蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下海上超視距通信應(yīng)用研究

周 朋

(中國人民解放軍 91404 部隊，河北 秦皇島 066000)

蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下海上超視距通信應(yīng)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(fā)波導(dǎo)預(yù)測方法：基于水文氣象條件的海上艦艇蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型選擇方法和基于 GPS 信號利用貝葉斯正則化 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演蒸發(fā)波導(dǎo)的方法；結(jié)合艦艇微波頻段通信模式及電磁波在蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的傳輸損耗，研究蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)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(jié)果表明蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下微波頻段通信可達(dá)視距范圍之外；研究超視距通信電磁盲區(qū)分布特征及影響因素；建立蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下艦艇超視距通信模型及應(yīng)用流程。結(jié)合實際海上通信需求，提出蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下艦艇海上超視距通信應(yīng)用。

蒸發(fā)波導(dǎo)；預(yù)測模型；超視距通信；通信模式

0 引 言

蒸發(fā)波導(dǎo)作為一種特殊類型的大氣波導(dǎo)，具有發(fā)生概率高、一般發(fā)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(tǒng)產(chǎn)生較大影響。在蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測方面，國內(nèi)外已形成多套成熟的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型[2–9]，目前主要的研究方向是蒸發(fā)波導(dǎo)的反演算法[9–10]和蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下超視距傳播特性研究[11–12]；在蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)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(fā)波導(dǎo)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(chǔ)之上得到的，應(yīng)用最為廣泛，相比于其他算法，是研究蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下電磁波傳播問題最穩(wěn)定、準(zhǔn)確的方法。在蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)合實際裝備應(yīng)用的研究方面，早期的很多試驗都是針對雷達(dá)探測系統(tǒng)，很多國家利用蒸發(fā)波導(dǎo)的超視距探測系統(tǒng)已經(jīng)在艦艇上列裝使用，很好地提高了雷達(dá)探測性能，而蒸發(fā)波導(dǎo)在通信領(lǐng)域應(yīng)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(fā)波導(dǎo)這一特殊的大氣現(xiàn)象，根據(jù)電磁波形成波導(dǎo)傳播的性質(zhì)變化，進行蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下海上微波超視距通信應(yīng)用研究。

1 蒸發(fā)波導(dǎo)有效預(yù)測

1.1 基于水文氣象條件預(yù)測模型

在利用水文氣象條件預(yù)測蒸發(fā)波導(dǎo)模型上，國外許多專家在20世紀(jì)70年代初已經(jīng)開始這方面的研究，比較有代表性的預(yù)測模型有美國的 Paulus-Jeske 提出并不斷修正的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型（P-J 模式）[6,8]、法國學(xué)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(xué)的 S. M. Babin提出的 Babin 模式[18]（也稱 A 模式）。我國在蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)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(fā)波導(dǎo)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(chǔ)上得到的，只是應(yīng)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(fā)波導(dǎo)的方法，稱為局地相似蒸發(fā)波導(dǎo)模式[2]。此外，我國的很多學(xué)者還對幾種傳統(tǒng)模式在我國海域的適應(yīng)性進行研究[19]，對蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型在我國海域的應(yīng)用研究起到了促進作用。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)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(yù)測蒸發(fā)波導(dǎo)：

1）在強穩(wěn)定層結(jié)海洋大氣環(huán)境時，選取局地相似理論的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模式。

2）在弱穩(wěn)定層結(jié)、中性層結(jié)以及不穩(wěn)定層結(jié)海洋大氣環(huán)境時選取 P-J 模式。

3）在極端不穩(wěn)定層結(jié)海洋大氣環(huán)境時選取 Babin模式。

Monin-Obukhov 相似理論不滿足強穩(wěn)定層結(jié)海洋大氣環(huán)境時的應(yīng)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(wěn)定層結(jié)海洋大氣環(huán)境時選取基于局地相似理論的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模式。

極端不穩(wěn)定層結(jié)多發(fā)生在晴好的海洋大氣環(huán)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(fēng)速海洋大氣環(huán)境下，風(fēng)速較小的大氣環(huán)境時，該模型預(yù)測效果最優(yōu)。

其他大氣層結(jié)的海洋大氣環(huán)境時，選用 P-J 模式。P-J 模式是目前蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測方面應(yīng)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(yù)報系統(tǒng)中，作為業(yè)務(wù)化預(yù)報模式投入實際應(yīng)用?？梢钥闯鲈?P-J 模式的應(yīng)用上有著成熟的先例與經(jīng)驗，而且通過前面的比較分析，在弱穩(wěn)定層結(jié)、中性層結(jié)以及不穩(wěn)定層結(jié)的海洋大氣環(huán)境時該模式在某些特定水文氣象環(huán)境下具有優(yōu)勢外，其他環(huán)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(fā)波導(dǎo)反演方法

在基于實測數(shù)據(jù)反演算法中，本節(jié)提出基于 GPS信號接收功率利用貝葉斯正則化訓(xùn)練方法的改進 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演蒸發(fā)波導(dǎo)的方法，考慮到實際海洋環(huán)境接收信號影響因素較多，對用來驗證反演結(jié)果的接收功率采用加干擾處理，以保證反演結(jié)果與實際環(huán)境相符，仿真條件及反演結(jié)果如表 1 所示。

表 1 GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 GPS satellite system parameter

本文將不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度出仿真得到的 GPS 信號接收功率與其對應(yīng)的波導(dǎo)高度分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)。由于蒸發(fā)波導(dǎo)高度一般不超過 40 m，因此本文選取目標(biāo)數(shù)據(jù)波導(dǎo)高度時，從 2 m至 40 m，波導(dǎo)高度采樣間距為 2 m，這樣可以得到 20個采樣點的蒸發(fā)波導(dǎo)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為 59 × 20的不同距離和波導(dǎo)高度處接收功率矩陣，目標(biāo)數(shù)據(jù)為1 × 20 的不同波導(dǎo)高度矩陣，根據(jù)上述輸入數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以波導(dǎo)高度為 15 m 和 25 m 的GPS 信號接收功率作為檢驗數(shù)據(jù)來驗證反演的準(zhǔn)確性，結(jié)果如表 2 所示。

表 2 反演高度計算結(jié)果Tab. 2 Inversion height result

根據(jù)表 2 的反演結(jié)果可以看出，在未加干擾情況下，反演結(jié)果與實際高度相差不大，相對誤差小于1%，結(jié)果精度較高；干擾情況下反演得到的波導(dǎo)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(nèi)，考慮到實際海洋氣象環(huán)境下噪聲等干擾不可避免，因此在存在干擾下的反演結(jié)果與實際環(huán)境更為接近。

本文提出的 2 種方法，分別適用于不同的環(huán)境條件：一是基于氣象水文條件的蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測方法理論研究較為成熟，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛，因此，在可以準(zhǔn)確完備的測量水文環(huán)境參數(shù)時，可以利用本方法預(yù)測蒸發(fā)波導(dǎo)；二是基于實測數(shù)據(jù)的蒸發(fā)波導(dǎo)反演算法也有，輸入數(shù)據(jù)單一，且獲取較為容易，預(yù)測速度快等優(yōu)點，因此，在可以有效接收實測數(shù)據(jù)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(huán)境下能夠?qū)Ｉ险舭l(fā)波導(dǎo)實時有效預(yù)測，為通信裝備對蒸發(fā)波導(dǎo)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 電磁波形成蒸發(fā)波導(dǎo)超視距傳播

當(dāng)海洋大氣環(huán)境中傳播的的電磁波產(chǎn)生陷獲折射現(xiàn)象時，會形成大氣波導(dǎo)，滿足電磁波形成大氣波導(dǎo)傳播還應(yīng)具備如下條件：

1）處于近地層的一定垂直高度范圍內(nèi)必須產(chǎn)生陷獲層，即大氣修正折射指數(shù)滿足

4）電磁波發(fā)射天線必須處于適當(dāng)位置，即滿足發(fā)射天線處于波導(dǎo)層高度范圍內(nèi)或距波導(dǎo)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(dǎo)傳播，與波長的大小有關(guān)，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(dǎo)，電磁波能夠形成大氣波導(dǎo)產(chǎn)生超視距傳輸?shù)淖畲蟛ㄩL叫做截止波長，記為，與截止波長對應(yīng)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(shù)梯度下，波導(dǎo)高度越高，所能捕獲的電磁波最低頻率越低；在相同蒸發(fā)波導(dǎo)高度下，大氣修正折射指數(shù)梯度越大，捕獲的電磁波最低頻率越低，說明蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波的陷獲能力越強。

2.2 臨界入射角

當(dāng)發(fā)射源在波導(dǎo)層內(nèi)以一定仰角向上發(fā)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(dǎo)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）?？傻茫?/p>

3 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)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(dǎo)傳播的電磁波隨傳播距離的傳播損耗，再結(jié)合通信系統(tǒng)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(dǎo)傳播模型的拋物線方程，進而定量估算出蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下電磁波傳輸損耗，結(jié)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(fā)波導(dǎo)超視距通信覆蓋距離，可以得到蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下微波信號最大有效通信距離[20]：

微波通信系統(tǒng)中，通常采用卡塞格倫天線，發(fā)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(dǎo)高度下接收功率隨傳播距離變化曲線，結(jié)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(fā)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(tǒng)可以實現(xiàn)有效通信；波導(dǎo)高度越高，電磁波傳播距離越遠(yuǎn)，有效通信范圍越大；只要選取適當(dāng)?shù)奶炀€發(fā)射頻率及電磁波發(fā)射仰角，利用蒸發(fā)波導(dǎo)可實現(xiàn)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(qū)

滿足一定條件的電磁波形成波導(dǎo)傳播過程中，能夠使傳播距離增加，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)生電磁盲區(qū)，如圖 2所示，主要包括波導(dǎo)頂端盲區(qū)和跳躍盲區(qū)。

根據(jù)波導(dǎo)環(huán)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(jié)果如圖 2 所示，選取波導(dǎo)高度為 15 m，發(fā)射天線高度約為 11 m，初始發(fā)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(dǎo)傳播條件下的發(fā)射源位置、發(fā)射仰角的變化分別對通信電磁盲區(qū)分布的影響。得到結(jié)論：對大氣波導(dǎo)頂端電磁盲區(qū)影響較嚴(yán)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。

4 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下超視距通信應(yīng)用研究

利用蒸發(fā)波導(dǎo)實現(xiàn)海上超視距通信，首先需要對蒸發(fā)波導(dǎo)進行有效預(yù)測，根據(jù)波導(dǎo)的特征，選擇能夠使電磁波實現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)傳播的通信裝備相關(guān)參數(shù)，進而實現(xiàn)海上信號的超視距傳輸及對傳輸性能的評估。本文根據(jù)上述對蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型及蒸發(fā)波導(dǎo)對艦載通信裝備的影響研究，提出蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下超視距通信模式如圖 3 所示。

首先根據(jù)艦載裝備的特點和海上環(huán)境特征選擇蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測方法對蒸發(fā)波導(dǎo)進行有效預(yù)測，在蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測系統(tǒng)中，本文提出 2 種預(yù)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(jù)實際情況選擇不同的預(yù)測方法：在海上溫度、風(fēng)速、濕度等氣象條件較容易獲取，或者無法接收 GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)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(fā)波導(dǎo)選擇方法；在海上水文氣象參數(shù)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(jù)預(yù)測得到的蒸發(fā)波導(dǎo)特征設(shè)置艦載天線系統(tǒng)的發(fā)射參數(shù)，通信系統(tǒng)參數(shù)的包括發(fā)射天線高度、發(fā)射頻率、發(fā)射仰角，選擇依據(jù)是根據(jù)預(yù)測得到的蒸發(fā)波導(dǎo)高度、強度等特征以及電磁波滿足波導(dǎo)傳播條件，結(jié)合實際環(huán)境的約束，對艦載通信裝備發(fā)射參數(shù)進行選擇。微波通信系統(tǒng)天線高度的設(shè)定，遵循的原則是天線高度盡量不大于預(yù)測得到的蒸發(fā)波導(dǎo)高度。發(fā)射源較低時波導(dǎo)對電磁波的陷獲作用更強，同時波導(dǎo)頂端通信盲區(qū)的范圍也更大，因此，可以參考接收天線的高度來決定發(fā)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(dǎo)通信盲區(qū)范圍內(nèi)，結(jié)合裝備可調(diào)整程度及環(huán)境因素限制來設(shè)置發(fā)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(dǎo)對電磁波有較強的陷獲作用，實現(xiàn)了蒸發(fā)波導(dǎo)的高效利用；能形成蒸發(fā)波導(dǎo)傳播的最低陷獲頻率由波導(dǎo)高度、強度等因素決定，滿足發(fā)射頻率高于最低陷獲頻率條件下，發(fā)射頻率越大，海上超視距通信距離就越遠(yuǎn)，因此，可根據(jù)計算得到的有效通信距離結(jié)合收發(fā)天線的間距調(diào)整發(fā)射頻率的大小，只要能滿足電磁波在此區(qū)間內(nèi)有效傳播即可，這樣，即可達(dá)到有效通信的目的，又能夠增強系統(tǒng)的反偵察干擾能力；根據(jù)電磁波滿足波導(dǎo)超視距傳輸條件，通信系統(tǒng)發(fā)射天線仰角要小于蒸發(fā)波導(dǎo)臨界入射角，臨界入射角較小，一般為 1° 左右，因此，通信系統(tǒng)天線首要選擇小角度發(fā)射信號。同時，通信發(fā)射天線可根據(jù)預(yù)想達(dá)到的有效通信距離，調(diào)節(jié)發(fā)射頻率與仰角，以達(dá)到最佳的通信效果[22]。

微波超視距傳輸系統(tǒng)可以計算得到最大有效通信距離及超視距通信盲區(qū)分布特征。上述因素可為通信裝備發(fā)射參數(shù)的選擇提供反饋信息和調(diào)整依據(jù)，結(jié)合實際通信的需求對參數(shù)進行調(diào)整，直至達(dá)到最佳通信效果為止。

蒸發(fā)波導(dǎo)超視距通信可應(yīng)用于航母戰(zhàn)斗群、水面艦艇編隊等，增強艦艇編隊?wèi)?zhàn)法運用的靈活性；蒸發(fā)波導(dǎo)超視距通信也可應(yīng)用于反潛戰(zhàn)飛機，使反潛機在視距之外執(zhí)行任務(wù)時，使用微波頻段仍能與母艦保持通信聯(lián)絡(luò)，提高反潛機的作戰(zhàn)能力[24]。利用蒸發(fā)波導(dǎo)超視距通信時，應(yīng)盡量減小電磁盲區(qū)的影響，天線頂端處于頂端盲區(qū)的目標(biāo)，可適當(dāng)調(diào)整天線位置避開電磁盲區(qū)的干擾；通過改變電磁波發(fā)射參數(shù)，例如在超視距通信范圍內(nèi)改變發(fā)射頻率，使跳躍盲區(qū)覆蓋區(qū)域改變，跳過目標(biāo)所在位置；或在允許范圍內(nèi)移動目標(biāo)位置來降低跳躍盲區(qū)的影響，達(dá)到最佳效果。同樣，蒸發(fā)波導(dǎo)通信電磁盲區(qū)也是我方對敵海上通信進行干擾的突破口，執(zhí)行偵察任務(wù)的飛機可沿波導(dǎo)頂層上方隱蔽前進，進行隱蔽偵察。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)蒸發(fā)波導(dǎo)條件下電磁波傳播特性，提出了基于蒸發(fā)波導(dǎo)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(jié)果驗證蒸發(fā)波導(dǎo)條件下微波頻段可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，通信覆蓋范圍可到達(dá)視距之外。在實際應(yīng)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(tǒng)應(yīng)用能力具有重要指導(dǎo)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(tǒng)。