对流层散射传播机制与特性分析.pdf

2 0 1 0年第 1 期 空 间电子技术 SP ACE EL E CTRONI C TECHNOL OGY l 对流层散射传播机制与特性分析 李引凡(重庆通信学院军事信息工程系，重庆 4 0 0 0 3 5)摘要文章从对流层的一般特性入手，介绍了目前对流层散射传播机制研究的三种主要理 论模型，分析了对流层散射传播所具有的一系列突出优点，同时重点讨论了传输损耗特性和衰落特 性，并提 出了克服其不足的有效措施，最后对未来的研究重点进行 了展 望。关键词 对流层散射传播大气湍流 1 对流层概述 地球大气层一般 可分为 电离层、平流层和对 流 层。对流层下界与地 面相 接，上界 即对 流层顶(与 平流层的交界处)一般定义为温度不再 随高度增加 而下降之处，中纬度地 区平均高度为 1 01 2 k in，低(高)纬度地区较高(低)些，且一般夏季高于冬季。对整个大气圈而言，对流层只是很薄的一层，但它集 中了9 0 的大气质量，主要天气现象如风雨、雷电、云雾等都发生在这一层。对流层的主要特征有：(1)温度随高度升高而降低 因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地面能吸 收太阳辐射而升温并放 出长波辐射，大气主要通 过 吸收地面的长波辐射和通过对流、湍流等方式从地 面吸收热量才能升温，因而，越接近地面的大气得 到 的热量越多，造成对流层的气温随高度升高而降低，平均每上升 1 0 0 m，气温约降低0 6 5 oC。(2)有强烈的垂直混合 低层空气由于从 地面得到热量而上升，高层冷 空气下沉，导致逆温现象，造成对流层内存在强烈的 垂直混合作用。热带地面温度高，垂直混合能到很 高的高度，对流层顶高度高；极地地面温度低，垂直 收稿日期：2 0 0 8 0 51 3；修回日期：2 0 0 80 63 0 混合作用弱，对流层顶高度低。(3)气象要素水平分布不均匀 由于各地纬度和地表性质 的差异，地 面的受热 不均，地面上空空气在水平方向上具有不 同物理属 性，压强、温度、湿度等气象要素水平分布不均，导致 发生大气环流，从而产生各种天气过程。由于对流层的上述特征，造成对流层 中分布着 大量的不均匀体(或称散射体)，因此，对流层是一 种随机不均匀介质。散射体的具体表现为体积、形 状、运动速度、温度、压强、湿度等都与周围空气明显 不 同的涡旋、云团边际和渐变层结等，其折射指数也 与周围空气有差异。无线电波通过这种不均匀介质 时，除遭受折射外，还被 不均匀体再次辐射，即对流 层散射。2 对流层散射传播机制 对流层散射现象的发现源于 2 0世纪 3 0年代，在实践 中观察到了远远超出视距 的超短波、微波信 号。众所周知，超短波、微波不可能像短波那样被 电 离层反射进行超视距 传播，而即使 考虑地球表面的 绕射，超短波和微波的传播距离也不可能超出视距 太多。因此，有人用大气波导之类 的偶然 因素来解 释这种超短波、微波超视距传播，但随后的研究否定 了这种理论。于是，人们提出了新的传播机制来解 释这种现象，即对流层散射传播机制。2 空间电子技 术 2 0 1 0年第 1期 但是，对流层散射传播机制具体是什 么并没有 一个定论，人们通过构造各种理论模型来解释这种 传播，使理论模型得出的数据尽可能地与实测数据 相符。到 目前为止，已经提 出的机理主要有湍流非 相干散射(散射理论)、不规则层非相干反射(多模 理论)和稳定层相干反射(反射理论)三种。这里首 先了解大气物理中的一些相关概念，再引 出对流层 散射传播的这三种机制。2 1 大气湍流 大气湍流是大气 中的一种重要运动形式，它的 存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和 水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强 度。大气湍流的存在同时对光波、声波和电波在大 气中的传播产生一定的干扰作用。大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学 条件：其动力学条件是空气层 中具有 明显的风速切 变；热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度，其中最有利 的条件是上层空气温度低于下层的对流 条件，在风速切变较强 时，上层气温略高于下层，仍 可能存在较弱的大气湍流。理论研究认 为，大气湍 流运动是 由各种尺度 的涡旋连续分布叠加而成。其 中，大尺度涡旋的能量来 自平均运动 的动量 和浮力 对流的能量；中间尺度 的涡旋能量则保持着从上一 级大涡旋往下一级小涡旋传送能量 的关 系；在 涡旋 尺度更小的范围内，能量的损耗起到了主要的作用，因而湍流涡旋具有一定的最小尺度。在大气边界层 内，可观测分析到最大尺度涡旋约为 1 k m，而最小尺 度约 为 1 m m。2 2 折射 指数 大气层中，折射指数是直接影 响电波传播 的参 量。对流层 的大气折射指数 可表示为：N=(n 一 1)1 0 =(Z r 一 1)1 0 其中，n为折射率，为相对介电常数。近似地看，对流层折射指数在垂直方向上 随高 度的增加而减小，在水平方向是均匀的。因此，可以 把折射指数的等值面看成是许多与地球同心的球 面，这就是所谓的球面分层近似。但实际上，等值面 很少是 同心球形状的，而是具有各种尺度的不均匀 体。有些等值面形成形状不规则的、随机变化 的闭 合 面。在这些 闭合面 内的折射指数高于(或低 于)外面的数值，这就是折射指数随机不均匀体。它们 呈扁平形状，水平方 向上的尺度大，垂直方 向的尺度 小。折射指数不均匀体在入射 电波的照射下会产生 二次辐射，使原来朝一个方向传播 的电波在其他方 向上也有 能量 传播(如 图 1所示)，分散 的角度 越 大，能量就越小。发射天线辐射 的部分能量 因接收 天线和发射天线波束相交公共体 中不均匀体的作用 而偏离原来 的方 向，能够被设置在视距 以外 的接收 天线收到。当然，这里所说 的不均匀体包括尺度很 小 的不均匀体，也包括尺度很大 的折射指数突变的 层状结构。但是，湍流引起 的小尺度不均匀体是经 常存在的，而起反射作用 的层结仅在一部分时间内 出现。在公共体积中有很多不均匀体，其数 目、位置 和取向都是 随机变化 的，因此，各个不均匀体所散(反)射 的信号具有随机变化 的幅度和相位。这些 信号在接收天线处叠加成总的接收信号，其幅度和 相位均随机变化，这是散射信号的特点。相反，层反 射信号比较稳定，强度也较高，因而可以利用接收信 号 的这些特点来区分传播机制。图 1 对流层散射传播 示意图 2 3 三 种传 播机 制(1)湍流非相干散射 1 9 5 0年，HG B o o k e r和 WE G o r d o n提 出 湍流非相干散射理论 J，认为对流层散射传播缘 于 对流层中的大气湍流运动。大气湍流运动产生大气 涡旋，每一个涡旋都是 一个介电常数不均匀体，在电波的照射下，它变成一 个偶极子，将入射电磁能量 向四面八方进行二次辐 射。由于湍流运动的特点，散射体是随机变化的，每 个受激励的偶极子辐射的信号在强度、相位上应是 相互独立、互不相干且随机变化的，因而对任一 固定 的接收点而言，其接收信号就是这些不相干多径信 号的矢量和。2 0 1 0年 第 1 期 李引凡：对流层散射传播机 制与特性 分析 3 (2)不规则层非相干反射 这种理论认为在对流层 中经常存在温度、湿度 和压力都极为不同的云层和冷暖空气 团，当它们在 某处交汇时，由于各项参数的急剧变化导致折射指 数的剧烈变化，从而形成一种锐变层。这类锐变层 强度不等、形状 不一，位 置、取 向极不规则，不断变 化，并随气流不断移动。此种理论认为，这类不规则 层对电波的非相干性部分反射，就是 电波超视距对 流层传播的起因。HT F fi i s 等人对不规则层非相干反射理论的 研究具有一定的代表性。(3)稳定层相干反射 这种理论认为，电波超视距对流层传播起因于 介 电常数随高度变化而较稳定 的非线性分布。大气 中的介质可按高度连续分成一 系列薄层：一层相对 一层的介电常数都有 所变化；每层都 能对 电波进行 部分反射；各反射分量间有确定的相位关系，它们在 接收点的相干叠加 即为接收场。2 4小 结 综上所述，三种理论模型都缘 于对流层 中不 同 的大气分布，且各种理论还有许多细分。相对而言，湍流非相干散射理论 发展得 比较完备，它有 比较严 格的湍流理论作基础，并且 可与较多 的实验数据相 吻合；不规则层非相干反射理论在介质结构上缺乏 严格 的理论基础，但仍能与许多实验结果相吻合；稳 定层相干反射理论在与实验数据的吻合度上较差一 些，但在一些特定的环境下仍有与之 比较符合的实 验数据。从频率上看，在 0 5 G H z以下，对流层超视 距远距离传播主要是靠稳定层相干反射和不规则层 非相干反射，而且随着频率的降低，前者显得更为主 要；在 0 51 5 G H z之间，湍 流非相干散射和不规 则层非相干反射两者兼有；1 5 G H z以上主要是靠湍 流非相干散射。从距离上看，3 0 0 k m 以上主要靠湍 流非相干散射和不规则层非相干反射。总之，这些理论都能部分地解释某些特定 的实 际传播现象或实验结果，但又或多或少地 与实验数 据不相符合，在有些实验数据上仍然有偏离较大的 情况发生。因此，有些研究者谨 慎地将这一传播方 式称为“微波、超短波超视距传播”，而不肯定其传 播机制为散射。更 多的人则采用 习惯 的叫法，称它 为“对流层散射传播”。当然，这也并不意味着肯定 其传播机制即为散射传播。尽管理论上有“机制”的争论，但考虑到对流层 的大气结构和运动，在实际应用 中，为得到 比较准确 的实验数据，应尽量考虑这三种理论的共同作用。在实验工作方面，各国纷纷开设专门试验电路进行 电波传播试验，同时进行半理论、半试验的分析、总 结，很快对这种传播方式 的特性有 了基本 的了解。虽然理论上还不够完善 和精确，但实 际应用却得到 迅速发展，对流层散射通信线路纷纷建立起来。3 对流层散射传播特性 对流层散射传播 是对流层散射通 信 的技术基 础。利用对流层散射传播机理设计的对流层散射通 信系统，可以实现超视距通信，同时具有适 中的通信 容量、传输性能、可靠度和战场生存能力等。3 1 突出的优点(1)抗核爆能力强 该特点是对流层散射通信独具 的，只要爆炸不 伤及设备本身，传播基本不受影 响。同时它也不怕 太 阳黑子、磁暴、极光和雷电的影响，所以，对流层散 射通信能满足现代战场 中通信指挥的需要。(2)通信容量大 对流层散射通信的通信容量比视距微波通信和卫 星通信小，但比短波通信大，既可传送多达几十路甚至 上百路的语音信号，又可传送高速数据和电视信号，且 平均B E R 3 0 d B时)或波束变窄，有效散射体积随之 减小，导致天线的平面波增益不能完全实现，天线在 自由空间的理论增益与在对流层散射线路上测得的 实际增益之差即为 口面介质耦合损耗。天线偏 向损耗是指 当天线波束偏离 最佳 指 向 时，因为散射能量减弱或因为到达接收点的信号偏 离接收天线主轴而产生的损耗，主要包括方位角偏 移损耗和仰角偏移损耗。天线偏 向损耗在天线定 向 或在考虑信号泄漏时特别需要注意。总之，对流层散射信道的传输损耗是相当大的，在 2 G Hz 频段，一条 3 0 0 k m左 右的线路 的传输损耗 一般在 2 0 0 d B以上。为了补偿较大的传输损耗，通 常采取下述措施：(1)采用大型天线，通 常架设 圆形 口径抛物面 天线，提高天线实际增益；(2)采用千瓦级的功率速调管发射机、低噪声 参量放大器和低噪声场效应三极管放大器；(3)对于模拟信号调制解调终端机，采用检波 前相加的分集技术和门限扩展技术；(4)对于数字信号调制解调终端机，采用 R a k e 接收技术，也可以采用 时一 频-相调 制解 调技术或各 种类型的自适应技术，以克服多径效应 和 I S I，提高 分集效果。3 3衰落特性 在对流层散射传播中，接收点的散射场是在收、发天线波束相交的区域内，所有散射体一湍流涡旋、不规则锐变层 以及相干反射层等二次辐射场 的总 和。这种随机的多径传输使得接收点存在着严重的 衰落现象，具体表现包括：信号幅度的快衰落 现象；信号畸变或频率选择性衰落；多普勒频 移或频率扩散现象。对流层散射信道存在多径传播。由于多径传播引 起的衰落都是陕衰落，理论与实测均表明，对流层散射 接收信号的振幅服从 R a y l e i g h分布、广义 R a y l e i g h分 布和 R a y l e i g h 矢量加反常随机矢量型分布等。另外，在对流层散射信道上，由于气象条件的有 规律变化(昼夜、季节变化)和随机变 化(如气流运 动、大气风的影响等)，造成了接收信号“短时”平均 功率或“短时 中值电平的缓慢起伏，即慢衰落。因 此，一般情况下对流层散射信道是 由快衰落和慢衰 落这两种信道组成，信号电平瞬时值的变化范围一 般在 4 0 d B左右。为减轻衰落，需附加设备进行分集接收，包括空 间、时间、频率、极化和角分集等，且分集重数一般大 于等于 4重，这就使得对流层散射通信 系统 的原始 投资比较高。空 间分集(垂直 空 间分集 的距离 约 2 5 A，水平空间分集的距离约 1 0 0 A)和频率分集等显 分集对要求机动的地域 网应用有一定局限，因此需 研究能减少接收天线数量的角度分集以及不增加设 备的隐分集(如多径信 号的独立衰落等)等其他分 集技术。4 结束语 对流层散射传播的发现，为微波、超短波多路通 信提供了新的途径，全世界 已建立 了许多对流层散 射通信线路。同时，对流层散射传播的研究还促进(下转第6 5页)2 0 2 0年第 1 期 易巧玲等：一种易于硬件实现的 C C S D S图像数据压缩算法 Abs t r a c t A n o v e l Al g o rit hm f o r CCSDS i ma g e d a t a c o mp r e s s i o n c o n v e n i e n t for h a r d wa r e i mp l e me n t a t i o n i s p r e s e n t e d T he s t a t i s t i c a l r e g u l a r i t i e s o f i ma g e c o e m c i e n t s fil t e r e d b y di s c r e t e wa v e l e t t r a n s fo1 T l l i S d i f f e r e n t To e f f e c-t i v e l y c o mp r e s s t h e i ma g e d a t a，t h e s t a n da r d u s e s d i ff e r e n t e n t r o p y c o d e s a c c o r di ng t o d i f f e r e n t s t a t i s t i c a l r e g u l a r i t i e s F o r d i f f e r e n t i ma g e s，t h e o pt i ma l s e l e c t i o n s i n c l u d i n g t h e p a r a me t e r k for t he DC c o e f fic i e n t qu a nt i z a t i o n a n d b l o c k AC c o e f fic i e n t b i t-d e p t h c o d i n g a n d t h e e n t r o p y c o d i n g l e n g t h o f 3一 bi t c o d e wo r d e n c o d i n g p a r a me t e r s c h o i c el a n d c h o i c e 3 a s we l l a s t h e l e n g t h o f 4一 b i t c o d e wo r d e n c o d i n g p a r a me t e r s c h o i c e 2 a n d c h o i c e 4 a r e a n a l y z e d T h e s i mu l a t i o n s r e s u l t s s h o w t ha t t he p r e s e n t e d a l g o rit h m i s l o w i n c o mpl e x i t y a n d c o n v e n i e n t for h a r d wa r e i mp l e me n t a t i o n，a n d t h e r a t e c a n b e o p t i mi z e d a n d t h e r e s u l t i n g a mi n i mu m o u t p u t b i t r a t e c a n b e o b t a i n e d Ke y wo r ds CCS DS i ma g e d a t a c o mp r e s s i o n Bi t-p l a n e c o d i ng Para me t e r o p t i mi z a t i o n (上接第 4页)了电离层散射传播、流星余迹散射 传播 的发现和湍 动随机介质传播理论 的研究。由于卫星通信特别是 同步卫星通信的出现，对流层散射通信 的重要性有 所降低。但是，它作为一种传播方式，在特殊地区通 信、干扰协调距离计算、对流层介质遥感、远距离侦 察接收和超视距雷达等方面，仍有广泛的应用前景，未来 的研究重点主要在 以下几个方面：(1)研究对流层散射传播理论对信道进行模 拟，以便准确地预测对 流层散射信道和选择合适 的 通信站址；(2)降低设备 的成本，发展移 动式散射站。为 了适应移动的特点，可采用充气式或折叠式天线，并 采用角分集或编码 分集 而不用空 间分集，这样可 以 仅用一副天线；(3)研究适应时变信道 的调制解 调技术，充分 利用多径传输的能量，以便得到最佳的分集效果，克 服 I S I；(4)研究 自适应天线控制技术，包括角分集技 术、远距离收发天线 自动对准技术等。参考文献 1 B o o k e r H G，e t a 1 A t h e o r y o f r a d i o s c a t t e ri n g i n t r o p o-s p h e r e J P r o c I R E，1 9 5 0，3 8(4)：4 0 2 4 2 2 2 F r i i s H T，e t a 1 A r e fl e c t i o n t h e o r y f o r p r o p a g a t i o n b e y o n d t h e h o ri z o n J B s T J，1 9 5 7，3 6(5)：6 2 7 6 4 4 3 甘国田 迅速发展的对流层散射通信 J 通信技术与 发展1 9 9 7(3)4 张明高 对流层散射传播 M 北京：电子工业出版 社 2 0 0 4 5 尹成友，林世山，许尤福 利用对流层散射实现对雷达 信号超视距侦察的体制研究 J 电子对抗技术2 0 0 3 (6)作者简介 李引凡 1 9 7 9年生，重庆通信学院军事信息工程 系讲师。主要研究方 向：军事通信装备。An a l y s i s o f Me c h a n i s m a n d Ch a r a c t e r i s t i c s f o r Tr o p o s p h e r i c S c a t t e r e d P r o p a g s t i o n L i Yi n f a n (D e p a r t m e n t o f Mi l i t a r y I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g，C h o n g q i n g C o mm u n i c a t i o n s I n s t i t u t e，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 5，C h i n a)Ab s t r a c t T h r e e p ri n c i p a l t h e o r e t i c a l mo d e l s f o r t r o p o s p h e ric s c a t t e r e d p r o p a g a t i o n me c h a n i s m a r e p r e s e n t e d b a s e d o n t h e g e n e r a l c h ara c t e r i s t i c o f t r o po s p h e r e a n d a wi d e o f a d v a n t a g e s for t r o po s p h e ric s c a t t e r e d p r o pa g a t i o n i s a n a l y z e d Th e n t r a n s mi s s i o n l o s s a n d f a d i n g c h a r a c t e ri s t i c a r e d i s c u s s e d b e f o r e e f f e c t i v e me a s u r e s a r e p r o p o s e d t o o v e r c o me t he l a c k o f t r o p o s p he ric s c a t t e r e d p r o p a g a t i o n Th e r e s e a r c h f o c us i n t h e f u t u r e i s d i s c u s s e d i n t h e a n d Ke y wo r d s Tr o p o s ph e r e S c a t t e r e d p r o p a g a t i o n At mo s ph e ric t u r bu l e n c e