六十载筚路蓝缕铸基业 逢盛世踔厉奋发共复兴——庆中国电波传播研究所成立60周年

中国电波传播事业于战火而生.抗日战争年代,在重庆建立了我国第一个电波观测站,为“飞虎队”短波通信提供保障,是我国电波观测研究事业的起点.中国电波传播事业受危命而立.新中国成立之初,为支持国家无线电系统发展,1952年成立通信兵部电波传播研究组,1963年整合优势力量正式成立中国电波传播研究所,中国的电波传播事业开始步入正规化和体系化发展之路.

300 kHz以下频段电波传播研究进展

300 kHz以下频段是深海、深地、深空探测以及远距离通信导航等无线电系统的重要频谱资源,其电波传播特性持续受到人们的关注并得到了快速发展.本文主要介绍中国电波传播研究所和国内相关合作团队在此方面的研究进展.针对对地基导航授时系统有重要影响的附加二次时延(additional secondary phasefactor,ASF),发展了理论与实验测量相结合满足工程需要的ASF修正模型.针对水中目标探测和电磁辐射问题,发展了跨海面(床)电波传播时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)计算方法,相对于传统的Sommerfeld积分方程,解决复杂问题的能力大幅提升.针对空间环境探测与应用涉及的星-地链路问题,分别从全波解、积分方程和FDTD三种方法出发,解决了地基或天基VLF辐射源跨介质传播计算,建立了各向异性电离层中线天线分析理论方法.针对VLF地-电离层波导远距离传播问题,在传统波导模理论的基础上,发展了有限元法(finite element method,FEM)和测算融合方法,前者为昼夜过渡区波模转换提供了解决途径,后者为传播链路高精度预测奠定了基础.最后,从计算方法和计算中所用物理参数两方面,提出了研究展望.

空间等离子体云超视距电波传播特性研究

通过在电离层中释放易电离金属物质人工生成空间等离子体云,可形成无线电波超视距传播的人工信道.基于人工空间等离子体云信道,可解决短波系统依赖于电离层状态的“靠天吃饭”问题,提升短波通信系统的抗干扰能力;亦可突破电离层的自然条件限制,拓展超视距传输的电磁频段范围,实现电波传播的新质能力.本文研究了Sm蒸气在电离层中的物理化学过程,建立了电离层Sm释放物理模型;仿真了空间等离子体云时空演化过程,利用射线追踪方法研究了空间等离子体云的超视距电波特性;建立了空间等离子体云全生命周期超视距散射模型,根据人工等离子体云电子密度强度及分布特性,将几何绕射理论引入人工等离子体云散射场的计算,研究了等离子体云地面散射场的时空变化特性.本文研究为人工空间等离子云超视距信息传输技术研究奠定了坚实基础.

无线电波传播年平均到最坏月统计转换模式研究

最坏月分布特性是无线电系统设计和研制过程中需要考虑的重要指标,大多数无线电气象数据和传播数据只能提供年平均分布概率,这就要求提供最坏月分布和年平均分布之间的转换模式.本文首先给出了包含累积分布和互补累积分布完整的最坏月概念.然后分析了对流层散射传输损耗、降雨率和雨衰减、地面视距链路多径衰落等多种电波环境和传播特性的年平均和最坏月概率转换关系,并通过对比分析给出了最优的模型参数,其对应的均方根误差最小,其中对流层散射和雨衰减的均方根误差小于10%,同时论证了雨衰减的转换关系可以由降雨率的转换关系得到.本文的研究将有力支撑无线电系统的最坏月设计.

对流层电波传播研究与展望

对流层电波传播特性是影响无线电系统性能的重要因素,是电波传播研究的主要领域.本文系统综述了近60年来中国电波传播研究所在无线电气象、地面无线电业务电波传播、空间无线电业务电波传播、电波传播效应对无线电系统影响评估等对流层电波传播不同方向开展的研究和取得的研究进展.在此基础上,最后给出了对对流层电波传播研究的展望.

国际电联电波传播标准研究与启示

国际电信联盟无线通信局(ITU-R)电波传播标准是被各国广泛应用于无线电系统规划、设计、频率分配和共存分析等应用的共性技术标准体系,体现了国际上电波传播技术发展的最高水平。对电波传播进行了介绍,对ITU-R SG3及其业务进行分析,阐述了国际电联电波传播标准的研究进展及其电子装备中的应用,并总结了对我国电波传播标准的启示,为我国装备电波传播标准体系提供借鉴和参考。

空间等离子体云精细化仿真及传播特性研究

在电离层中释放钐(Sm)等活泼金属气体,通过光致电离或化学电离,能够人工生成空间等离子体云,以其作为散射体,可开展超短波超视距通信和探测研究。本文开展了电离层Sm释放的精细化效应仿真研究,考虑了热层风场、地磁场、Sm释放速度和流量、运载器飞行速度等参量对Sm在电离层中扩散过程的影响。同时,采用射线追踪方法,研究了空间等离子体云的电波传播特性。结果表明释放参数和环境参数对等离子体云的形态和演化过程具有重要影响,等离子云在不同剖面形态各异,沿地磁场方向及风场方向出现明显拉伸,进一步对等离子体云的传播效应产生影响,导致电波在等离子体云不同剖面传播特性出现差异。

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.

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。

电离层Es电波传播模型研究

考虑大气折射的影响,对不同高度Es层条件下大圆路径传播距离与仰角的关系进行计算.基于电离层Es电子密度时空分布特点,建立高阶Es反射模型;运用高阶修正贝塞尔函数表示电离层Es电子密度扰动的自相关函数,综合考虑电离层Es各向异性结构的尺度关系,建立高阶Es散射模型.仿真计算Es层VHF斜入射传播衰减与频率、距离的关系.对于反射模型,Es层厚度越厚,电波衰减越大.对于散射模型,Es层不规则体水平尺度相同,垂直水平漂移的尺度越大,衰减越大;而垂直水平漂移的尺度相同,水平尺度越大,衰减越小.无论反射模型还是散射模型,f_0E_s越高,衰减越小;电波工作频率越高,衰减越大.对比建立的模型与VHF链路的测量结果,明确不同强度的电离层Es反射/散射机制,证明了建立模型的正确性.

电离层中Ba和SF_6复杂释放的电波传播效应研究

单一点源方式的化学物质释放,一般仅能形成较简单的电离层扰动结构,对电磁波的影响频段和影响程度都较为局限,难以对甚高频(Very High Frequency,VHF)以上频段的无线电波产生显著影响.文章提出了一种Ba和SF_6两种不同性质物质组合的复杂释放方法,并利用水平分层介质传播理论,分别以150、400、1 000 MHz三个典型频率为代表,估算了VHF、超高频(Ultrahigh Frequency,UHF)和L频段常用卫星电波信号穿越扰动区后幅度和相位的闪烁情况.仿真结果表明,复杂释放方法产生的电离层扰动结构能够对VHF以上波段信号传播产生显著影响,且信号所受影响随着频率的提高而变弱.

中国电波环境数字地图研究

电波传播特性分析预测不仅需要传播模式,还需要电波环境特性数据的支持.国际上已广泛采用电波环境栅格数据(数字地图)取代原有的电波环境图表,本文利用大量长时间积累的原始气象数据,经过统计分析得到了能够反映我国实际情况的电波环境数字地图,电波环境数字地图可以更可靠地应用于我国不同地区电波传播的分析预测.

基于多模型神经网络的湿度廓线反演研究

为提升微波辐射计对大气廓线探测的精度,利用ARM大气观测站提供的地基微波辐射计、毫米波测云雷达以及探空数据,构建了两种添加不同云信息的反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型(添加入云和出云高度的C-BPNN模型与添加雷达反射率因子的Z-BPNN模型)与一种未添加云信息的BPNN模型(记为BPNN0),并对反演结果进行了对比,结果表明:C-BPNN模型和Z-BPNN模型在任何天气下(有云或无云),得到的反演误差都小于BPNN0模型;C-BPNN相较于另外两种模型反演结果具有更高的稳定性。对3种模型各自反演结果最好的个例分析发现,C-BPNN与Z-BPNN模型主要的误差存在于高空无云但是相对湿度却出现跃变的情况,说明神经网络模型对初始权值与阈值较为敏感,因此通过遗传算法(genetic algorithms,GA)对BPNN模型进行优化。经GA优化后的反演结果表明:BPNN0模型与C-BPNN模型具有明显优化效果,而Z-BPNN模型优化效果则不明显。

有限元方法研究精细地-电离层波导VLF波传播特性

基于频域有限元方法仿真了精细地-电离层波导结构甚低频(VLF,Very Low Frequency)电磁波幅度和相位传播特性.首先给出了如何确定VLF波发射点和接收点传播路径所在大圆的方法,接着分析了获取波导结构中不同阶波导模式传播系数的耦合模理论,数值讨论了不同阶波导模式的衰减率和相对相速度随模式数和工作频率的变化关系,给出了波导不同结构参数对一阶模衰减率和相对相速度的影响.与文献结果对比验证了本文有限元方法模拟VLF波传播的正确性和高效性.最后利用实验和数值仿真结果,通过对电子密度国际电离层参考模型进行修正,讨论了澳大利亚—青岛台VLF波幅度和相位日变化的规律.本文工作为研究地-电离层波导结构VLF波电磁特性以及提高陆基超远程甚低频导航系统的精度,提供了新的思路和方法.

人工等离子体云团与无人机群的散射研究

电离层中释放的金属蒸气产生人工等离子体云团,其可显著改变无线电波传播。本文利用几何绕射理论(geometrical theory of diffraction, GTD)和有限元法(finite element method, FEM)相结合的方法,给出了经由天线、人工等离子云团和无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)群组成的传播链路中信号强度计算方法。利用30~70 MHz甚高频(very high frequency, VHF)信号研究人工等离子体云团与UAV群的复合散射特性,得出如下结论:接收功率随着信号频率增加呈下降趋势;当机群由N架UAV构成时,阵因子迭加使机群雷达散射截面(radar cross section, RCS)出现一定的起伏,同相迭加时,接收功率可比单个UAV高约20lg N dB;利用人工等离子体云团散射可实现VHF频段用于对米级尺度RCS目标进行超视距探测,有助于解决紧急情况下电离层扰动对高频探测的不利影响。

近距离无线通信中的电波传播特性研究

本文根据国外有关资料,对日益兴起的个人通信及无线局域网通信中的近距离电波传播特性进行了较全面的分析,其范围主要包括传播环境分类、传播损耗、信号统计特性与分布模型、传播路径分析等。比较与分析结果将有益于我国个人通信系统或无线局域网(WLANS)的早期规划与最佳设计并为我国今后开展此项工作提供参考。

电波传播研究与应用的新进展——纪念赫兹电波实验一百周年

本文简要地给出了有关电波传播研究与应用新进展的评述,可以看出随着日地空间物理、地球内部探索及生物电磁效应等研究的发展,在电波科学领域,正在出现一系列新颖课题和新的特点,其中包含大量未解决的传播问题。

悬空波导环境下AIS信号超视距传播特性分析

大气波导可陷获无线电波信号,使其发生超视距传播现象,影响无线电系统信号传播预测和性能评估应用。本文针对由探空数据诊断的悬空波导个例,利用对流层电波传播确定性方法模拟岸-船自动识别系统(automatic identification system,AIS)传播链路,定量研究了不同悬空波导环境影响下AIS信号的超视距传播特性。结果表明:波导强度50 M单位且底高约7 m的悬空波导环境下,AIS信号发生明显超视距传播现象;波导底高约700 m且强度较大的悬空波导环境也会对AIS信号传播产生影响;相比于单一悬空波导模型,复合悬空波导(文中指两个悬空波导层结构组成)环境对AIS信号传播影响更大。本文研究成果可为大气波导监测反演、无线电系统设计、装备效应评估等应用提供重要理论参考。

北极航道短波组网通信效应及极区粒子沉降对其影响的研究

北极航道是指穿过北冰洋,连接大西洋和太平洋的海上航道,北极航道的快速发展对世界政治经济格局将产生深远影响。现有极区单台站短波通信易受极区恶劣空间环境因素的影响,可通率不高,无法对北极航道船舶的安全航行提供可靠保障。本文针对北极航道短波通信保障需求,搭建基于确定性模型的短波通信覆盖区评估理论框架,探究复折射指数射线追踪功率计算方法,进而评估北极航道短波组网通信效应,同时开展了高能粒子沉降等极区电离层扰动对北极航道短波传播效应影响的研究,旨在为短波组网北极航道通信效能评估与站网规划设计提供理论基础。

数字地下空间信息检测管理平台研究

地下检测是诊断和预防地下病害的重要手段,但由于传统的城市地下检测数据平台架构限制,各组织机构独立管理和上传数据,导致数据共享难以实现。针对这一问题,利用先进的互联网、物联网技术,通过感、传、知、用四层架构建立数据综合信息管理平台,加强检测数据的汇聚融合、共享开放和开发利用,发挥数据的基础资源作用和分析引擎作用,提高政府决策科学化水平和管理效率,对于保障城市安全和预防道路风险隐患具有重要意义。数字地下空间信息检测管理平台可实现多源数据的统一管理,促进数据有序流动,对检测结果进行直观的展示、查询和工程化管理。文中利用地图数据实现地下空间数据与检测数据的匹配,实现检测结果的可视化表达。通过对数据的统计分析和评价来精准定位安全隐患及事故,促进城市建设协调机制更加健全;同时检测数据可通过安卓端以图片、文字、视频等多种方式实时地传送到信息管理平台,实现多端数据推送与接收,推动数据资源的开发利用,提高服务效率。该信息管理平台可实现与数据道路、智慧城市的完美对接,通过对其在不同场景的示范应用,不断完善平台功能、性能,验证了该信息管理平台的服务能力,提高了地下检测数据信息化的整体水平。