对流层大气波导超视距传播技术研究与展望

全面介绍了中国电波传播研究所建所60年来,在对流层大气波导超视距电波环境及传播专业领域的研究及其应用情况,主要包括对流层大气波导机理与预测模型研究、大气波导探测感知与预测预报方法、超短波/微波超视距传播算法、无线电信息化系统装备超视距验证评估及信息保障等反映该领域国内相关技术的发展历程和最新研究成果,并结合实际应用需求提出了未来技术的发展趋势.

P-RSHMU蒸发波导预测与湍流通量相关性分析

为更好地揭示蒸发波导形成机理与近海面湍流通量的定量相关关系,基于海上平台实测水文气象数据,引入稳定条件以及不稳定条件下预测性能较好的P-RSHMU蒸发波导模型,定量给出该模型预测蒸发波导高度与近海面湍流通量的相关分析。结果表明:P-RSHMU模型预测有效抑制了稳定条件下蒸发波导高度为40m的情形;针对所有数据(不区分稳定条件),该模型计算的蒸发波导高度与潜热通量相关系数为0.92,与动量通量相关系数为-0.41,与感热通量的相关系数为-0.12;区分稳定条件,得到3种情形下蒸发波导高度与潜热通量均呈现显著相关,相关系数均大于0.9。这些结果为丰富蒸发波导的形成机理以及内涵提供进一步的数据支撑。

北极地区海雾数值模拟及其电波衰减研究

北极地区气候恶劣,但提供了北美洲、欧洲北部和亚洲北部国家之间最短交通往来路径,因此具有重要的战略地位。北极航行需要气象、导航、通讯、雷达等方面的保障,北极海雾降低了海上能见度,会使航行船只迷失方向造成搁浅、碰撞等重大事故,并引发大气波导超视距、毫米波严重衰减等电波传播现象。本文根据全球再分析数据,基于适合北极地区的中尺度大气数值模式,通过改进Noah陆面过程方案、长波辐射方案(RRTMG方案)等设置,成功模拟了我国第四次北极考察期间在北冰洋遇见的某次浓雾及其演变发展,并基于米氏(Mie)散射和瑞利(Rayleigh)散射理论评估了其对毫米波和远红外波段上的单位距离衰减值。对于毫米波段两代表频率(频段高低端100 GHz和30 GHz),在频率30 GHz,单位距离衰减值随海雾含水量增大逐渐增大,但变化平缓;在频率100 GHz,单位距离衰减值随海雾含水量增大迅速增大。对于红外波段两代表波长(波段高低端0.1 cm和50μm),在波长0.1 cm,单位距离衰减值随海雾含水量逐渐增大但变化平缓;在波长50μm,衰减值随海雾含水量增大迅速增大,单位距离衰减值可迅速增大到几百dB·km^(-1),两波长的衰减值相差很大。对于相同液态含水量雾区的单位距离衰减值来说,远红外衰减值远远大于毫米波衰减值,毫米波频段高低端和红外波段波长最高端0.1 cm衰减值一般在几dB以下,而红外波段波长最低端50μm衰减值在几百dB,与其他波段相比单位距离衰减值甚大,Polar WRF模式能够模拟获取较准确的北极海雾特性,也能够用于评估北极海雾对电磁波传播衰减以及对无线电信息系统特性的时空影响。

基于稀疏采样传播数据和决策树算法的蒸发波导反演

蒸发波导的超视距传播特性是影响海上无线电系统性能的重要因素,准确预测蒸发波导是进行系统评估的基础。文中提出一种基于稀疏采样传播数据和决策树轻量梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine,LightGBM)算法的蒸发波导反演方法。首先,采用抛物方程方法仿真得到稀疏采样传播数据并构建训练集和测试集;其次,使用决策树LightGBM算法搭建反演模型,通过不断调参改进模型的精度以达到较高的反演准确度;最后,调用训练好的LightGBM模型进行蒸发波导反演,并对反演结果的概率分布进行了分析。结果表明,基于稀疏采样传播数据的蒸发波导反演方法能够有效且快速地实现蒸发波导反演,为海上蒸发波导预测提供了一种新途径。

两种数据在海洋大气折射环境中的应用评估

海上大气折射率是影响电波传播的重要因子,是构建电波环境数据库的重要元素.而再分析数据是其重要的数据源,因此本文利用典型海域的GPS探空数据从两个方面开展了欧洲中期天气预报中心ERA-I(ERA-interim)和美国国家环境预报中心FNL(FiNal)再分析数据在大气折射环境的应用评估,包括直接应用和作为初始场开展数值模拟.结果表明:在靠近大洋的“开阔”海域,FNL再分析数据对大气折射率环境的适应性更好,其中在北极、南极海域,FNL数据计算的修正大气折射率的均方根误差(rootmeansquareerror,RMSE)分别为4.7和2.8 M单位;而在相对封闭的海域,ERA-I再分析数据刻画的大气折射更准确.大气波导识别方面,ERA-I再分析数据能识别大部分波导,而FNL再分析数据只能识别小部分波导尤其是海上波导,在波导高发的中东地区,二者正确率分别为58.1%和45.4%.在数值模拟中,两种不同数据初始场对模拟大气折射率的影响不大,各站点计算修正大气折射率的RMSE均小于1M单位.研究结果可对不同海域大气折射环境应用提供指导.

蒸发波导模型特征及其适用性研究

蒸发波导是海面上经常出现的大气结构,实时获取蒸发波导环境下的大气折射率剖面,对于海上运作的雷达、通信、导航等系统效能发挥具有重要意义。通常通过测量近海面高度上的空气温度、湿度、风速和气压,以及海面温度,采用蒸发波导模型来确定蒸发波导环境下的大气折射率剖面。针对目前不同蒸发波导模型在相同大气条件下波导高度预测结果存在差异的问题,对5种蒸发波导模型进行了模型误差敏感性分析,同时基于铁塔平台实测水文气象数据计算的蒸发波导高度与不同模型预测的高度进行了比较,给出了不同大气稳定性条件下蒸发波导模型使用建议,所得结果对海上蒸发波导环境下的电波传播特性计算以及蒸发波导的预报具有一定的指导意义。

蒸发波导数据库及中国海域的统计分析

海上蒸发波导高度的统计特征对于海上无线电系统的设计和运行具有重要意义.为了准确描述蒸发波导高度的全球分布特征,利用海洋-大气耦合响应试验最新发展的近海面湍流通量计算方法,对美国海军研究生院提出的蒸发波导模型进行了改进,然后基于美国环境预报中心提供的最新12年再分析数据,建立了全球海域不同月份,空间分辨率为1°×1°的蒸发波导高度数据库,并对中国近海蒸发波导的时空分布特征和成因进行了重点分析.所得结果对于海上雷达、通信、导航等无线电系统的设计与应用具有参考价值.

蒸发波导模型与微波超视距传播试验对比

海洋蒸发波导是实现近海面超视距电波传播的重要环境,利用蒸发波导模型和电波传播数值算法是获取路径损耗的主要途径.基于海上平台约7个月测量的水文气象参数,对比了Paulus提出的PJ模型和美国海军研究生院(Naval Postgraduate School,NPS)提出的NPS模型,同时利用约1个月的海上超视距传播测试数据,分析了蒸发波导模型在不同环境条件下路径损耗的计算结果.研究表明:1)PJ和NPS蒸发波导模型在不稳定大气条件下预测一致性较好,但通常NPS预测的蒸发波导高度小于PJ模型,而在稳定大气条件下预测结果相差较大;2)利用单点水文气象测量数据,NPS模型预测的传播损耗优于PJ模型,特别是在不稳定大气条件下;3)以传播损耗统计累积中值为标准,PJ和NPS模型预测的中值路径损耗与实际测量损耗中值的差值分别为–14.02 dB和–10.06 dB.所得研究结果对利用单点测量的水文气象参数进行海洋或海岸区域微波超视距电波传播的路径损耗预测和无线通信系统的规划具有一定的指导意义.

湍流影响下的近海面大气折射率剖面

海上近地层大气折射剖面是影响海上舰船雷达低空探测的主要因素,通常不考虑大气湍流的影响往往导致雷达探测误差较大。基于海洋大气近地层相似理论,给出了利用近海面气象参数和海面温度确定平均大气折射指数和脉动折射率剖面的方法,建立了考虑湍流影响的近海面大气折射率剖面模型,并进行了数值模拟和初步的试验验证。建立的近海面大气折射率剖面模型对于近海面电波传播的准确预测和提高雷达系统的性能具有一定的指导意义。

应用湍流通量理论分析蒸发波导机理

蒸发波导是近海面经常出现的大气结构。从湍流运动方程出发,基于近海面海-气耦合湍流通量理论和算法分析了蒸发波导机理。对气象要素变化时,蒸发波导高度和感热、蒸发潜热和动量通量间的关系进行了分析,表明蒸发波导的形成和湍流通量具有明显相关性,为蒸发波导机理研究提供了新途径。

海上大气折射率的相似性研究

基于边界层相似理论,通过数值模拟的方法研究了大气折射率的相似性,数值模拟结果显示大气折射率在不稳定大气条件和近中性条件下大气折射率近似满足相似理论,在稳定大气条件下大气折射率不满足相似理论假设。其次通过气象梯度塔测量的水文气象参数计算的大气折射率剖面和开路涡度系统测量的数据计算的相似性特征量,实验研究了大气折射率的相似性,研究也表明大气折射率在稳定大气条件下不满足相似性。

粗糙海面建模及其在蒸发波导传播中的应用研究

海上蒸发波导微波超视距电波传播对舰载雷达的运行具有重要的影响.本文基于粗糙海面电波散射特征和海面高度分布概率密度函数,提出了一种考虑海面遮蔽影响的海上电波传播计算方法,并与两种不包含遮蔽影响的粗糙海面建模的计算结果进行了模拟和试验对比.计算结果为:1)随着计算频率和风速的增大,不同粗糙海面处理方法的计算结果差异增大,对应位置的路径损耗差异可达10dB;2)基于试验数据的对比初步显示采用考虑遮蔽影响改进的抛物方程模型预测的路径损耗精度相对较高,粗糙海面对电波的遮蔽效应是蒸发波导传播损耗计算中的一个重要因素;3)试验结果为不稳定大气时采用NPS蒸发波导模型、稳定大气时采用PJ蒸发波导模型预测大气折射率剖面,所预测的路径损耗要优于采用单一蒸发波导模型的结果.本文所得结果对海上电波传播计算和大气波导的反演等具有参考价值.

C波段蒸发波导传播衰落特征的试验研究

海洋蒸发波导是海上超视距传播的主要机制,对于海上无线电系统的设计和运行具有重要影响.利用在我国南海开展的蒸发波导环境下的C波段微波超视距传播试验数据,对比分析了不同传播距离下的路径损耗和信号快衰落分布特征.试验结果表明:随着传播距离的增大,路径损耗逐渐接近对流层散射传播损耗,主要传播机制也逐渐从蒸发波导传播向对流层散射传播过渡;5min采样的接收信号电平快衰落分布接近为广义瑞利分布,衰落深度和衰落幅度均小于瑞利分布.所得结果对利用蒸发波导的通信系统设计具有参考价值.

大气波导的研究现状与思考

大气波导是一种可以实现超短波、微波频段超视距远距离传播的特殊超折射大气层状结构.文中对大气波导的研究现状进行了综合论述,重点包括大气波导的探测方法研究、机理分析和诊断方法研究、预报方法研究、传播评估和应用研究几方面的介绍,同时对大气波导各个方面的研究现状进行了一些思考,并给出了一些发展方向建议.目前大气波导的准确探测尤其是区域和水平不均匀性探测还很薄弱,机理研究和诊断、预报研究远远不能满足信息系统实际应用的需求,研究已经遇到瓶颈,亟待发展和突破.同时文中也指出了大气波导对电子信息系统是有利有弊的,在大气波导应用方面要"扬长避短",在对大气波导规律研究透彻的基础上,给出利用方案和防范方案,更好地为人类服务.

基于目标函数的微波超视距雷达天线高度优化方法

利用海上蒸发波导可以使舰载微波超视距雷达实现远距离低空目标探测,然而大气波导内的超折射和多径传播效应会产生不利于目标检测的雷达盲区。该文提出一种基于目标函数的微波超视距雷达天线高度优化方法,针对形成蒸发波导的海-气界面稳定层结、中性层结和不稳定层结3种情况,利用电波传播数值算法和雷达评估模型仿真分析了蒸发波导内特定区域不同目标函数时的雷达目标检测性能,给出了雷达天线高度优化结果。该文方法可以为微波超视距雷达系统设计、探测性能分析和大气环境自适应技术提供参考。

大气波导与气象物理量场相关性的模拟分析

利用NCEP再分析数据和探空数据,使用MM5中尺度数值模式模拟分析了发生在中国东南沿海的一次大气波导过程与温度、湿度和位涡等气象物理量场的相关性。数值模拟分析表明:此次悬空波导的发生是西风槽等系统携带的冷空气与北上台风共同作用引起的,同时位涡场极大值区域(极大值一般大于2PVU)与大气波导出现的区域相对应,分析位涡场变化可作为大气波导机理和预报研究的途径之一。

蒸发波导微波超视距信道衰落特性研究

针对利用海上蒸发波导效应的微波超视距通信,在三条不同距离跨海电路上开展了外场试验。基于测试数据,统计L、S、C和X频段超视距信道的衰落幅度、深度和速率,对比分析了蒸发波导和对流层散射信道的快衰落特性。并根据大气波导和对流层散射传播预测模型,统计比较了实测和模型预测路径传播损耗。结果表明与对流层散射信道相比,蒸发波导信道衰落幅度、衰落深度和衰落速率均较小,传播预测模型可有效的预测蒸发波导的慢衰落特性。

基于湿位涡场的悬空波导预报研究

基于美国国家环境数据中心(NCEP)的再分析数据(FNL)和探空数据,利用美国宾夕法尼亚州立大学和美国国家大气研究中心的第5代区域中尺度数值模式(MM5)模拟分析了悬空波导出现时的湿位涡场特征,分析表明湿位涡场负中心剧烈变化区域分布与悬空波导的区域分布一致。湿位涡是动力和热力相结合的参数,在研究中便于机理和预报分析,由于湿位涡的不可渗透性,因此,湿位涡的发展变化只能沿着等熵面移动,其负中心区和梯度剧烈增大区也只能沿着等相当位温面移动,由于其移动速度和方向是可知的,因此,悬空波导的移动速度和方向也是可知和可预报的,从而为悬空波导的预报开辟了一种新思路和途径。

湍流环境下的大气波导信道衰落特性研究

湍流大气环境不但会引起大气波导传播中能量的严重泄漏,干扰雷达对目标回波信号的检测,还会影响接收信号的快衰落特性。文中针对大气波导超视距信道,利用考虑湍流效应的抛物方程模型仿真计算了不同湍流强度下,波导高度内、外接收信号的超视距快衰落特性,分析比较了考虑与忽略湍流效应两种情况下,波导高度内、外接收信号的幅频特性,更加合理地对雷达进行系统效应评估,准确地反映大气湍流对海上电波传播的影响。

蒸发波导RSHMU模型预测性能分析

大气波导能够改变电磁波的正常传播特性,因而得到学界极大关注。当前大气波导研究中所用蒸发波导模型缺乏RSHMU模型的预测性能分析,文中对RSHMU模型的预测方法进行了深入研究。更正了文献中给出的温度剖面稳定度函数表达式,利用正确的剖面稳定度函数,获得了该模型在不同风速以及不同相对湿度条件下的敏感性分析结果。与渤海梯度塔实测数据对比分析表明:该模型预测蒸发波导高度的平均误差为-2.2 m,均方根误差为4.5 m;预测强度的平均误差为1.1 M单位,均方根误差为2.0 M单位。不稳定条件下该模型的高度预测性能优于美国海军研究生院提出的NPS模型,而强度预测性能上二者相当。