基于射線追蹤理論的超視距通信盲區(qū)分布研究

高　超，周　朋

(海軍91404部隊，河北 秦皇島　066000)

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基于射線追蹤理論的超視距通信盲區(qū)分布研究

高超，周朋

(海軍91404部隊，河北 秦皇島066000)

摘要：針對大氣波導環(huán)境下艦載超視距通信過程中通信電磁盲區(qū)的存在會造成通信信號的中斷，使處于盲區(qū)內(nèi)的目標無法接收信號的問題。利用射線追蹤理論研究電磁波在波導環(huán)境下的傳播特征，仿真分析了通信系統(tǒng)不同發(fā)射參數(shù)變化對電磁盲區(qū)分布的影響。仿真結果表明：對大氣波導頂端通信電磁盲區(qū)影響較大的是發(fā)射天線高度和發(fā)射仰角的變化，而減小發(fā)射仰角對第一個跳躍點的跳躍盲區(qū)影響較大。

關鍵詞：大氣波導；通信盲區(qū)；射線追蹤方程

本文引用格式：高超，周朋.基于射線追蹤理論的超視距通信盲區(qū)分布研究[J].兵器裝備工程學報，2016(1):132-135.

Citation format:GAO Chao, ZHOU Peng.Distribution of OTH Communications Blackout on the Theory of Ray Tracing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):132-135.

大氣波導是由于大氣異常折射而形成的一類特殊的大氣現(xiàn)象，可以使電磁波陷獲在波導層內(nèi)，導致電磁波的異常傳播，對通信等電子系統(tǒng)產(chǎn)生較嚴重的影響[1-2]。目前，在描述波導中電磁波傳播特性上主要采用拋物線方程法、射線追蹤法、模理論以及多種混合算法等方法[3-5]，本研究采用射線追蹤法來描述電磁波在大氣波導中的傳播特征。通信盲區(qū)則是指在電磁波傳播范圍內(nèi)通信信號沒有覆蓋到的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的目標無法進行有效通信。我國專家學者對大氣波導電磁盲區(qū)有一定的研究，大多結合雷達探測系統(tǒng)[6-7]，對艦載超視距通信電磁盲區(qū)方面研究較少，且沒有對通信盲區(qū)的分布特征方面專門的研究，本文對通信裝備不同發(fā)射參數(shù)對盲區(qū)分布的影響進行研究。

1大氣波導和艦載超視距通信

1.1大氣波導現(xiàn)象

電磁波在大氣環(huán)境中傳播時由于受到大氣折射的影響，電磁波會發(fā)生折射現(xiàn)象，不同折射類型可用大氣修正折射指數(shù)M隨高度的垂直變化來表征，M與大氣折射指數(shù)N關系如下：

(1)

式中：z為地面以上高度；D、E為經(jīng)驗常數(shù)；P為氣壓；T為氣溫；e為水汽壓。當滿足大氣修正折射指數(shù)垂直梯度dM/dh<0時，該層內(nèi)的電磁波會出現(xiàn)陷獲折射現(xiàn)象，電磁波傳播路徑的曲率會超過地球表面的曲率，電磁波射線將會嚴重彎曲，該大氣層稱為陷獲層。大氣中出現(xiàn)陷獲折射時，電磁波會被陷獲在一定厚度的大氣層內(nèi)經(jīng)該層上下邊界來回反射向前傳播，就像電磁波在金屬導管中傳播一樣，這種傳播稱為大氣波導傳播，形成大氣波導傳播的一定厚度的大氣層，稱為大氣波導[8]。大氣波導的出現(xiàn)，可使其中的電磁波以較少的損耗沿波導傳播，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的影響。

1.2艦載超視距通信盲區(qū)

滿足一定條件的電磁波形成大氣波導傳播過程中，使傳播距離增加，實現(xiàn)電磁波的超視距通信，同時，受陷獲作用的影響，將會產(chǎn)生通信盲區(qū)。

大氣波導環(huán)境下艦載超視距通信電磁波傳播特征如圖1所示，可以看出，一定波束寬度的電磁波傳播到大氣波導頂端時，滿足電磁波形成波導傳播條件的電磁波射線會向波導層內(nèi)彎曲形成波導傳播，不滿足條件的電磁波會穿透波導頂層向上繼續(xù)傳播，而在穿透波導層頂?shù)碾姶挪ㄖ獾膮^(qū)域內(nèi)，沒有到達的電磁波，在此區(qū)域會形成通信盲區(qū)，稱為波導頂端盲區(qū)；同時，在波導下方距發(fā)射源較近的一段空間內(nèi)，電磁波受波速寬度的限制，陷獲在波導層內(nèi)的電磁波沿上下邊界往返向前傳播，而在距發(fā)射源較近的區(qū)域內(nèi)，電磁波的傳播跳過了此區(qū)域，因此也形成了通信盲區(qū)，稱作跳躍盲區(qū)。大氣波導形成的跳躍盲區(qū)在第一個跳躍區(qū)較明顯，隨傳播距離的增加以及海面的反射作用，電磁波隨傳播方向會覆蓋到整個區(qū)域，后續(xù)的跳躍盲區(qū)會逐漸減弱甚至消失，因此，在研究大氣波導跳躍盲區(qū)過程中，主要考慮第一個跳躍盲區(qū)帶來的影響。

圖1　大氣波導電磁盲區(qū)

艦載通信系統(tǒng)利用大氣波導進行超視距通信過程中，通信盲區(qū)的影響明顯，處于盲區(qū)內(nèi)的目標，無法準確完整地接收到通信信號。影響通信盲區(qū)位置范圍變化的因素較多，不僅包括發(fā)射源發(fā)射參數(shù)如頻率、仰角等帶來的影響，還受到自然環(huán)境因素對電磁波的反射、散射等因素的影響。因此通信盲區(qū)分布情況較為復雜，影響因素較多。本研究在分析波導環(huán)境下電磁波傳播特征的基礎上，研究發(fā)射參數(shù)對通信盲區(qū)位置分布變化的影響。

2射線追蹤理論

射線追蹤法是將發(fā)射點看作是點源，由發(fā)射點發(fā)出的電磁波看作是向各個方向發(fā)射的射線，再對每條射線進行追蹤，最后在接收點將各條射線進行合并，實現(xiàn)對場強的跟蹤與預測[9]。射線追蹤方程可以描繪電磁波射線傳播軌跡，其成立的前提條件是大氣修正折射指數(shù)隨高度是線性變化的[10]，假設大氣修正折射指數(shù)垂直梯度為K，即

dM/dh=K

(2)

球面分層大氣中的Snell定理為

nrcosθ=ncrccosθc

(3)

式中：nc、rc、θc分別為發(fā)射源位置處的大氣折射指數(shù)、距地心的距離以及電磁波的射線仰角；n、r、θ為電磁波傳播到某個位置時對應的物理量。根據(jù)式(3)給出的射線軌跡方程在波導層內(nèi)進行射線追蹤描跡時，需考慮射線傳播高度的判斷，使結果變得相對復雜，通常使用Snell定理的二階泰勒近似模式來進行低仰角的射線描跡[11]，則式(3)可近似為

Mcosθ=Mccosθc

(4)

式中Mc分別為發(fā)射源位置處的大氣修正折射指數(shù)。

電磁波射線在傳播過程中，任取某兩點，位置距發(fā)射源分別為r1、r2，距離地面高度為z1、z2，射線的局地仰角為ψ1、ψ2，兩點的大氣修正折射指數(shù)分別為M1、M2。根據(jù)Snell定理，射線的局地仰角很小的情況下有

(5)

由于大氣修正折射指數(shù)隨高度是線性變化的，所以

(6)

因此可以得到

(7)

式(7)對應的微分方程為

dM/dz=φdφ/dz×106

(8)

因為電磁波射線的局地仰角很小，因此有

(9)

由式(8)、式(9)可得

Kdr=dφ×106

(10)

對式(10)積分可以得到

(11)

在已知大氣修正折射指數(shù)垂直梯度K(m-1)、初始仰角ψ1(rad)和初始高度z1(m)、傳播距離r2-r1(m)時，利用式(7)和式(11)就可以確定電磁波射線的傳播軌跡。

3通信盲區(qū)分布影響因素研究

根據(jù)大氣波導環(huán)境下的電磁波變化特征，根據(jù)射線軌跡方程利用Matlab軟件仿真分析，研究在滿足波導傳播條件下的發(fā)射源位置以及發(fā)射仰角的變化分別對通信電磁盲區(qū)分布的影響。

3.1發(fā)射源位置

根據(jù)圖1選取天線發(fā)射參數(shù)，發(fā)射天線初始高度為11m，在其他條件一定的條件下，分別增加和降低發(fā)射源位置，得到不同發(fā)射天線高度情況下的電磁盲區(qū)變化情況。

增加發(fā)射源位置到15m仿真對比結果如圖2所示，仿真結果表明在發(fā)射源處于波導層內(nèi)時，隨發(fā)射源高度的增高，第一個跳躍區(qū)的電磁盲區(qū)位置范圍減??；處于波導頂端的電磁盲區(qū)初始位置變小，盲區(qū)的范圍增大。主要是由于發(fā)射源位置的提高，對應的發(fā)射源處波導強度在不斷減小，不能形成波導傳播的電磁波會在傳播較短距離后到達波導頂，穿透波導層繼續(xù)向上傳播，從而使波導頂端電磁盲區(qū)的位置減小、范圍增大。

圖2　增加發(fā)射源高度

發(fā)射天線位置降低至5m，仿真結果如圖3?？梢钥闯?，隨發(fā)射源高度的降低，跳躍盲區(qū)范圍增大；發(fā)射源所在高度處波導強度增大，初始仰角一定的電磁波在未到達波導頂端時就會發(fā)生全反射，因此，波導頂端電磁盲區(qū)高度降低，在垂直高度上盲區(qū)范圍增大，電磁盲區(qū)垂直高度范圍變化的大小由大氣修正折射指數(shù)垂直梯度的大小決定。

圖3　降低發(fā)射源高度

電磁波形成波導傳播條件之一是發(fā)射天線位于波導層內(nèi)或距離波導層較近的位置，根據(jù)圖2仿真結果可以看出，如果發(fā)射天線位置繼續(xù)增高，部分電磁波會跳出波導層向上傳播，波導對電磁波的陷獲能力減弱，因此，該仿真與實際條件一致。

3.2電磁波發(fā)射仰角

在其他條件不變的情況下，在小于臨界入射角的范圍內(nèi)，增大電磁波初始發(fā)射仰角，大氣波導電磁盲區(qū)變化情況如圖4所示。可以看出，隨發(fā)射仰角的增大，一部分原本被陷獲在波導層的電磁波在到達波導層頂時仰角仍大于零，會穿透波導頂層繼續(xù)向上傳播，使波導頂端盲區(qū)范圍略有減小，但在垂直范圍內(nèi)不變；同時，第一個跳躍區(qū)的電磁盲區(qū)范圍有所增加，但這種影響也同樣不明顯。

在其他條件不變的情況下，減小電磁波初始發(fā)射仰角，大氣波導電磁盲區(qū)變化情況如圖5所示，與增大電磁波發(fā)射仰角相比，減小發(fā)射仰角對電磁盲區(qū)的影響較大。隨發(fā)射仰角的減小，電磁波在未到達波導層頂時就會發(fā)生全反射，因此，在小于波導層頂所在高度的一定區(qū)域內(nèi)會形成電磁盲區(qū)，使波導頂端盲區(qū)在垂直范圍內(nèi)增大；同樣明顯可以看到，第一個跳躍點的跳躍盲區(qū)范圍也隨之明顯增加。

綜上所述，對大氣波導頂端電磁盲區(qū)影響較嚴重的主要是發(fā)射天線高度和發(fā)射仰角的變化，而減小發(fā)射仰角對第一個跳躍點的跳躍盲區(qū)影響較大。電磁波形成波導傳播條件之一是發(fā)射天線位于波導層內(nèi)或距離波導層較近的位置，根據(jù)圖2仿真結果可以看出，如果發(fā)射天線位置繼續(xù)增高，部分電磁波會跳出波導層向上傳播，波導對電磁波的陷獲能力減弱；且電磁波頻率越大、發(fā)射仰角越小，波導對電磁波的陷獲能力越強[10]，根據(jù)圖4、圖5的仿真結果，與實際波導環(huán)境下電磁波傳播特征一致。

圖4　增大電磁波發(fā)射仰角

圖5　減小電磁波發(fā)射仰角

從其中可以看出，穿過波導層在正常海洋大氣環(huán)境中向上傳播的電磁波，在各波束之間可能存在一定間隔，在一段距離范圍內(nèi)會產(chǎn)生電磁盲區(qū)；上述情況是在較為理想的條件下分析研究的，一些其他的因素，包括電磁波波束寬度、極化方式、海面特征等在實際大氣波導應用過程中需加以考慮。

4結論

本文研究大氣波導環(huán)境下電磁波傳播機制，依據(jù)射線追蹤理論，仿真分析波導條件下通信電磁盲區(qū)的分布特點和影響因素，得到不同發(fā)射天線高度、發(fā)射仰角對電磁盲區(qū)分布的影響結果，對通信系統(tǒng)超視距通信的理論研究及實際應用具有重要意義。

參考文獻：

[1]戎華,曲曉飛,高東華.大氣波導對電子系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的影響[J].現(xiàn)代雷達,2005,27(2):15-18.

[2]黃小毛,張永剛,羅寧,等.大氣波導對電磁波陷獲傳播影響的數(shù)值模擬和試驗驗證[J].微波學報,2007,23(增刊):177-184.

[3]HITNEYHV.Hybridrayopticsandparabolicequationmethodsforradarpropagationmodeling[C]//Proc.ofRadar92,IEEconf.[S.l.]:[s.n.],1992:58-61.

[4]胡繪斌.預測復雜環(huán)境下電波傳播特性的算法研究[D].長沙:國防科學技術大學,2006.

[5]郭建炎.復雜環(huán)境電波傳播的拋物方程法研究[D].廣州:中山大學,2008.

[6]焦林,張永剛.大氣波導條件下雷達電磁盲區(qū)的研究[J].西安電子科技大學學報:自然科學版,2004,31(5):815-820.

[7]左雷,涂擁軍,姚燦,等.海上大氣波導環(huán)境下艦載超視距雷達盲區(qū)研究[J].火力指揮與控制,2011,36(10):165-168.

[8]王海華.大氣波導環(huán)境中電波傳播特性及其應用研究[D].西安:西安電子科技大學,2006.

[9]馮琳琳,楊曉冬,王琢.室內(nèi)通信用泄漏同軸電纜輻射場的仿真研究[J].計算機仿真,2011,28(5):131-134.

[10]戴福山,李群,董雙林,等.大氣波導及其軍事應用[M].北京:解放軍出版社,2002:333-335.

[11]張金鵬.海上對流層波導的雷達海雜波/GPS信號反演方法研究[D].西安:西安電子科技大學,2012.

(責任編輯楊繼森)

【信息科學與控制工程】

Distribution of OTH Communications Blackout on

the Theory of Ray Tracing

GAO Chao, ZHOU Peng

(The No. 91404thTroop, Navy Academy, Dalian 066000, China)

Abstract:In the process of shipboard OTH communication atmospheric ducting environment, the existence communications electromagnetic blackout can cause communication interruption of signals, and the target within the blackout cannot receive signals. We researched electromagnetic wave propagation characteristics in the ducting environment that make the use of ray tracing theory, simulated and analyzed the effects of the varies different parameters of communications systems to electromagnetic blind distribution. According to the simulation results, the electromagnetic blind on top of the atmosphere ducting that has more serious effects is the change of the height of the transmitting antenna and transmitter elevation, and the decrease of transmitter elevation has greater impact on hopping blind of the first jump point.

Key words:atmospheric ducting; electromagnetic blind; ray tracing equation

文章編號：1006-0707(2016)01-0132-04

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.032

作者簡介：高超(1984—)，男，主要從事通信與通信對抗研究。

收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-07-02