大气物理特性对电磁环境影响的研究概述

唱 亮，李景春

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 研究背景

近年来，随着用频业务和台站数量的显著增加，大气物理特性对电磁波传播的影响也日益突出，如大气波导引起的超视距传播带来的干扰问题就时常出现，带来明显的环境适应性问题[1-2]，这一点尚没有引起人们足够的重视。因此，为保证相应通信、雷达业务的稳定性与可靠性，对各频段电磁波在大气媒介中的传播机理进行系统研究，在此基础上针对各类典型业务，研究电离层异常传播对特定业务的影响以及相应的处理对策，探索利用电磁层传播特性优化现有典型通信的方法，具有迫切的现实意义，可以显著提升现有传输模式的效率和可靠性。本文聚焦大气波导这一典型的大气传播现象，就其研究现状及未来的研究方向进行论述。

2 研究现状

当前，对大气波导的研究总体可分为两个部分，即为在基础理论上深入开展对大气波导的固有特性和电磁传播机理研究，以及在此基础上针对各类典型业务的影响及应对方法研究。

2.1 大气波导固有特性及电磁传播机理研究

相对对流层、平流层的传播特性研究及其在短波通信中的应用，大气波导对超短波频段的通信、雷达业务的影响的研究起步较晚，但随着各类通信系统的日益广泛应用，对大气波导固有特性及电磁传播机理的研究，在近几十年来逐渐成为了大气物理学研究的热点之一。

大气波导可以分为蒸发波导、表面波导、抬升波导等三种类型。其中，蒸发波导主要存在海洋大气环境中，表面波导和抬升波导则以下边界是否与地面相接触而区分，前者为下边界接触地面，多出现在晴好天气下；后者一般高于地面数十至几百米，存在逆温层的情况下经常出现。

早期的大气波导相关研究主要集中在无线电波传播的建模方法和异常传播观测上[1]。在无线电波传播的建模方法上，研究人员对波导模态理和抛物方程方法进行了深入和细致的研究。《Meterological factors in radio wave propagation》中给出了许多关于大气波导的报告，《Propagation of short radio wave》中，给出了有关这一问题的主要结论。在异常传播观测方面，从20世纪60年代开始，美国、日本以及德国的研究人员就开始观测大气波导环境及无线电波的异常传播。其中，80年代末90年代初，美国开展了大量关于蒸发波导的研究。K.D.Anderson等人在1989年至1991年进行了海上蒸发波导微波传播理论和通信实验研究，以及在1993年进行了蒸发波导环境中低飞目标的探测的研究。90年代以后，前苏联/俄罗斯开展过多次大洋实验，对全球各大海区进行过蒸发波导高度的评估，并且针对雷达在海上进行超视距探测的可靠作用距离、能探测低飞目标的高度范围、最佳频率以及天线高度选择等开展了一系列有意义的研究，在理论上独立发展了蒸发波导的形成模型。有资料指出在俄罗斯现役雷达中有考虑了大气波导（包括蒸发波导）的超视距传播效应的成熟武器系统，如微波主/被动超视距探测雷达（“米歇拉尔”雷达）。该型雷达的主动探测模式利用了近海面蒸发波导环境，探测距离最远可达180千米。2001年的9月中旬，在美国海军研究局（The Office of Naval Reseach）的支持下，SPAWAR联合加州大学，约翰霍普金斯大学等研究机构，在夏威夷海域开展了RED（RoughEvaporation Duct Experiment）实验。该实验投入了大量的人力、物力和财力，主要为了验证在粗糙海面条件下以及非均匀蒸发波导的条件下，电磁波在波导内传播时受到的影响。

我国的研究起步于20世纪60年代，国内相关学者针对蒸发波导的形成机理和我国海域的大气波导的预测预报方法已经开展了深入研究[1-2]，特别是步入21世纪以来，受海军信息化建设和公众移动通信的飞速发展影响，解放军理工大学、西北工业大学、大连海军舰艇学院、西安电子科技大学、武汉海军工程大学等单位围绕大气波导参数估计、时空分布建模与验证、短期预报、信道特性等方面开展了深入的研究，取得了较积极的研究成果，逐步接近国际先进水平[1-2]。其中，在大气波导参数估计方面，解放军理工大学采用变分同化技术，结合正则化思想，基于电磁波抛物方程传播模式对利用垂直天线阵观测资料遥感反演大气折射率廓线问题深入研究，取得了高精度的结果，并提出了利用粒子滤波、卡尔曼滤波、Bayesian-MCMC等工具从雷达回波中提取大气折射率廓线等参数的方法，以及基于多波束雷达模式进一步提升大气波导参数估计精度的方法。在大气波导时空分布建模与验证方面，西北工业大学聚焦蒸发波导，利用改进的蒸发波导预测模型和美国环境预测中心最新的NCEP CFSR再分析数据库，计算了中国南海和世界海洋的蒸发波导时空分布规律，建立了分辨率0.312。×0.313°的蒸发波导特性数据库，空间分辨率和精度显著优于国外公开的10。×10。数据库，并利用海上浮标观测数据以及微波路径损失测量数据对计算方法的有效性进行了验证，达到了世界先进水平。

在短期预报方法上，西北工业大学采用近期海气边界层实验中得到的稳定度函数，提升了模型在稳定条件下的计算精度，并利用蒸发波导预测模型研究了蒸发波导高度对环境参数的敏感性，分析了稳定条件及不稳定条件下，风速、海表面温度、相对湿度、空气温度等因素对蒸发波导高度的定量影响规律，显著提升了预测模型的精度。在信道特性研究方面，西北工业大学利用抛物方程模型分析了蒸发波导环境的水平不均匀性对微波传播的影响，并通过数值仿真和实验观测的方法，定量研究了海上障碍物对微波传播的影响。并对蒸发波导信道中的频率响应传输特性进行了深入研究，得出了频响类型和定量的频响特性，并利用黄海实验数据对计算方法进行了验证。

2.2 大气波导对典型用频系统的影响研究

2.2.1 蒸发波导对海面超视距通信雷达系统的影响

现代海军正在进行以信息化作战模式为核心的作战理念、战略战术、技术装备的快速变革，基于无线电手段的时、频、空、能量域的全方位立体化监测的重要性日益凸显；同时，渔业、海洋勘探、交通运输等方面对无线通信、雷达技术设施的依赖也逐渐加强。因此，加强大气蒸发波导对海面通信雷达系统的影响分析，则具有重要的现实意义。

蒸发波导对船载电子系统应用影响研究是在蒸发波导环境特性后报、现报和预报研究以及电磁波传播特性研究的基础上，结合实际应用系统进行分析。主要可划分为两个范畴，一种是分析船载雷达、通信系统在蒸发波导条件下所受到的影响，对其工作性能主要参数的变化进行分析，如雷达的探测距离、探测概率，通信系统的通信距离、传输速率、误码率等参数。美国的AREPS（Advanced Refractive Effects Prediction System）系统[1-2]可以评估各种大气折射环境（包括蒸发波导）对船载电子系统的影响，但是，还不能针对实际水平不均匀蒸发波导环境，评估电子系统的工作性能。国内相关的应用研究主要集中在对雷达探测效能的评估上[3-7]；其中，西北工业大学基于现有蒸发波导监测预报方法及微波传输特性研究的基础，结合实际海面通信系统的应用需求，提出了蒸发波导数据传输系统的辅助决策方法。利用该方法，可实现对蒸发波导数据传输系统的工作性能进行预报，并能计算传输天线的最优高度、最优工作频率、可通概率等参数，利用南海实验数据进行了有效性验证，系统性的提升了海面大气波导用频系统的通信水平。另外一种则是探索利用蒸发波导实现远距离、高速率、低截获概率的通信和雷达探测，但该技术需要精确获得并预测大气波导的电磁传播特性和时空分布规律，尚需要在理论方面进一步深入研究，现有的工作多为基于理论模型的作用距离评估[8-9]，尚处于初步探索阶段。

2.2.2 大气波导对TDD通信系统的影响研究

近几年来，随着以TD-LTE为代表的4G移动通信业务的飞速发展，以及5G业务中TDD模式逐渐成为主流，因此，针对各类大气波导的TDD移动通信的影响评估则显得日益重要。当前，针对大气波导对TDD移动通信系统的影响主要结合移动通信的网络特性出发，采取一系列工程技术策略与手段，缓解大气波导的影响[10]，并对定位干扰源方法进行了研究[10-11]。

在干扰缓解方面的主要方法如下：一是在功率控制方面调整策略，可以采用提升用户接入发射功率的算法提升接入信号信噪比以保证QoS。二是在调度编码策略上，可通过调整自适应编码的码率以减低数据开销，提高可靠性。三是在物理层和MAC层控制上，可以通过优化解调的信道估计算法，采用受影响较小的第二列解调参考信号以降低干扰影响。也可通过特殊子帧配比调整和部分子帧关断等方法，以牺牲下行速率的办法来换取保护距离延迟至200～500km左右。四是在多频组网上，可采用D/E频段双频组网的方式来彻底避免同频组网的干扰问题，但D/E频段的覆盖较弱且带来较大的干扰提升。五是在天线配置上，可增大现有天线下倾角可以减低大气波导的影响，但会降低覆盖范围；另外可更换高增益天线，或通过增加天线顶部吸波材料罩等方式来降低顶部的天线旁瓣辐射功率，降低大气波导的作用范围。

在干扰定位方面，同频多信号的干扰特征使得传统的定位手段大多不适用或性能显著降低，必须采用空间谱等具备同频信号分离的手段；其他的手段包括在干扰信号较强时，直接解析全球惟一小区识别码来定位基站；或通过增加特殊序列来用于定位基站，但该方法会降低资源开销且不具有厂家适用性。

3 近一步工作展望

基于上述研究现状和具体的应用需求，针对大气波导传播机理研究及对典型用频系统的影响研究，可以考虑在未来的工作中，开展如下的研究方向。

3.1 大气波导传播机理研究

（1）大气波导时空分布规律研究与验证。未来的研究工作主要内容可考虑为依托高分辨率、覆盖全面、更新及时的气象参数同化数据库[12]，对现有主流的NPS、PJ、BYC等大气波导预测模型进行综合评估与研究，并对典型陆地、海洋等地形地貌进行预测模型的改进，给出分辨率、精确度更高的大气波导时空分布规律统计计算方法。在验证方面，如果条件允许，可在中国近海选择典型实验链路，开展蒸发波导环境特性及微波传播特性的长期同步观测，进一步验证和完善中国近海的蒸发波导时空分布规律。另外对于部分参数的误差规律及产生原因，还有待进一步的深入分析。

（2）大气波导短期预报方法研究。未来的研究工作主要可考虑为针对各类典型的大气波导监测数据，对典型的NPF、WPS模型进行改进，并研究针对特定区域（海域）的差异化参数优化方案，力争建立针对不同地形地貌和天气特征下的新型或改进模型，以进一步提升特定环境下的短波波导短期预报方法的准确度。同时，还可考虑进一步同化探空观测数据、地面观测数据、船舶观测数据和卫星观测数据，研究其同化范畴和同化方法，从而高效、准确的将这些数据同化到蒸发波导短期预报方法之中。

（3）大气波导电磁传播理论与模型研究。未来的研究工作可考虑通过对各类典型应用场景下大气波导传播参数的统计特性规律，进一步针对各类典型应用场景，建立数值或解析方式信道模型，给出场强分布、传播路径、适用频率等关键模型参数，并通过实际场景进行验证。

3.2 大气波导对典型用频系统的影响研究

3.2.1 蒸发波导对海面超视距通信雷达系统的应用研究

（1）蒸发波导海面干扰影响技术研究。该项研究主要基于后报现报的高分辨率时空分布模型、电磁传播模型及短期预报模型，结合当前各类船载雷达、通信电子系统的具体技术参数例如发射功率、使用频率、通信体制等，以及典型的场景，例如典型天气、气压、湿度、地理位置，定量研究蒸发波导对各类典型用频系统的影响，并对相应设施的环境适用性进行系统评估，给出可靠的作用距离、作用时间和适用范围，从而提升各类军、民用海面用频系统的可靠性。

（2）基于蒸发波导的超视距通信技术研究。基于蒸发波导的电磁传播模型，结合现有典型雷达与通讯设施的主要特性，探索进行雷达探测及通信的具体方案，给出针对典型应用场景的典型参数选取方法，包括作用距离、低空探测目标、可用频率、适宜功率、通信体制、调制方式等主要特征，在此基础上构建超视距通信综合辅助决策系统，实现各类用频设备参数的最优化选取，从而形成各类超视距雷达探测与通信的应用方案。

3.2.2 大气波导对TDD通信系统的影响研究

（1）自适应多天线应用于大气波导干扰缓解技术研究。探索在5G移动通信中，根据大气波导的现报和预报数据，采用MIMO自适应波束形成技术动态调整天线波束进行大气波导干扰缓解的方法，基于覆盖范围最大化和干扰最小化的多目标原则，给出典型应用场景下的控制策略。

（2）大气波导干扰缓解的功率控制策略研究。基于大气波导的现报和预报数据，基于传输速率最大化、干扰和发射功率最小化的准则，采用各类优化工具，给出典型应用场景下，上下行信道的动态功率的控制策略和实施步骤。

（3）异频组网和载波聚合技术应用于大气波导干扰缓解技术研究。根据大气波导的现报与预报数据，基于传输速率最大化、干扰和频率资源开销最小化的准则，给出典型应用场景下进行异频组网的频率选择、复用方式等选取策略，以及采用载波聚合技术的可行子载波分配及聚合的方案。

（4）物理层与MAC层编码及调度策略应用于大气波导干扰缓解技术研究。根据大气波导的现报与预报数据，针对典型应用场景，优化自适应信道估计、编码速率与调制方式选择的物理层处理算法，实现解调可靠性与数据吞吐量的最大化；探索自适应子帧配比调整、关断的策略与实施步骤，实现资源开销最小化与干扰缓解最大化的目标。

4 结语与展望

继续加强大气波导参数估计、时空分布规律、短期预报方法、信道传播模型等方面的研究，提升精细化、准确化水平及时效性，并探索中长期预报的可行性，可使我国掌握第一手的大气波导综合数据，为后续干扰缓解、超视距通信及雷达探测等应用工作的研究奠定必要的基础。

现有海军的作战编队需要对陌生的高威胁作战海域实现大范围的高效立体监测，研究大气波导异态场景下海面通信、雷达等典型用频设施的可靠作用距离，减少甚至规避探测和通信盲区，并探索利用大气波导进一步扩大作用范围的超视距通信和雷达探测方法，将会使我国海军在在复杂电磁环境及气象条件下的综合信息化作战水平迈上新台阶；同时，针对5G移动通信为代表的TDD通信模式的大气波导干扰问题，从自适应天线技术、功率控制技术、编码技术、异频组网和载波聚合技术等方面开展应用化研究，将会有效缓解沿海地区公众移动通信的大气波导干扰问题，显著提升我国公众移动通信系统在异态传播环境下的可靠性和传输效率，进一步提升综合移动通信服务能力。