基于射线追踪理论的超视距通信盲区分布研究

高　超，周　朋

(海军91404部队，河北 秦皇岛　066000)



基于射线追踪理论的超视距通信盲区分布研究

高超，周朋

(海军91404部队，河北 秦皇岛066000)

摘要：针对大气波导环境下舰载超视距通信过程中通信电磁盲区的存在会造成通信信号的中断，使处于盲区内的目标无法接收信号的问题。利用射线追踪理论研究电磁波在波导环境下的传播特征，仿真分析了通信系统不同发射参数变化对电磁盲区分布的影响。仿真结果表明：对大气波导顶端通信电磁盲区影响较大的是发射天线高度和发射仰角的变化，而减小发射仰角对第一个跳跃点的跳跃盲区影响较大。

关键词：大气波导；通信盲区；射线追踪方程

本文引用格式：高超，周朋.基于射线追踪理论的超视距通信盲区分布研究[J].兵器装备工程学报，2016(1):132-135.

Citation format:GAO Chao, ZHOU Peng.Distribution of OTH Communications Blackout on the Theory of Ray Tracing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):132-135.

大气波导是由于大气异常折射而形成的一类特殊的大气现象，可以使电磁波陷获在波导层内，导致电磁波的异常传播，对通信等电子系统产生较严重的影响[1-2]。目前，在描述波导中电磁波传播特性上主要采用抛物线方程法、射线追踪法、模理论以及多种混合算法等方法[3-5]，本研究采用射线追踪法来描述电磁波在大气波导中的传播特征。通信盲区则是指在电磁波传播范围内通信信号没有覆盖到的区域，该区域内的目标无法进行有效通信。我国专家学者对大气波导电磁盲区有一定的研究，大多结合雷达探测系统[6-7]，对舰载超视距通信电磁盲区方面研究较少，且没有对通信盲区的分布特征方面专门的研究，本文对通信装备不同发射参数对盲区分布的影响进行研究。

1大气波导和舰载超视距通信

1.1大气波导现象

电磁波在大气环境中传播时由于受到大气折射的影响，电磁波会发生折射现象，不同折射类型可用大气修正折射指数M随高度的垂直变化来表征，M与大气折射指数N关系如下：

(1)

式中：z为地面以上高度；D、E为经验常数；P为气压；T为气温；e为水汽压。当满足大气修正折射指数垂直梯度dM/dh<0时，该层内的电磁波会出现陷获折射现象，电磁波传播路径的曲率会超过地球表面的曲率，电磁波射线将会严重弯曲，该大气层称为陷获层。大气中出现陷获折射时，电磁波会被陷获在一定厚度的大气层内经该层上下边界来回反射向前传播，就像电磁波在金属导管中传播一样，这种传播称为大气波导传播，形成大气波导传播的一定厚度的大气层，称为大气波导[8]。大气波导的出现，可使其中的电磁波以较少的损耗沿波导传播，对通信系统产生严重的影响。

1.2舰载超视距通信盲区

满足一定条件的电磁波形成大气波导传播过程中，使传播距离增加，实现电磁波的超视距通信，同时，受陷获作用的影响，将会产生通信盲区。

大气波导环境下舰载超视距通信电磁波传播特征如图1所示，可以看出，一定波束宽度的电磁波传播到大气波导顶端时，满足电磁波形成波导传播条件的电磁波射线会向波导层内弯曲形成波导传播，不满足条件的电磁波会穿透波导顶层向上继续传播，而在穿透波导层顶的电磁波之外的区域内，没有到达的电磁波，在此区域会形成通信盲区，称为波导顶端盲区；同时，在波导下方距发射源较近的一段空间内，电磁波受波速宽度的限制，陷获在波导层内的电磁波沿上下边界往返向前传播，而在距发射源较近的区域内，电磁波的传播跳过了此区域，因此也形成了通信盲区，称作跳跃盲区。大气波导形成的跳跃盲区在第一个跳跃区较明显，随传播距离的增加以及海面的反射作用，电磁波随传播方向会覆盖到整个区域，后续的跳跃盲区会逐渐减弱甚至消失，因此，在研究大气波导跳跃盲区过程中，主要考虑第一个跳跃盲区带来的影响。

图1　大气波导电磁盲区

舰载通信系统利用大气波导进行超视距通信过程中，通信盲区的影响明显，处于盲区内的目标，无法准确完整地接收到通信信号。影响通信盲区位置范围变化的因素较多，不仅包括发射源发射参数如频率、仰角等带来的影响，还受到自然环境因素对电磁波的反射、散射等因素的影响。因此通信盲区分布情况较为复杂，影响因素较多。本研究在分析波导环境下电磁波传播特征的基础上，研究发射参数对通信盲区位置分布变化的影响。

2射线追踪理论

射线追踪法是将发射点看作是点源，由发射点发出的电磁波看作是向各个方向发射的射线，再对每条射线进行追踪，最后在接收点将各条射线进行合并，实现对场强的跟踪与预测[9]。射线追踪方程可以描绘电磁波射线传播轨迹，其成立的前提条件是大气修正折射指数随高度是线性变化的[10]，假设大气修正折射指数垂直梯度为K，即

dM/dh=K

(2)

球面分层大气中的Snell定理为

nrcosθ=ncrccosθc

(3)

式中：nc、rc、θc分别为发射源位置处的大气折射指数、距地心的距离以及电磁波的射线仰角；n、r、θ为电磁波传播到某个位置时对应的物理量。根据式(3)给出的射线轨迹方程在波导层内进行射线追踪描迹时，需考虑射线传播高度的判断，使结果变得相对复杂，通常使用Snell定理的二阶泰勒近似模式来进行低仰角的射线描迹[11]，则式(3)可近似为

Mcosθ=Mccosθc

(4)

式中Mc分别为发射源位置处的大气修正折射指数。

电磁波射线在传播过程中，任取某两点，位置距发射源分别为r1、r2，距离地面高度为z1、z2，射线的局地仰角为ψ1、ψ2，两点的大气修正折射指数分别为M1、M2。根据Snell定理，射线的局地仰角很小的情况下有

(5)

由于大气修正折射指数随高度是线性变化的，所以

(6)

因此可以得到

(7)

式(7)对应的微分方程为

dM/dz=φdφ/dz×106

(8)

因为电磁波射线的局地仰角很小，因此有

(9)

由式(8)、式(9)可得

Kdr=dφ×106

(10)

对式(10)积分可以得到

(11)

在已知大气修正折射指数垂直梯度K(m-1)、初始仰角ψ1(rad)和初始高度z1(m)、传播距离r2-r1(m)时，利用式(7)和式(11)就可以确定电磁波射线的传播轨迹。

3通信盲区分布影响因素研究

根据大气波导环境下的电磁波变化特征，根据射线轨迹方程利用Matlab软件仿真分析，研究在满足波导传播条件下的发射源位置以及发射仰角的变化分别对通信电磁盲区分布的影响。

3.1发射源位置

根据图1选取天线发射参数，发射天线初始高度为11m，在其他条件一定的条件下，分别增加和降低发射源位置，得到不同发射天线高度情况下的电磁盲区变化情况。

增加发射源位置到15m仿真对比结果如图2所示，仿真结果表明在发射源处于波导层内时，随发射源高度的增高，第一个跳跃区的电磁盲区位置范围减小；处于波导顶端的电磁盲区初始位置变小，盲区的范围增大。主要是由于发射源位置的提高，对应的发射源处波导强度在不断减小，不能形成波导传播的电磁波会在传播较短距离后到达波导顶，穿透波导层继续向上传播，从而使波导顶端电磁盲区的位置减小、范围增大。

图2　增加发射源高度

发射天线位置降低至5m，仿真结果如图3。可以看出，随发射源高度的降低，跳跃盲区范围增大；发射源所在高度处波导强度增大，初始仰角一定的电磁波在未到达波导顶端时就会发生全反射，因此，波导顶端电磁盲区高度降低，在垂直高度上盲区范围增大，电磁盲区垂直高度范围变化的大小由大气修正折射指数垂直梯度的大小决定。

图3　降低发射源高度

电磁波形成波导传播条件之一是发射天线位于波导层内或距离波导层较近的位置，根据图2仿真结果可以看出，如果发射天线位置继续增高，部分电磁波会跳出波导层向上传播，波导对电磁波的陷获能力减弱，因此，该仿真与实际条件一致。

3.2电磁波发射仰角

在其他条件不变的情况下，在小于临界入射角的范围内，增大电磁波初始发射仰角，大气波导电磁盲区变化情况如图4所示。可以看出，随发射仰角的增大，一部分原本被陷获在波导层的电磁波在到达波导层顶时仰角仍大于零，会穿透波导顶层继续向上传播，使波导顶端盲区范围略有减小，但在垂直范围内不变；同时，第一个跳跃区的电磁盲区范围有所增加，但这种影响也同样不明显。

在其他条件不变的情况下，减小电磁波初始发射仰角，大气波导电磁盲区变化情况如图5所示，与增大电磁波发射仰角相比，减小发射仰角对电磁盲区的影响较大。随发射仰角的减小，电磁波在未到达波导层顶时就会发生全反射，因此，在小于波导层顶所在高度的一定区域内会形成电磁盲区，使波导顶端盲区在垂直范围内增大；同样明显可以看到，第一个跳跃点的跳跃盲区范围也随之明显增加。

综上所述，对大气波导顶端电磁盲区影响较严重的主要是发射天线高度和发射仰角的变化，而减小发射仰角对第一个跳跃点的跳跃盲区影响较大。电磁波形成波导传播条件之一是发射天线位于波导层内或距离波导层较近的位置，根据图2仿真结果可以看出，如果发射天线位置继续增高，部分电磁波会跳出波导层向上传播，波导对电磁波的陷获能力减弱；且电磁波频率越大、发射仰角越小，波导对电磁波的陷获能力越强[10]，根据图4、图5的仿真结果，与实际波导环境下电磁波传播特征一致。

图4　增大电磁波发射仰角

图5　减小电磁波发射仰角

从其中可以看出，穿过波导层在正常海洋大气环境中向上传播的电磁波，在各波束之间可能存在一定间隔，在一段距离范围内会产生电磁盲区；上述情况是在较为理想的条件下分析研究的，一些其他的因素，包括电磁波波束宽度、极化方式、海面特征等在实际大气波导应用过程中需加以考虑。

4结论

本文研究大气波导环境下电磁波传播机制，依据射线追踪理论，仿真分析波导条件下通信电磁盲区的分布特点和影响因素，得到不同发射天线高度、发射仰角对电磁盲区分布的影响结果，对通信系统超视距通信的理论研究及实际应用具有重要意义。

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(责任编辑杨继森)

【信息科学与控制工程】

Distribution of OTH Communications Blackout on

the Theory of Ray Tracing

GAO Chao, ZHOU Peng

(The No. 91404thTroop, Navy Academy, Dalian 066000, China)

Abstract:In the process of shipboard OTH communication atmospheric ducting environment, the existence communications electromagnetic blackout can cause communication interruption of signals, and the target within the blackout cannot receive signals. We researched electromagnetic wave propagation characteristics in the ducting environment that make the use of ray tracing theory, simulated and analyzed the effects of the varies different parameters of communications systems to electromagnetic blind distribution. According to the simulation results, the electromagnetic blind on top of the atmosphere ducting that has more serious effects is the change of the height of the transmitting antenna and transmitter elevation, and the decrease of transmitter elevation has greater impact on hopping blind of the first jump point.

Key words:atmospheric ducting; electromagnetic blind; ray tracing equation

文章编号：1006-0707(2016)01-0132-04

中图分类号：TN911

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.032

作者简介：高超(1984—)，男，主要从事通信与通信对抗研究。

收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-07-02