海上微波超視距傳播試驗研究

劉成國 熊得安 段開源 胡文韜 曹立鋒 黃立峰 郭相明 王紅光

（1. 湖北省射頻微波應用工程技術研究中心, 武漢 430070；2. 武漢理工大學理學院, 武漢 430070；3. 中國電波傳播研究所, 青島 266107）

引 言

不同大氣狀況導致的電波傳播視距變化對地面附近無線電系統影響嚴重[1]. 傳播視距大于標準大氣條件下的情況稱為超視距傳播，若實際傳播中遠大于這個視距則為超視距遠距離傳播，包括波導傳播和散射傳播. 海面工作的微波雷達經常出現超視距遠距離傳播，在探測與通信等領域廣受關注[2-6].波導傳播頻繁出現在沿海和海上[7]，有各種應用的雷達超視距遠距離問題和近年來移動通信中的超視距覆蓋問題. 散射機制所對應的微波超視距傳播，形成了散射通信技術有關問題[8]. 未來大數據、人工智能支撐的智能無線電系統，需要新的試驗觀測獲得超視距遠距離電波傳播規律方面更詳細更新的信息.

試驗觀測一直是微波超視距遠距離研究的重點和難點. 系統高可靠度服務能力的要求和新信號體制的提出，一方面要求更精細地描述超視距遠距離傳播時空隨機性，另一方面也對測試設備提出了采樣和分析方面的新挑戰，還須克服線路上各種地形和試驗支撐條件等方面困難，出現了各種形式的傳播試驗測試研究. 國外已進行了多種雷達跨海和海上試驗、國際聯合觀測線路試驗和海面傳播試驗研究[3-4]. 國內中國電波傳播研究所在20 世紀60 年代到80 年代組建了跨黃海的雷達電波觀測線路和通信線路電測研究隊伍，開展了支撐微波視距探測和散射通信的觀測研究，獲得了大量的觀測數據，總結了微波超視距遠距離(波導)傳播和天氣形勢相關性及信號統計規律等傳播規律[8]；并在1997年開始和有關無線系統相結合，開展了波導環境測試和超視距遠距離傳播的試驗規律研究，探索了有關應用的信號分級等問題[9]；到2010 年前后獨立建立了微波超視距遠距離觀測線路，并開展觀測研究[10]. 海軍工程大學等院校[11]也開展了測試研究，支撐相關應用.

本文主要闡述2019-09 的微波超視距遠距離傳輸的觀測試驗研究. 對微波超視距遠距離傳播的有關原理和機制進行了探討，并對南海沿海海域超視距遠距離傳播試驗的研究情況進行了總結分析.

1 機制分析

1.1 大氣傳播和超視距

電波在地球大氣中傳播發生折射，折射程度由大氣折射指數n隨高度h的變化(折射指數梯度)決定，根據大氣折射率N、修正折射率M的梯度范圍劃分為標準折射、負折射、正常折射、超折射、大氣波導等類型.

地面距離最遠的傳播路徑即地平線距離，地面無線電系統中把標準大氣情況下的地平線距離稱為視距. 視距dH(km)由發射天線和接收天線的離地高度hT(m)、hR(m)確定：

超遠視距除了折射傳播外，還有繞射傳播和對流層散射傳播[11]. 將地面無線電系統的地面距離及收發天線高度與由式(1)計算的視距對比，即可區分超視距遠近的不同情況. 繞射傳播是電波直接照射區和陰影區的過渡區，不在本文研究的超視距遠距離情況中.

1.2 波導傳播

1.2.1 環境條件

波導傳播需要足夠強的大氣逆溫層結和/或濕度下降層結支撐，和所在地區的大地理氣候條件有關，主要影響因素是地球大氣環流中的陸地-大氣、海洋-大氣、陸地-海洋耦合效應. 不同季風氣候區的大氣環流交替、海陸交界的海陸風環流會導致厚波導層結出現概率較高，形成懸空波導、貼地波導等波導環境，影響較高架設的無線電系統；特殊地理環境的地面輻射逆溫和水汽蒸發也可形成近地面的波導層結，影響地面附近的無線電系統. 在大面積水體上由于空氣流動的影響導致水氣界面經常出現水汽急劇下降層結，在合適的頻段、傳播角度和空間尺度下，就會產生有效的波導傳播. 尤其是大面積海洋上經常產生，這類波導稱為蒸發波導[12].

1.2.2 理論分析方法

對流層傳播物理過程遵從麥克斯韋方程，考慮水平分層的對流層波導環境，可以獲得波導傳播的理論特征. 主要方法有幾何光學理論、波導模理論和拋物型方程等. 計算電磁學等相關學科的發展，提供了處理復雜大氣折射率剖面和復雜下墊面等實際環境的方法，拋物型方程逐漸成為精確求解遠距離電波傳播問題的有效方法[13-15]. 通過選擇正向傳播方程的不同角度近似和計算方法(如有限差分法[14]等)，建立符合實際問題下墊面、系統天線方向圖和工作頻率等方面的適用計算邊界模型、下墊面模型，獲得電波場量的空間分布u(x,z)eik0x，并給出選定頻率f(MHz) 的電波傳播到地面距離d處某一高度的傳播損耗：

1.3 散射傳播

基于大量試驗觀測總結的經驗公式包含散射傳播多種傳播機制的綜合效果，可以給出有關研究需要的超視距散射傳播預測值.

2 觀測試驗

用易受蒸發波導和海陸環流貼地波導影響的無線傳輸系統，在大氣波導環境經常出現的地域設置傳輸觀測線路，選擇大氣波導出現有利氣象條件的時段開展不同距離不同頻段的傳播試驗觀測，來分析其出現規律和相應機制.

試驗選擇區域為廣東沿海，開展測試的收發站點和線路剖面如圖1 所示，其中小圖為平地球線路剖面和標準大氣中線路(1)～(2)電波射線示意圖. 試驗中站點(1)分別和站點(2)～(5)由近及遠構成四條跨海傳播線路，直線距離分別約為50 km、70 km、85 km、150 km.

圖1 測試站點位置和線路剖面Fig. 1 Sites and profile of transmission lines of test

構建C 波段和X 波段的收發系統，電波信號經海面傳播后，接收天線接收并經過后續信號分析處理，得到信號的功率數據. C 波段收發機為NI PXIe插卡式信號源和接收機，用程控系統對單向單頻信號時域測量進行試驗測試. X 波段由西安三維低速擴頻調制解調機組成雙工信號測量收發機. 測試中各站點天線性能和架設高度見表1.

表1 測試站點天線參數及地面架設高度Tab. 1 Gain, beamwidth and height of antenna at test sites

發射天線架設在海岸地面，架設地面距離當地最高潮位高度，站點(1)約為10 m；其他站點選擇靠近海水的沙灘架設，小于2 m. 天線地面距離海水最近時，站點(1)約為150 m，其他站點小于30 m.

試驗時間為2019-08-31—09-26，期間各站點附近潮汐觀測的最高潮高和最低潮高見表2，試驗線路5 個站點的最高潮高和最低潮高相差小于5 m. 根據式(1)得到對應的視距約為26.9 km，因此本試驗構成了有效的超視距遠距離傳播試驗線路.

表2 2019-08-31—09-26 試驗期間各站點附近的最高潮高和最低潮高Tab. 2 Highest and lowest tide levels around test sites during 2019-08-31—09-26 test

3 結果分析

以本次試驗期間微波超視距遠距離數據為基礎，根據式(5)計算出白天傳播損耗隨時間的變化情況，然后分別由式(2)、(3)和(4)計算得到波導傳播損耗、自由空間傳播損耗和散射傳播損耗，三者損耗計算結果如表3 所示. 可以看出：波導傳播損耗與自由空間傳播可比，并未逐漸增加；而散射傳播的損耗大于自由空間傳播損耗.

表3 試驗線路損耗計算結果Tab. 3 Calculated path loss of duct, free space and troposcatter for the test lines dB

試驗中線路(1)～(2)開展了C 波段和X 波段的傳播觀測，其中X 波段雙工工作. C 波段傳播觀測發射點在站點(1)，和其他4 個站點構成觀測線路，每天只對一個線路開展測試，在大氣波導傳播有利的時間，有計劃地選擇其中的站點構建線路，進行試驗測量.

波導傳播損耗的計算中，選用了寬角Q算子近似、有限差分法、高斯天線、海面阻抗邊界和試驗系統的參數. 發射天線海拔高度設為20 m，電波頻率為C 波段和X 波段. 利用世界氣象組織公布的香港觀測探空數據和國家海洋局公布的海洋數據構建的2019-09-14T20:00 含蒸發波導的復雜大氣折射率剖面如圖2(a)所示. 剖面貼地波導層結由約25 m 的蒸發波導層結及其上波導層結構成，高可達67 m. 對接收天線高度1 m 內計算得到的傳播數據做算術平均，得到圖2(b)和(c) 4 條線路上水平發射X 和C 波段電波傳播損耗圖. 和后面觀測損耗相比，計算得到的損耗較高. 考慮到香港離研究線路遠，其探空剖面和蒸發波導計算剖面會偏離實際試驗線路上的剖面，只能用其距離變化趨勢進行分析，因為此趨勢和文獻[17]中對流層波導傳播信號水平的描述一致.

圖2 試驗期間波導傳播損耗仿真結果Fig. 2 Simulation result of duct propagation loss during the test

3.1 C 波段傳播損耗

將C 波段傳播測量數據處理后得到4 條線路白晝傳播損耗，如圖3 所示.

圖3(a) 50 km 線路的傳播損耗中，09-14 和09-26T12:00 前損耗高于自由空間19～32 dB，在12:00 后逐漸靠近或低于自由空間傳播損耗；09-21 和09-22 的損耗基本上低于自由空間的，約為-145～-120 dB. 午后變動均較大，15:00—19:00 信號較強，且較平穩.

圖3(b)70 km 線路的傳播損耗測試中，09-20T 12:00—14:00 損耗高于自由空間30 dB，其余時間段高10～12 dB；09-23 變化平緩，全天約為-127 dB，約比自由空間傳播損耗低20 dB，比散射損耗低100 dB.

圖3 各測試鏈路C 波段傳播損耗Fig. 3 C-band propagation loss of each test link

圖3(c)85 km 線路的傳播損耗測試中， 09-25T 10:00—14:00 高于自由傳播損耗，最大傳播損耗約出現在11:00，約為10 dB；14:00 后低于自由空間10～30 dB.

圖3(d)150 km 線路的損耗測試中，09-17 損耗整體高于自由空間32～38 dB，15:00 時短時間內出現高于自由空間13 dB 的情形；同樣在09-16 傳播損耗均高于自由空間損耗，14:00 之前約高55 dB，隨后逐漸接近自由空間損耗，但整體比散射損耗低25～40 dB. 說明在更遠距離海面傳播中大氣層結的水平不均勻性越來越強.

試驗結果說明，測試期間有利于C 波段海面微波超視距遠距離傳播的白晝時間中，經常出現高于散射傳播損耗和接近自由空間傳播損耗的信號傳輸.

試驗測量平均值和散射損耗預測值隨距離的變化如圖4 所示. 可以看出，散射損耗均高于實測損耗，隨著距離增加，兩者差值由89 dB 減小為48 dB.

圖4 試驗測量平均值和散射損耗預測值隨距離變化Fig. 4 Variation of propagation loss with distance of the tropo-scattering prediction and average of measurement

3.2 X 波段傳播損耗

X 波段在50 km 線路測得的站點(1)和站點(2)之間雙向傳播損耗如圖5 所示.

圖5 X 波段雙向傳播損耗實測結果Fig. 5 X-band bidirectional propagation loss measured results

表3 中，09-12—14T12:00 之前線路上的傳播損耗略高于散射傳播損耗(-203.7 dB)，而12:00 后傳播損耗迅速靠近并低于自由空間損耗(-146.2 dB). 雙向損耗中，圖5 (a)中站點(1)到站點(2)最高達到-210 dB，高于圖5 (b)中反向5 dB 左右.

09-22 和09-24 全天線路的傳播損耗為-187～-155 dB，但雙向差別明顯. 因為站點(1)→(2)為-175～-155 dB，兩天的損耗曲線約以10 dB 的間隔分開；而反向線路損耗為-190～-170 dB，且相互交叉.

結合C 波段的情況可以看出，超視距遠距離的大氣傳播條件可明顯促進X 波段在地面附近的傳播，雙向傳播差異小；不利于超視距傳播情況下，傳播損耗僅能達到散射損耗的水平. 在向超視距傳播有利轉變的過程中，站點(1)～(2)的傳輸方向傳播損耗較小且變動逐漸變小，圖5 中顯示出幾次的測量結果大致為-185 ～-165 dB 的水平.

09-22 和09-24 兩天超視距傳播有利的大氣結構存在不可忽視的水平不均勻性，是由于站點(1)的發射天線架設高度高出站點(2) 10 m，信道水平不均勻導致的.

將50 km 線路(1)～(2)中C 波段和X 波段09-14 和09-22 實測數據進行處理，得到傳播損耗如圖6所示. 可以看出：在海面超視距遠距離傳播有利的時段(09-14T14:00 以后及09-22 整個白天觀測時段)，C 波段可出現低于X 波段40 dB 的損耗；不利的情況下，X 波段出現了散射傳播為主的傳播情況. 兩個波段的傳播特性晝間變化趨勢一致，C 波段的傳播損耗小，優于X 波段.

圖6 C 波段和X 波段09-14 和09-22 傳播損耗對比Fig. 6 C-band and X-band propagation loss comparison on 09-14 and 09-22

3.3 海面超視距傳播條件

首先是4 條線路跨海面的區別. 50 km 線路是靠近海岸大致呈南北向的跨海線路，北端易受大陸氣團影響，海陸環流較強，線路上容易出現水平不均勻的大氣結構；如果線路上是東面海上氣流控制的，則會在線路南段出現以蒸發波導為主的有利大氣層結，天線架高影響強烈. 3.2 節的對比符合這個特征.

其次是線路走向的區別. 長度增加的線路，線路也向西東方向變化. 來自北方大面積影響的大陸氣團，會造成范圍足以支撐線路出現超視距傳播的同一大氣層結. 這樣的層結是穩定超視距遠距離傳播的一個關鍵物理因素. 南海海岸秋季的專門試驗觀測研究[9]和大陸反氣旋的空間尺度證明了這種層結的存在.

最后是大氣環流變化的影響. 圖7 給出了2019-09 5 個站點附近沿海氣象觀測的地面風向風速的逐日變化情況. 09-06―13 大陸氣流約 3 級的西北風變為海上氣流約3 級以下的南風和西南風.

圖7 試驗期間超視距試驗線路附近沿海的風向風級Fig. 7 Observed wind direction and scale during the transhorizon propagation test

由海陸風形成的變性貼地波導氣團和蒸發波導層結局域變化大. 09-13―15 具有較好的大陸氣流，持續的2 級西風或西北風變化緩慢穩定，利于50 km線路和其他線路上海岸貼地波導和海面蒸發波導一體層結的形成. 09-19―23 和09-26―30 都有北風出現，說明有強大的大陸反氣旋影響到試驗區域，容易出現超視距遠距離傳播所需的大范圍同一大氣波導層結.

4 結 論

本文研究了海面超視距遠距離傳播試驗. 基于微波超視距遠距離傳播機制的分析，設計并開展了2019-09 在我國南部沿海跨海微波超視距遠距離試驗. 對測試線路上的白晝傳播規律、機制做了分析，并根據試驗的地理環境、線路構型和試驗期間的氣象風觀測數據分析了有利于線路發生微波超視距遠距離傳播的大氣環境變化特征. 得到以下結論：

1) 超視距遠距離低損耗傳播的主要機制為波導傳播.

2) 午后有利于超視距遠距離傳播. 通常12:00—13:00 為傳播起伏大的時段，條件不利時傳播損耗增加；有利的傳播條件下，表現為波導傳播，接近或低于自由空間的傳播損耗.

3) C 波段具有比X 波段損耗更低的傳播效果.岸上收發情形下，50 km 的傳播距離C 波段的傳播損耗約比X 波段低40 dB.

4) 傳播條件和線路構型、地理條件、陸上氣流都有關系. 本試驗研究中長距離海面的收發線路，表現為橫向吹過線路的陸上氣流、2～3 級的風速、盡量低并接近海面的收發天線架設等因素.

本文的結論可供同類地形條件、氣候條件和收發線路的研究或應用選擇使用，對于不同應用需求的研究可提供試驗測試設計和是否有利于超視距傳播判斷等方面的參考.