跨海微波超视距远距离传播试验研究

2023-09-11唐舟江

科海故事博览 2023年23期

唐舟江

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，广东湛江 524000）

随着海上石油开采应用的迅速发展，对新型海上宽带远程通信技术的需求急剧增加。由于海水蒸发，在大气表层形成蒸发通道。蒸发导管的行为就像波导管一样，会对微波仪器产生巨大影响，尤其是那些在C波段和X 波段工作的微波仪器。蒸发导管会导致信号衰减减弱，可用于实现远程海上宽带通信。蒸发管已被用于建立多个超高频海上宽带微波链路。

1 数据和方法

1.1 测量活动

在南海上空建立了为期54 天的长期超视距微波传播链路。测量于2021 年9 月20 日至11 月22 日进行，10 月1-10 日系统关闭时中断。专门开发了X 波段EM传播系统，可以全天运行，自动记录传播特性的数据。记录了PL 数据和风速（wS）、气温（AT）、相对湿度（RH）和气压（AP）等气象参数。对于本研究中使用的测量数据，接收器（Rx）部署在海南省测试点（S1），发射器（Tx）部署在海南测试点（S2）。传播链路的长度约为133km。对于本次测量中的天线高度，在标准大气中，视距为D=4.12×（√h+h）=4.12×（√6+√3）=17.2km，其中h 为Tx 高度，h 为Rx 高度。链路长度大约是视线长度的7.7 倍。P1、P2、P3 和P4 是沿传播链路的重新分析气象数据网格点，用于模拟分析。

为了统计分析这种超视距链路的可连接概率，并为其他电磁学系统提供参考，使用系统参数和以下方程，从RSL 转换PL：PL=Pt+Gt+Gr-SL-RSL。其中，P 是Tx 功率（42dBm），Gt 是Tx 天线增益（7dBi），G 是Rx 天线增益（20dBi）。P 是Rx 放大器增益（30dB），SL 是系统损耗（10dB），RSL（dB）是接收信号电平。

1.2 再分析数据

再分析数据用于确定气象参数的变化，并模拟长期均匀蒸发管道环境，用于分析超视距电磁传播。本研究使用了ECMWFERA5 数据，这是ECMWF 全球气候和天气产品的第五代，时间覆盖范围从1979 年到现在。ERA5 数据集的时间分辨率为1 小时，水平分辨率为0.25°×0.25°。ERA5 数据已被广泛使用，并被验证适用于研究蒸发管道分布。提取2m 高度的AT、10m 高度的AP、WS、1000 百帕的RH 和海面温度（SST）的参数，以模拟测量过程中的EDH 分布[1]。

1.3 蒸发管道模型

由于海洋蒸发管道的捕获效应，大气微波频率通常会遇到长程传播机制。电磁辐射在大气中的传播取决于空气的折射率n，由于压力、温度和水蒸气含量的变化，空气在对流层中的折射率会发生变化。折射率n是传播介质的电学性质，定义为真空中的光速Co和通过介质的波的速度V 之间的关系。对于无线电波，对流层的折射率是基于德拜理论给出的：

式中，T（K）表示空气温度，P（hPa）表示总大气压力，e（hPa）表示水蒸气的分压。水蒸气的分压e可以使用以下方程从比湿度导出：

其中q（kg/kg）表示比湿度，c 是干燥空气的单个气体常数与水蒸气的单个气体常量的比值。

在对流层中，折射率在1.000250 到1.0000400n单位之间变化。由于它非常接近一，对流层的折射率由一个称为无线电折射率N的量表示，该量由下式给出：

在管道条件下，EM 传播被折射到地球表面，从而被困在一层中。为了确定这些条件，通常使用考虑地球表面曲率的量修正折射率M。修正折射率由以下公式定义：

其中re（m）是地球的半径，z（m）则是海拔高度。在垂直斜率为M 的负区域，EM 传播向表面折射，并可能被困在泄漏的大气管道中[2]。本研究使用NAVSLaM来诊断蒸发管道分布。

如方程（3）和（4）所示，需要水蒸气剖面的压力、温度和部分压力来计算M-剖面。NAVSLaM 模型从以下方程中得出这些轮廓：

其中T（z）和q（z）是海面上方任意高度z 处的温度和比湿度。zoe 和zoq 分别表示称为温度和比湿粗糙长度的积分常数。0.和q-分别是Monin-Obukhov温度和比湿度标度参数。Zo0、Zoq、0 的值。和q-使用TOGACOARE3.0bulkflux 算法计算（Fairall 等人，2003）。K 是vonKarman 常数。T 是非绝热失效率。L是奥布霍夫长度。w 表示温度函数。g，R 分别对应于重力加速度和气体常数。T 是z 和z2 的虚拟温度高度的平均值[3]。

将处理后的ERA5 数据输入NAVSLaM，然后获得测量期间蒸发管道的分布。

1.4 路径损耗模型

对于自由空间微波传播，PL 可以使用以下方程通过自由空间损耗来表示：

其中PLPSL是自由空间PL（dB），f是信号频率（MHz），d 是传播距离（km）。

对于海洋环境，不能忽略来自海面的反射，可以使用2-射线模型对PL 进行建模。垂直偏振波的反射系数接近-1，并且可以简化2-射线PL 模型如下：

其中PL2-ray射线是2-射线PL（dB），2 是波长（m），D是传播距离（m）、ht是Tx高度（m）以及hr是Rxheight（m）。

微波在海面上的远距离传播受到管道捕获机制的极大影响。抛物方程（PE）方法已被广泛用于预测球面中的EM 传播。标准PE 可以从亥姆霍兹方程中获得：

其中u 是电场的标量分量，z 是高度，x 是范围，ko是自由空间波数，M 是修正折射率。参数u 由PE 的傅立叶分步解给出，如下所示：

其中F 和F-1分别是傅立叶变换和傅立叶逆变换，p 是变换变量，δx 是范围增量。关于傅立叶分步PE解决方案的更多详细信息可以在Goldhirsh 和Dockery中找到。由PE 场函数u（PLPE）表示的PL 可以计算如下：

此外，APM 已在不同的管道环境中广泛使用和测试。在本研究中，使用APM 来模拟蒸发管道不均匀性对EM传播的影响[4]。

2 测量分析

2.1 测量数据

电磁传播系统和自动气象站已部署在南海沿岸地区。这些系统需要频率为9.4GHz 的133km 超高频链路的PL 以及AP、RH、WS 和at 的大气参数的连续数据。2021 秋季测得的PL（788806 点）。PL 数据波动很大，甚至60dB 也从205dB 降至145dB，并且表现出强烈的日变化。根据气象站对2021 年9 月20 日至11 月22 日，南海上空133 公里链路的观测PL 数据统计，对于133公里的链路（视线长度的7.7 倍），超视距传播通常发生在不同的传输环境中。

根据气象站2021 年9 月20 日至11 月22 日海南S1 和海南S2 观测到的大气参数，显示了安装在S1 和S2 的自动气象站测量的AP、RH、WS 和at 的时间演变。从气象站数据可以看出，大气参数也随时间波动很大，受监测的AP 在这两个位置上是相似的。RH 和AT分别表现出强烈的昼夜变化特征中RH 变化很大，低至23%，高达98%。通常，RH 白天低，晚上高，这可能主要归因于光照。AT也表现出强烈的日变化，白天温度高，晚上温度低。9 月、10 月和11 月测得的AT 平均值分别为23.3、6.2 和11.5 摄氏度，显示出向冬季下降的总体趋势。从气象站大气参数可以看出WS 的变化也很大，低至0m/s，高至20m/s，这将对海水的蒸发产生显著影响。总体而言，记录了大量的测量数据，PL 和气象参数都发生了显著变化。

2.2 测量PL 的统计特性

对于系统容量为190dB 的通信系统，在测量期间，南海133 公里以上的可用信号概率约为31.3%。对于实时通信系统，这种可用信号概率显然不能满足要求；然而，可以通过缩短传播距离或增加通信系统能力来提高跨水平通信能力。对于准实时通信系统，如观测浮标，当EDH 高时，可以在更好的通信环境中实现超视距通信，从而实现小的PL 和大的吞吐量[5]。

2.3 测量期间的蒸发管道气候学

使用ECMWFERA5 再分析数据获得了测量期间的蒸发管道分布。EDH 在测量期间变化很大。然而，沿链路不同位置的EDH 差异很小，这反映了水平不均匀性的特征。秋季PL 分布基本相同的原因是气候条件基本相同，这导致EDH 的分布相似。9 月的平均EDH 为11.5m，10 月为11.1m，11 月为9.9m。海洋上空EDH 的变化主要来自四个环境参数的变化：SST、AT、RH 和近表面WS。环境参数有规律的月变化导致EDH 的月变化是普遍的，除非在某些极端天气条件下。测量期间P3 处的EDH 平均值为10.6m，这是相对较低的，这导致在秋季通过超视距链路进行通信的可能性很小。在测量期间，EDH 大于5m、10m 和15m 的概率分别为97.2%、50.7%和11.9%。

2.4 管道效果和模型评估

本节分析了蒸发管道对超水平传播链路的影响。NAVSLaM 使用ERA5 数据计算的M-剖面被输入到AM 中，以模拟测量期间的PL。站点P4、P3、P2 和P1 的数据被用作模型的输入。为了清晰起见，以11 月的结果为例，研究蒸发管道对水平链路的影响。结果表明，使用这两种方法获得的结果是一致的。射线强烈地向地球折射，然后从地球表面反射，又折射回来。换句话说，射线被捕获，导致相对于正常大气，水平面以外的PL较低。在20km 处，PL 减弱了129dB。120km 处的PL 约为142dB，比20km 处的PL 高出13dB。PL指数约为1.709。