海上宽带超视距蒸发波导微波通信系统的建模与分析 |
| 2012-11-07 14:42 作者：缪 刚 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月7日文】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，海面蒸发波导微波通信作为一种新型通信手段，不仅可大幅提升海军通信的传输能力，同时还能够大大增加海面作战单位的通信距离，具有较强的军事通信应用优势。对适用于海上宽带超视距数据传输的蒸发波导微波通信模型进行建模和设计，并对其所使用的关键技术进行详细的论证和分析。
0引言
一般而言，微波、超短波适合视距范围内的通信，而短波及波长更长的电磁波适合长距离的通信。而距离在视距与500km之间的超视距通信手段目前较为匮乏，若要在此距离内实现海上舰艇编队内通信、岸海通信等，需要利用额外的飞机、舰船或卫星建立中继，大大增加了系统组网的复杂度和成本，同时也降低了系统的可靠性和实时性。
海面蒸发波导微波通信可以实现超视距通信，而且传播距离可达到两倍视距至几百公里，其传播路径损耗比绕射损耗小十几至几十dB，不仅可以解决超视距数据通信问题，还可提供宽带视频级数据传输（传输速率可高达几百兆bps），因此，海面蒸发波导微波通信[1]作为一种新型通信手段，具有较强的军事通信应用优势，在不依赖空中或其它中继平台的条件下，可有效提高海上平台间高速数据通信距离，扩大编队覆盖范围。
1海面蒸发波导通信信道建模
海洋表面最为突出的异常传播就是海面蒸发波导传播，是指由大气折射指数在垂直方向上的非正常分布所引起的传播模式。它作为海洋表面上形成陷获折射条件的一种准永恒机制，可明显降低在其中传播电磁波的传输损耗，因而对在海上工作的无线通信系统有显著的影响，尤其是岛基、岸基、舰船通信系统等都可以充分利用海面蒸发波导效应实现信息的海上超视距传输。
1.1海面蒸发波导机理
海面蒸发波导本质上是一种近地表层波导，它是由海面水汽的蒸发使得大气湿度随高度锐减进而使得大气的折射指数自海面向上逐渐减小而形成的，以蒸发波导高度表征其强度能力。蒸发波导的高度定义为大气修正折射指数的最小值所在的高度，可表示为大气温度、海水温度、相对湿度、风速和气压等气象参数的函数，它是评估蒸发波导对通信系统使用效能影响的关键参数。通常，蒸发波导的高度一般在40m以下。
国内外对电磁波在蒸发波导中的超视距传播特性进行相关的理论分析和计算[2]，研究了大气折射率n（或大气折射指数N）对大气环境中电磁波传播特性的影响。在对流层，对于频率在1～100GHz范围内的电磁波，大气折射指数N可表示为气温T（K）、气压P（hPa）和水汽压e（hPa）之间的函数：
（1）
当电磁波传播距离较长时需考虑地球表面曲率的影响，采用地球曲率修正的大气修正折射指数M可将地球表面换算成相应平面，其表达式如下：
（2）
式中，h为地表以上的高度，R=6.371×106为平均地球半径。
对上式求导可得：
（3）
当电磁波传播路径曲率超过地球表面曲率，即：
（4）
将会出现波导传输，此时大气呈现陷获折射，在其中传播的一定频率范围内的电磁波，将部分地被陷获在大气波导层之内传播。当海面蒸发波导高度高于通信系统的天线高度时，电磁波在蒸发波导的下方传播时，由于地球曲率效应，电磁波必然会以小角度射向波导界面并被反射向前，从而克服了地球曲率的影响，实现电磁波超视距传播。
1.2蒸发波导环境探测及预测方法
海面蒸发波导出现需要符合一定气象和环境条件[3]，并不是一个恒定的通信信道，它所具有四大环境特征如下：
1）湿度变化敏感性特征
蒸发波导特征量对大气湿度的变化非常敏感，在其他气象因素一定的情况下，大气的相对湿度越低，蒸发波导高度越高。
2）气海温差及气压变化敏感性特征
当气海温差为负值时，蒸发波导高度变化对气海温差的变化反应较为迟钝；而当气海温差为正值时，蒸发波导高度变化对气海温差的变化反应则比较敏感。另外，蒸发波导高度对气压变化敏感性较小。
3）风速变化敏感性特征
蒸发波导高度随风速的增大而减小，在低风速（5m/s-10m/s）时，蒸发波导高度的变化率大于高风速时的变化率。
4）日变化特征和季节变化特征
在同一海域，蒸发波导高度白天比夜晚高，夏季比冬季高。
蒸发波导对大环境特征的敏感性由低到高为：气压、风速、气海温差和大气湿度。
由式（3）可以得到，dM/dh=0处为蒸发波导高度值d，只要能够得到海洋表面上沿高度方向的湿度、温度和气压值，就可以算出修正折射率剖面。
但在海面上完整测量出这样一个高度范围内的折射率剖面是非常困难的。为了克服测量各个高度的气象参数值的难题，可利用一个或两个高度上测量的一组气象参数，通过模型推出所有高度上的折射率剖面。由于0～40m的范围内是近地层莫宁－奥布霍夫相似理论适用的范围，在该范围内守恒量相等，H.Jeske认为位折射率也是守恒量，因此提出了Jeske模型。再经过大量实验和R.A.Paulus等人的修正后，被学者们认可并装入美海军IREPS系统，得到很好的应用[4]。目前常用的基于相似理论估测蒸发波导方法还有MODEA和伪折射率模型，但这些模型有待于进一步的完善。
而我国对海上蒸发波导模型的实验验证工作基本上是空白。实测经验法就是在我国沿海的海域利用各种探测仪和传感器对近海面的折射指数剖面进行连续测量和积累，并结合当地气象水文要素进行统计分析，找出经验或半经验理论，再通过实际折射率剖面进行验证。
在进行实际预报时，可将上述两种方法相结合，从而找出最适合特定海域和气象条件下的预报波导准确率高的方法。
1.3蒸发通道的链路损失计算方法
目前针对蒸发波导环境下的电磁波传播衰减的计算方法主要有：射线追踪、抛物方程和波导模理论三种[5]。射线追踪能够定量地描述电磁波在各种大气条件下的传播路径轨迹，但不能解决其场分布的问题；波导模理论当传播距离较远或是在视线区域时，其求解过程将会出现数值困难。抛物方程不但可以计算视距及超视距范围内的电磁波传播，而且其数值解具有良好的准确性和稳定性，更为重要的是采用抛物方程模型还可将大气折射率对电波传播的影响考虑进去，因而被广泛采用。
要正确计算蒸发波导通道的链路损失必须在对主流电磁波衰减的计算方法进行一定研究后，再综合考虑各种实际情况，选择合适的传播衰减计算方法用于计算蒸发波导通道链路损失。
2海上宽带超视距蒸发波导通信系统设计
本文设计的海上宽带超视距蒸发波导微波通信系统分为以下几个部分：各类传感器、蒸发波导通信信道测量及计算系统，舰载天线、天线伺服系统、蒸发波导高速数据传输系统和管理系统，如下图所示：
图1海上宽带超视距蒸发波导微波通信系统模型
Fig.1StructureofActivePhasedArraySystem
1）蒸发波导通信信道测量及计算系统
蒸发通道高度及折射率剖面等是表征海面蒸发通道现象的重要参数，它们可由风速、空气温度、海水温度、相对湿度等通过合适模型计算出来。因此，蒸发波导通信信道测量及计算系统由各类传感器、数据采集模块、测量计算模块等组成。系统输出用于蒸发波导通信信道的预测和天线伺服的控制。
2）天线伺服系统
该系统根据蒸发波导通信信道测量及计算系统给出的信息实现收－发天线的高度（升降）最佳化驱动及天线方位角（对准）的伺服驱动，再配备按信号强度最大的跟踪系统可以实现其天线的精确对准。
3）蒸发波导高速数据传输系统
根据高速数据传输体制的研究结果设计高速数据传输系统，使其能够向其他舰船、飞机或岸基高速的高速传输和接收数据。
4）控制管理系统
负责整个散射通信系统的控制和管理。
3蒸发波导微波通信系统的关键技术
1）蒸发波导环境探测及预测技术
海面蒸发波导并不是恒定的通信信道，它的出现需要符合一定环境和气象条件。需要在积累大量气象数据的基础上，对波导发生的天气形势进行统计分析，形成完整和系统的科学评估体系，为利用海面蒸发波导微波通信提供可靠的参考和必要的依据。因此，蒸发波导环境探测及预测技术是蒸发波导微波通信系统的关键技术之一。
2）海面蒸发波导信道估计技术
舰载通信系统可以充分利用海面蒸发波导效应实现海上超视距传输。海面蒸发波导环境下电磁波传播链路衰减与通信距离、工作频率、蒸发通道高度及折射率、天线增益、架设高度、地形、气候等密切相关。为了建立稳定、可靠的通信，需要对海面蒸发波导通信信道进行估算及预测，是蒸发波导微波通信系统的关键技术之一。
3）舰载高速数据传输技术
海面蒸发波导通信信道特性会随着气象及环境的变化而变化，为一变参信道。为了有效地克服信道特性变化对通信系统性能所造成严重影响，必须采用合适高速数据传输技术，包括高可靠的调制解调技术、超多载波传播技术、高性能的补偿技术及发射功率控制技术等，提高海上宽带超视距通信质量和可靠性。因此舰载高速数据传输技术也是蒸发波导微波通信系统需要研究的关键技术之一。
4）舰载天线技术
蒸发波导微波通信所采用高速数据传输体制与所使用的舰载天线类型及阵列排列形式息息相关，并且由于风浪的作用，水面上的舰船会不停的晃动，必须采取稳定隔离和指向保持等措施。另外，由于蒸发波导通信信道是变参信道，不同的通信距离或不同的天气状况，甚至不同的通信对象等都会要要求天线进行调整，只有达到特定角度，通信才能建立。因此，良好的天线设计技术和天线伺服技术是蒸发波导微波通信系统实现的基础，也是其关键技术之一。
4结语
本文对海上宽带超视距蒸发波导通信系统进行了建模和设计，并对其所使用的关键技术进行了研究和探讨，该系统可以应用于海上超视距通信、岸-海基通信、岸-岛等超视距通信等。
由于海面蒸发波导通信信道为一变参信道，它出现的概率和特性受地理、气候等多种因素的影响，如何对蒸发波导通信信道进行合理的预测，以及使用何种输出传输技术能够在该变参信道内稳定的传输宽带数据都将是今后研究的重点和难点。
作者简介：
缪刚（1961-），男，高级工程师，研究方向：舰船通信。
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