蒸发波导模型与微波超视距传播试验对比

郭相明 林乐科 赵栋梁 刘永胜 张利军 康士峰

（1. 中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点试验室，青岛 266107；2. 中国海洋大学海洋与大气学院，青岛 266100）

引 言

微波超视距的传播机制可以归因为对流层散射、大气波导、绕射和层反射，有时还要考虑雨散射引起的超视距干扰等[1-3]. 在海洋大气环境中，大气波导是影响微波频段电波传播的主要因素，在一定的频率、发射高度配置下，可实现微波陷获超视距传播，对雷达和通信系统的影响显著[4-5]. 其中蒸发波导受近海面水汽蒸发的影响，具有永久存在的特征[6]，是大气波导研究的重点和热点. 蒸发波导高度是描述蒸发波导的重要参量，直接影响电波陷获频率和波长的选择. 受海上测量条件的限制，很难通过直接测量的方法实现蒸发波导的诊断. 目前，海洋蒸发波导主要通过蒸发波导模型实现波导的诊断，即通过测量近海面一定高度上的空气温度、湿度、风速和气压，以及海表温度，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和蒸发波导高度及强度等参量[7]. 从20世纪60年代末开始，随着近地层相似理论发展和试验的开展，相继提出了多个蒸发波导模型[8-9].其中Paulus 提出的PJ模型[10]和美国海军研究生院（Naval Postgraduate School，NPS）提出的NPS模型[11]应用最为广泛，目前已集成在美国高级折射影响预报系统（advanced refractive effects prediction system,AREPS）中.

针对海上对流层电波传播数值计算，从20世纪40年以来，研究人员相继提出了基于波导模理论的计算方法、几何光学方法和抛物方程算法等[12].其中抛物方程算法是目前计算海上大气波导超视距传播的主要方法. 同时，相关研究人员基于实际测量的海上传播试验也证明了该方法的有效性[13].在利用抛物方程方法进行蒸发波导环境下的电磁波传播计算时，获取蒸发波导环境下的大气折射率剖面是实现传播计算的先决条件. 受海上试验条件限制，往往采用蒸发波导模型得到大气折射率剖面.

国外相关研究人员利用不同海域单点测量的水文气象和海上传播链路数据[14-15]，对比分析了不同蒸发波导模型，及其在微波超视距传播中的应用精度等. 对比结果表明，PJ和NPS模型能够较为准确地预测海洋蒸发波导，同时在不同海域，不同大气条件、工作频率、路径长度下具有不同的预测精度. 长期以来，由于试验条件的限制，国内对蒸发波导模型及其在电波传播应用的比较研究较少. 2013年郭相明等人利用渤海岸边的海上气象梯度塔数据[16]，对比了目前常用的几种蒸发波导模型在我国渤海海域的适用性，结果表明PJ和NPS模型的预测精度较高. 田斌、郭相明等人也根据海上试验采集的波导数据，对比分析了蒸发波导PJ模型和NPS模型在我国海域的适应性，结果也表明在多数情况下PJ模型和NPS模型是适用性较好的模型[17-18]. 同时，李磊、张利军等人利用短期的试验数据对不同模型在海上电波传播损耗计算中的应用开展了初步研究[19-20]，但针对不同蒸发波导模型在海上超视距传播的对比研究还未开展.

因此，本文利用我国南海海上平台的实测水文气象参数，对比PJ和NPS蒸发波导模型，同时利用在我国南海湛江附近海域开展的海上超视距传播试验，对比分析不同环境条件下蒸发波导模型在电波传播计算上的精度，所得结果可对蒸发波导模型的选择，利用单点测量的水文气象参数和海上蒸发波导环境下的电波传播预测等提供指导.

1 海洋蒸发波导与超视距传播损耗测量

2017年11 月到12月期间，在我国广东湛江、茂名和阳江附近海域开展了海上蒸发波导的超视距传播试验，试验链路和海上测试平台位置如图1所示. 试验中利用茂名的南海海上综合观测平台进行蒸发波导测量. 该观测平台距离海岸约6.5 km，是我国第一个海洋气象综合观测平台，观测平台上安装有多套海洋气象仪器，主要用于海气边界层和海气相互作用过程的观测. 试验期间在平台的10 m高度安装了大气温湿度、气压、风速风向和红外海温传感器，进行试验海区水文气象参数的测量和海洋蒸发波导的诊断，数据采样频率为60 Hz. 微波超视距传播试验采用固定距离与流动距离传播试验相结合的方式开展. 试验的发射点和接收点均位于海边，其中湛江东海岛到吉兆湾链路为固定传播链路，采用中心频率为5.8 GHz的低速扩频传输设备进行超视距信号的发射和接收试验. 同时利用美国NI公司的软件无线电平台开展了湛江东海岛到吉兆湾、湛江中国第一滩、茂名博贺港、阳江海陵岛的短期流动超视距传播与信道测量，对应的传播距离分别约为52 km、71 km、85 km和148 km. 传播站点位置和海上测试平台具体信息如表1所示.

图1 试验地点及传播链路Fig. 1 Test sites and propagation link

表1 站点位置Tab. 1 Site location

考虑到试验中湛江东海岛到吉兆湾为固定试验链路，连续测量时间近一个月，环境代表性较为充分，因此下面利用低速扩频传输设备测量的传播数据进行对比分析. 在东海岛，低速扩频传输设备射频稳定输出功率为23 dBm，然后连接抛物面天线辐射出去，抛物面天线增益为32.3 dBi，垂直极化. 在吉兆湾，同样利用同极化的抛物面天线实现信号的接收，然后进行信号功率接收，同时利用笔记本电脑实时记录接收信号功率，数据记录频率为15 Hz. 试验中发射天线和接收天线位于海面上约2 m高度. 则试验中传播路径损耗可表示为

式中：Pt为发射功率，dBm；Lt、Lr分别为发射端与接收端的馈线损耗，分别约为1 dB、1 dB；Gt、Gr分别为发射端与接收端的天线增益，dBi；Pr为接收功率，dBm.

2 试验测试结果对比

2.1 蒸发波导模型对比

所有蒸发波导模型都是基于近地层相似理论构建的[8-9]，但不同模型在相似理论普适函数、海面粗糙度和近海面特征参数的选取和处理等方面存在差别，从而在计算结果上可能存在较大的差异[16]. 利用架设在海上观测平台上的水文气象传感器，获取了2017年11月到2018年5月的数据，基本代表了冬季和春季的环境条件，具有典型的环境代表性. 考虑到大气湍流的影响，对测量的数据进行10 min平均，然后分别代入PJ和NPS蒸发波导模型计算对应的蒸发波导高度. 考虑到PJ模型限制蒸发波导高度为40 m，在利用NPS模型进行蒸发波导高度的计算中，也限制蒸发波导高度为40 m. 图2给出了两种模型蒸发波导高度对比，表2给出了两种模型蒸发波导高度统计结果和不同大气稳定条件下的计算结果. 从图2和表2可以看出：在不稳定大气条件时（大气温度小于海表温度），PJ和NPS蒸发波导模型预测的一致性较好，相关系数达到了0.98，但NPS模型预测的波导高度往往小于PJ模型；在稳定大气条件时（大气温度大于海表温度），两种模型的预测结果差异较大，NPS模型预测的波导高度往往大于PJ模型的预测结果，并且NPS模型预测的波导高度可达40 m. 这主要是与PJ模型在稳定条件下的温度修正有关[10]，导致在稳定条件下预测结果小于40 m. 因此，在稳定大气条件下两种模型的预测结果可能存在较大的误差，在后面传播损耗的计算中也得到了进一步证实.

图2 PJ与NPS模型蒸发波导高度对比Fig. 2 Comparison of evaporation waveguide height between PJ and NPS models

表2 PJ和NPS模型蒸发波导高度统计对比Tab. 2 Statistical comparison of PJ and NPS evaporation waveguide models

2.2 路径损耗对比

针对海洋蒸发波导的超视距传播损耗预测，受观测条件的限制，在海上通过释放探空气球、探空火箭和架设气象梯度塔等方式进行海上电波环境测量是不现实的. 海上蒸发波导传播损耗的预测，通常采用在传播路径附近进行近海面水文气象参数代入蒸发波导模型获取近海面大气折射率剖面，然后代入阻抗边界条件下的数值抛物方程算法中，计算不同蒸发波导环境和系统参数下的路径传输损耗. 对试验中测量的路径损耗进行10 min平均，同时分别利用PJ和NPS模型计算近海面大气折射率剖面，输入到抛物方程算法中，计算对应的路径损耗，并与实测路径损耗进行对比. 图3、图4和表3分别给出了利用两种蒸发波导模型在不同大气条件下的计算结果对比，其中平均误差和均方根误差的计算采用实测值减去预测值进行计算. 从图3、图4和表3可以看出，利用单点测量水文气象参数，预测的传播损耗一般小于实际测量的路径损耗，并且NPS模型预测的路径损耗精度要优于PJ模型. 考虑到大气稳定性（气海温差）、风速风向对区域海洋大气环境的影响[19-21]，表3同时给出了不同大气稳定性和风向条件下两种蒸发波导模型的预测结果与实际测量结果的对比. 其中海风对应的风向扇区为90°～150°，通常可认为大气环境近似代表海上区域均匀的大气环境.从表3可以看出，在不稳定大气条件下NPS和PJ模型预测的路径损耗的相关系数分别达到了0.56和0.52，再综合平均误差和均方根误差可以看出，NPS模型的预测精度要优于PJ模型的精度. 在稳定大气时，两种模型的预测精度都不理想. 海风和陆风条件下的对比可以看出，NPS模型在海风和陆风条件的预测精度相当，但PJ模型在海风和陆风条件的预测精度差异较大，这可能是因为在稳定大气条件下PJ模型对预测的波导高度进行修正导致预测的波导高度较低，同时在陆风大气环境下对应的大气结构往往是水平非均匀的，进一步导致预测结果与实际测量结果相差较大.

图3 PJ模型预测与测量路径损耗对比Fig. 3 Comparison of PJ model prediction and measurement path loss

图4 NPS模型预测与测量路径损耗对比Fig. 4 Comparison of NPS model prediction and measurement path loss

在实际传播链路的规划设计中，路径传播损耗的统计结果是系统设计的重要依据[22]. 例如ITU-R.617-4[23]模型中给出了不同时间概率下的对流层散射传播损耗的计算方法，为对流层散射通信链路的规划设计提供服务. 针对利用蒸发波导超视距通信链路的设计同样需要传播路径损耗的统计分布情况，图5给出了测量的路径损耗累积分布，同时给出了利用蒸发波导模型的预测结果.从图5可以看出，利用单点测量的水文气象参数，NPS模型相对PJ模型有较好的预测精度，但在大部分时间概率下预测的累积传播损耗一般小于实际测量的预测损耗，PJ和NPS模型预测的中值损耗与实际测量的中值损耗的差值分别为−14.02 dB和−10.06 dB. 因此，如果利用长期单点测量的水文气象参数进行路径损耗计算并进行通信链路设计时，需要考虑预测的传播损耗可能小于实际传播路径损耗，合理地分配系统余量.

表3 不同大气条件下测量与预测路径损耗对比Tab. 3 Comparison of measured and predicted path losses under different atmospheric conditions

图5 测量与预测的路径损耗累积分布对比Fig. 5 Comparison of measured and predicted cumulative path loss distribution

3 结 论

海上蒸发波导是海洋环境中近乎永久存在的异常大气环境，是实现微波超视距电波传播的重要机制，对海上无线电雷达和通信系统具有重要的影响. 利用近海面单点水文气象的测量，是目前进行传播链路路径损耗预测的主要途径. 本文利用海上平台约7个月的水文测量数据和约1个月的路径损耗数据，对PJ和NPS两种蒸发波导模型在不同大气条件下的预测结果进行了初步对比，结果显示：

1）在不稳定大气条件时PJ和NPS模型预测的蒸发波导高度一致性较好，通常NPS模型预测的蒸发波导高度小于PJ模型，但在稳定大气时预测结果相差较大，这可能与PJ模型在稳定大气条件下的温度修正有关.

2）NPS模型预测的路径损耗稍优于PJ蒸发波导模型，特别是在不稳定大气条件时，二者在稳定大气时预测结果都不太理想，这可能是由于蒸发波导模型在稳定条件下大气折射率剖面预测还不准确，需要进一步改进.

3）路径损耗的统计对比结果表明，PJ和NPS模型预测的传播损耗往往小于实际测量值，这两种模型预测与实际测量的中值路径损耗的差值分别为−14.02 dB和−10.06 dB，在进行海上相关无线电系统的规划时，需要考虑预测的传播损耗可能小于实际传播路径损耗的事实，并结合系统参数合理地分配系统参数.

由于试验条件的限制，仅利用固定链路开展蒸发波导模型在C波段传播试验中的对比研究，所得结果还存在一定的局限，还需要进一步利用海上气象梯度塔等开展不同蒸发波导模型的研究，开展不同频率和距离下的蒸发波导传播试验，并结合具体的海域和工作参数开展更加深入的分析和比较研究.