 試驗(yàn)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(yàn)中湛江東海島到吉兆灣為固定試驗(yàn)鏈路，連續(xù)測(cè)量時(shí)間近一個(gè)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(cè)量的傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(hào)的接收，然后進(jìn)行信號(hào)功率接收，同時(shí)利用筆記本電腦實(shí)時(shí)記錄接收信號(hào)功率，數(shù)據(jù)記錄頻率為15 Hz. 試驗(yàn)中發(fā)射天線和接收天線位于海面上約2 m高度. 則試驗(yàn)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(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.1 蒸發(fā)波導(dǎo)模型對(duì)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(jì)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(cè)平臺(tái)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(duì)測(cè)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(jì)算對(duì)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(jì)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(duì)比，表2給出了兩種模型蒸發(fā)波導(dǎo)高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果和不同大氣穩(wěn)定條件下的計(jì)算結(jié)果. 從圖2和表2可以看出：在不穩(wěn)定大氣條件時(shí)（大氣溫度小于海表溫度），PJ和NPS蒸發(fā)波導(dǎo)模型預(yù)測(cè)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(cè)的波導(dǎo)高度往往小于PJ模型；在穩(wěn)定大氣條件時(shí)（大氣溫度大于海表溫度），兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果差異較大，NPS模型預(yù)測(cè)的波導(dǎo)高度往往大于PJ模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，并且NPS模型預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果可能存在較大的誤差，在后面?zhèn)鞑p耗的計(jì)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(duì)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(jì)對(duì)比Tab. 2 Statistical comparison of PJ and NPS evaporation waveguide models

2.2 路徑損耗對(duì)比

針對(duì)海洋蒸發(fā)波導(dǎo)的超視距傳播損耗預(yù)測(cè)，受觀測(cè)條件的限制，在海上通過(guò)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(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的. 海上蒸發(fā)波導(dǎo)傳播損耗的預(yù)測(cè)，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(jì)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(duì)試驗(yàn)中測(cè)量的路徑損耗進(jìn)行10 min平均，同時(shí)分別利用PJ和NPS模型計(jì)算近海面大氣折射率剖面，輸入到拋物方程算法中，計(jì)算對(duì)應(yīng)的路徑損耗，并與實(shí)測(cè)路徑損耗進(jìn)行對(duì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比，其中平均誤差和均方根誤差的計(jì)算采用實(shí)測(cè)值減去預(yù)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算. 從圖3、圖4和表3可以看出，利用單點(diǎn)測(cè)量水文氣象參數(shù)，預(yù)測(cè)的傳播損耗一般小于實(shí)際測(cè)量的路徑損耗，并且NPS模型預(yù)測(cè)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(shí)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(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)比. 其中海風(fēng)對(duì)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(cè)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(cè)精度要優(yōu)于PJ模型的精度. 在穩(wěn)定大氣時(shí)，兩種模型的預(yù)測(cè)精度都不理想. 海風(fēng)和陸風(fēng)條件下的對(duì)比可以看出，NPS模型在海風(fēng)和陸風(fēng)條件的預(yù)測(cè)精度相當(dāng)，但PJ模型在海風(fēng)和陸風(fēng)條件的預(yù)測(cè)精度差異較大，這可能是因?yàn)樵诜€(wěn)定大氣條件下PJ模型對(duì)預(yù)測(cè)的波導(dǎo)高度進(jìn)行修正導(dǎo)致預(yù)測(cè)的波導(dǎo)高度較低，同時(shí)在陸風(fēng)大氣環(huán)境下對(duì)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(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相差較大.

圖3 PJ模型預(yù)測(cè)與測(cè)量路徑損耗對(duì)比Fig. 3 Comparison of PJ model prediction and measurement path loss

圖4 NPS模型預(yù)測(cè)與測(cè)量路徑損耗對(duì)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(jì)中，路徑傳播損耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[22]. 例如ITU-R.617-4[23]模型中給出了不同時(shí)間概率下的對(duì)流層散射傳播損耗的計(jì)算方法，為對(duì)流層散射通信鏈路的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供服務(wù). 針對(duì)利用蒸發(fā)波導(dǎo)超視距通信鏈路的設(shè)計(jì)同樣需要傳播路徑損耗的統(tǒng)計(jì)分布情況，圖5給出了測(cè)量的路徑損耗累積分布，同時(shí)給出了利用蒸發(fā)波導(dǎo)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果.從圖5可以看出，利用單點(diǎn)測(cè)量的水文氣象參數(shù)，NPS模型相對(duì)PJ模型有較好的預(yù)測(cè)精度，但在大部分時(shí)間概率下預(yù)測(cè)的累積傳播損耗一般小于實(shí)際測(cè)量的預(yù)測(cè)損耗，PJ和NPS模型預(yù)測(cè)的中值損耗與實(shí)際測(cè)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(zhǎng)期單點(diǎn)測(cè)量的水文氣象參數(shù)進(jìn)行路徑損耗計(jì)算并進(jìn)行通信鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮預(yù)測(cè)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(cè)量與預(yù)測(cè)路徑損耗對(duì)比Tab. 3 Comparison of measured and predicted path losses under different atmospheric conditions

圖5 測(cè)量與預(yù)測(cè)的路徑損耗累積分布對(duì)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(duì)海上無(wú)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(cè)量，是目前進(jìn)行傳播鏈路路徑損耗預(yù)測(cè)的主要途徑. 本文利用海上平臺(tái)約7個(gè)月的水文測(cè)量數(shù)據(jù)和約1個(gè)月的路徑損耗數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)結(jié)果進(jìn)行了初步對(duì)比，結(jié)果顯示：

1）在不穩(wěn)定大氣條件時(shí)PJ和NPS模型預(yù)測(cè)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度一致性較好，通常NPS模型預(yù)測(cè)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度小于PJ模型，但在穩(wěn)定大氣時(shí)預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)，二者在穩(wěn)定大氣時(shí)預(yù)測(cè)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(cè)還不準(zhǔn)確，需要進(jìn)一步改進(jìn).

3）路徑損耗的統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果表明，PJ和NPS模型預(yù)測(cè)的傳播損耗往往小于實(shí)際測(cè)量值，這兩種模型預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)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(wú)線電系統(tǒng)的規(guī)劃時(shí)，需要考慮預(yù)測(cè)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(yàn)條件的限制，僅利用固定鏈路開(kāi)展蒸發(fā)波導(dǎo)模型在C波段傳播試驗(yàn)中的對(duì)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(kāi)展不同蒸發(fā)波導(dǎo)模型的研究，開(kāi)展不同頻率和距離下的蒸發(fā)波導(dǎo)傳播試驗(yàn)，并結(jié)合具體的海域和工作參數(shù)開(kāi)展更加深入的分析和比較研究.