跨海微波超視距遠(yuǎn)距離傳播試驗研究

唐舟江

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

隨著海上石油開采應(yīng)用的迅速發(fā)展，對新型海上寬帶遠(yuǎn)程通信技術(shù)的需求急劇增加。由于海水蒸發(fā)，在大氣表層形成蒸發(fā)通道。蒸發(fā)導(dǎo)管的行為就像波導(dǎo)管一樣，會對微波儀器產(chǎn)生巨大影響，尤其是那些在C波段和X 波段工作的微波儀器。蒸發(fā)導(dǎo)管會導(dǎo)致信號衰減減弱，可用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程海上寬帶通信。蒸發(fā)管已被用于建立多個超高頻海上寬帶微波鏈路。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 測量活動

在南海上空建立了為期54 天的長期超視距微波傳播鏈路。測量于2021 年9 月20 日至11 月22 日進(jìn)行，10 月1-10 日系統(tǒng)關(guān)閉時中斷。專門開發(fā)了X 波段EM傳播系統(tǒng)，可以全天運(yùn)行，自動記錄傳播特性的數(shù)據(jù)。記錄了PL 數(shù)據(jù)和風(fēng)速（wS）、氣溫（AT）、相對濕度（RH）和氣壓（AP）等氣象參數(shù)。對于本研究中使用的測量數(shù)據(jù)，接收器（Rx）部署在海南省測試點（S1），發(fā)射器（Tx）部署在海南測試點（S2）。傳播鏈路的長度約為133km。對于本次測量中的天線高度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣中，視距為D=4.12×（√h+h）=4.12×（√6+√3）=17.2km，其中h 為Tx 高度，h 為Rx 高度。鏈路長度大約是視線長度的7.7 倍。P1、P2、P3 和P4 是沿傳播鏈路的重新分析氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)格點，用于模擬分析。

為了統(tǒng)計分析這種超視距鏈路的可連接概率，并為其他電磁學(xué)系統(tǒng)提供參考，使用系統(tǒng)參數(shù)和以下方程，從RSL 轉(zhuǎn)換PL：PL=Pt+Gt+Gr-SL-RSL。其中，P 是Tx 功率（42dBm），Gt 是Tx 天線增益（7dBi），G 是Rx 天線增益（20dBi）。P 是Rx 放大器增益（30dB），SL 是系統(tǒng)損耗（10dB），RSL（dB）是接收信號電平。

1.2 再分析數(shù)據(jù)

再分析數(shù)據(jù)用于確定氣象參數(shù)的變化，并模擬長期均勻蒸發(fā)管道環(huán)境，用于分析超視距電磁傳播。本研究使用了ECMWFERA5 數(shù)據(jù)，這是ECMWF 全球氣候和天氣產(chǎn)品的第五代，時間覆蓋范圍從1979 年到現(xiàn)在。ERA5 數(shù)據(jù)集的時間分辨率為1 小時，水平分辨率為0.25°×0.25°。ERA5 數(shù)據(jù)已被廣泛使用，并被驗證適用于研究蒸發(fā)管道分布。提取2m 高度的AT、10m 高度的AP、WS、1000 百帕的RH 和海面溫度（SST）的參數(shù)，以模擬測量過程中的EDH 分布[1]。

1.3 蒸發(fā)管道模型

由于海洋蒸發(fā)管道的捕獲效應(yīng)，大氣微波頻率通常會遇到長程傳播機(jī)制。電磁輻射在大氣中的傳播取決于空氣的折射率n，由于壓力、溫度和水蒸氣含量的變化，空氣在對流層中的折射率會發(fā)生變化。折射率n是傳播介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)，定義為真空中的光速Co和通過介質(zhì)的波的速度V 之間的關(guān)系。對于無線電波，對流層的折射率是基于德拜理論給出的：

式中，T（K）表示空氣溫度，P（hPa）表示總大氣壓力，e（hPa）表示水蒸氣的分壓。水蒸氣的分壓e可以使用以下方程從比濕度導(dǎo)出：

其中q（kg/kg）表示比濕度，c 是干燥空氣的單個氣體常數(shù)與水蒸氣的單個氣體常量的比值。

在對流層中，折射率在1.000250 到1.0000400n單位之間變化。由于它非常接近一，對流層的折射率由一個稱為無線電折射率N的量表示，該量由下式給出：

在管道條件下，EM 傳播被折射到地球表面，從而被困在一層中。為了確定這些條件，通常使用考慮地球表面曲率的量修正折射率M。修正折射率由以下公式定義：

其中re（m）是地球的半徑，z（m）則是海拔高度。在垂直斜率為M 的負(fù)區(qū)域，EM 傳播向表面折射，并可能被困在泄漏的大氣管道中[2]。本研究使用NAVSLaM來診斷蒸發(fā)管道分布。

如方程（3）和（4）所示，需要水蒸氣剖面的壓力、溫度和部分壓力來計算M-剖面。NAVSLaM 模型從以下方程中得出這些輪廓：

其中T（z）和q（z）是海面上方任意高度z 處的溫度和比濕度。zoe 和zoq 分別表示稱為溫度和比濕粗糙長度的積分常數(shù)。0.和q-分別是Monin-Obukhov溫度和比濕度標(biāo)度參數(shù)。Zo0、Zoq、0 的值。和q-使用TOGACOARE3.0bulkflux 算法計算（Fairall 等人，2003）。K 是vonKarman 常數(shù)。T 是非絕熱失效率。L是奧布霍夫長度。w 表示溫度函數(shù)。g，R 分別對應(yīng)于重力加速度和氣體常數(shù)。T 是z 和z2 的虛擬溫度高度的平均值[3]。

將處理后的ERA5 數(shù)據(jù)輸入NAVSLaM，然后獲得測量期間蒸發(fā)管道的分布。

1.4 路徑損耗模型

對于自由空間微波傳播，PL 可以使用以下方程通過自由空間損耗來表示：

其中PLPSL是自由空間PL（dB），f是信號頻率（MHz），d 是傳播距離（km）。

對于海洋環(huán)境，不能忽略來自海面的反射，可以使用2-射線模型對PL 進(jìn)行建模。垂直偏振波的反射系數(shù)接近-1，并且可以簡化2-射線PL 模型如下：

其中PL2-ray射線是2-射線PL（dB），2 是波長（m），D是傳播距離（m）、ht是Tx高度（m）以及hr是Rxheight（m）。

微波在海面上的遠(yuǎn)距離傳播受到管道捕獲機(jī)制的極大影響。拋物方程（PE）方法已被廣泛用于預(yù)測球面中的EM 傳播。標(biāo)準(zhǔn)PE 可以從亥姆霍茲方程中獲得：

其中u 是電場的標(biāo)量分量，z 是高度，x 是范圍，ko是自由空間波數(shù)，M 是修正折射率。參數(shù)u 由PE 的傅立葉分步解給出，如下所示：

其中F 和F-1分別是傅立葉變換和傅立葉逆變換，p 是變換變量，δx 是范圍增量。關(guān)于傅立葉分步PE解決方案的更多詳細(xì)信息可以在Goldhirsh 和Dockery中找到。由PE 場函數(shù)u（PLPE）表示的PL 可以計算如下：

此外，APM 已在不同的管道環(huán)境中廣泛使用和測試。在本研究中，使用APM 來模擬蒸發(fā)管道不均勻性對EM傳播的影響[4]。

2 測量分析

2.1 測量數(shù)據(jù)

電磁傳播系統(tǒng)和自動氣象站已部署在南海沿岸地區(qū)。這些系統(tǒng)需要頻率為9.4GHz 的133km 超高頻鏈路的PL 以及AP、RH、WS 和at 的大氣參數(shù)的連續(xù)數(shù)據(jù)。2021 秋季測得的PL（788806 點）。PL 數(shù)據(jù)波動很大，甚至60dB 也從205dB 降至145dB，并且表現(xiàn)出強(qiáng)烈的日變化。根據(jù)氣象站對2021 年9 月20 日至11 月22 日，南海上空133 公里鏈路的觀測PL 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對于133公里的鏈路（視線長度的7.7 倍），超視距傳播通常發(fā)生在不同的傳輸環(huán)境中。

根據(jù)氣象站2021 年9 月20 日至11 月22 日海南S1 和海南S2 觀測到的大氣參數(shù)，顯示了安裝在S1 和S2 的自動氣象站測量的AP、RH、WS 和at 的時間演變。從氣象站數(shù)據(jù)可以看出，大氣參數(shù)也隨時間波動很大，受監(jiān)測的AP 在這兩個位置上是相似的。RH 和AT分別表現(xiàn)出強(qiáng)烈的晝夜變化特征中RH 變化很大，低至23%，高達(dá)98%。通常，RH 白天低，晚上高，這可能主要歸因于光照。AT也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的日變化，白天溫度高，晚上溫度低。9 月、10 月和11 月測得的AT 平均值分別為23.3、6.2 和11.5 攝氏度，顯示出向冬季下降的總體趨勢。從氣象站大氣參數(shù)可以看出WS 的變化也很大，低至0m/s，高至20m/s，這將對海水的蒸發(fā)產(chǎn)生顯著影響?？傮w而言，記錄了大量的測量數(shù)據(jù)，PL 和氣象參數(shù)都發(fā)生了顯著變化。

2.2 測量PL 的統(tǒng)計特性

對于系統(tǒng)容量為190dB 的通信系統(tǒng)，在測量期間，南海133 公里以上的可用信號概率約為31.3%。對于實時通信系統(tǒng)，這種可用信號概率顯然不能滿足要求；然而，可以通過縮短傳播距離或增加通信系統(tǒng)能力來提高跨水平通信能力。對于準(zhǔn)實時通信系統(tǒng)，如觀測浮標(biāo)，當(dāng)EDH 高時，可以在更好的通信環(huán)境中實現(xiàn)超視距通信，從而實現(xiàn)小的PL 和大的吞吐量[5]。

2.3 測量期間的蒸發(fā)管道氣候?qū)W

使用ECMWFERA5 再分析數(shù)據(jù)獲得了測量期間的蒸發(fā)管道分布。EDH 在測量期間變化很大。然而，沿鏈路不同位置的EDH 差異很小，這反映了水平不均勻性的特征。秋季PL 分布基本相同的原因是氣候條件基本相同，這導(dǎo)致EDH 的分布相似。9 月的平均EDH 為11.5m，10 月為11.1m，11 月為9.9m。海洋上空EDH 的變化主要來自四個環(huán)境參數(shù)的變化：SST、AT、RH 和近表面WS。環(huán)境參數(shù)有規(guī)律的月變化導(dǎo)致EDH 的月變化是普遍的，除非在某些極端天氣條件下。測量期間P3 處的EDH 平均值為10.6m，這是相對較低的，這導(dǎo)致在秋季通過超視距鏈路進(jìn)行通信的可能性很小。在測量期間，EDH 大于5m、10m 和15m 的概率分別為97.2%、50.7%和11.9%。

2.4 管道效果和模型評估

本節(jié)分析了蒸發(fā)管道對超水平傳播鏈路的影響。NAVSLaM 使用ERA5 數(shù)據(jù)計算的M-剖面被輸入到AM 中，以模擬測量期間的PL。站點P4、P3、P2 和P1 的數(shù)據(jù)被用作模型的輸入。為了清晰起見，以11 月的結(jié)果為例，研究蒸發(fā)管道對水平鏈路的影響。結(jié)果表明，使用這兩種方法獲得的結(jié)果是一致的。射線強(qiáng)烈地向地球折射，然后從地球表面反射，又折射回來。換句話說，射線被捕獲，導(dǎo)致相對于正常大氣，水平面以外的PL較低。在20km 處，PL 減弱了129dB。120km 處的PL 約為142dB，比20km 處的PL 高出13dB。PL指數(shù)約為1.709。

3 結(jié)語

本文介紹了2021 南海蒸發(fā)管道中微波過高頻傳播的長期測量結(jié)果。在統(tǒng)計分析和模型模擬的基礎(chǔ)上對結(jié)果進(jìn)行了分析。得出的結(jié)論如下。

1.對于133km 長的鏈路（視線長度的7.7 倍），在測量期間PL 小于200190 和180dB 的概率分別為52.6%、31.3%和18.5%。

2.使用ECMWFERA5 再分析數(shù)據(jù)和NAVSLaM 獲得的EDH在測量期間大于5m、10m 和15m 的概率分別為97.2%、50.7%和11.9%。模型預(yù)測方法不可靠，當(dāng)EDH 過低或過高時會產(chǎn)生一些極值。

3.秋季的陸風(fēng)會將干燥和冷空氣引入鏈路，它可以促進(jìn)海水蒸發(fā)，并將PL 降低約40dB。在測量期間，WS的增加和RH的降低是EDH增加和PL降低的主要原因。

4.在南海，蒸發(fā)管道最適合在春季，尤其 是五月進(jìn)行超視距通信。