内刊访谈

[特别策划] 海洋蒸发波导特性及应用

发表时间:2019-08-16 09:39:17

文/杨坤德 王淑文 史阳 马远良

 

  杨坤德:西北工业大学航海学院副院长、教授、博士生导师

  王淑文:西北工业大学航海学院在读博士

  史阳:西北工业大学航海学院博士

  马远良:中国工程院院士、电子科技委顾问、西北工业大学教授

 

  提话:海洋蒸发波导现象对近海面电磁波传播具有重要影响,深入研究蒸发波导历史统计规律、实时监测和预报方法,对海上雷达、通信、电子对抗系统的设计和应用,具有重要意义。同时,利用蒸发波导还可以扩展海上通信系统的通信距离,实现近海面数据的远程高速传输。

 

  蒸发波导是大气波导的一种,经常出现在海洋大气环境的边界层内,它能够将电磁波陷获在波导层中,对电波传播具有重要的影响,从而对海上雷达、通信、导航、对抗等系统产生重要影响。有关蒸发波导的环境特性和电磁波在此环境下的传播特性研究,在通信、探测、电子对抗等无线电系统中有着重要的理论意义和应用价值。蒸发波导相关问题是一个非常复杂的多学科交叉问题,内容涉及电磁波理论、大气科学、海洋科学、微波通信技术等。本文主要从现有海上通信方式的特点,蒸发波导概念及其通信应用领域,以及国内外在蒸发波导研究中开展的工作进行了阐述。

 

  现有海上通信方式
 

  现有的海上数据传输通信方式主要有5类,分别为高频地波通信、超高频视距通信、空继超高频视距通信、L/C频段民用卫星通信以及超高频军事卫星通信。其中,超高频视距通信受到地球曲率的限制,数据传输距离较短,一般只有20~40km;高频地波通信和空继超高频视距通信的距离可达200km,但是高频地波通信受频段限制传输速率较低,而空继超高频视距通信则依赖于空中中继节点,因此其应用也受到了制约。现代卫星通信技术可以支持海上平台之间实现Mbps级的高速远程数据交换,但是卫星通信费用高、抗干扰性弱。因此亟待寻求一种可以同时满足高速率、远距离、低成本、保密性好的海上数据传输方式。

  基于蒸发波导的微波数据传输方式因此进入了研究人员的视线。蒸发波导是海洋环境中特有的一种大气波导,海水蒸发是其主要成因,因此蒸发波导几乎存在于任何时间、任何海域。海面蒸发形成的水汽垂直扩散,导致海面上方大气折射指数在部分高度内产生负梯度变化,这种负梯度异常变化会改变微波的折射传播方式,使得微波信号以类似于在金属波导管中传播的形式在海面上实现跳跃式传播。这种跳跃式传播除保持了常规微波通信数据率高(可达Mbps数量级)的特点外,还具有不受地球曲率限制(超视距性能)、传播定向性好(保密性好)、传播损耗小(传输距离远)、不需要额外的中继设备(经济性好)等特点[1]。

 

  蒸发波导基本理论
 

  1.蒸发波导的概念

  波导折射是大气波导中特有的自然现象。大气波导是位于对流层底层的具有特殊垂直折射指数梯度结构的大气层结。电磁波在大气波导中传播时会产生向下的折射,而在大气波导下界面上则会产生向上的反射。电磁波将会以这种在大气波导层结及其下界面之间不断折射和反射的形式向前传播。蒸发波导是最为重要的一种大气波导类型,蒸发波导修正折射率剖面(M值剖面)是一个对数线性剖面,可以由折射率剖面的直接测量结果所给出,也可以根据气象参数信息使用气象模型计算得出。如图1。蒸发波导主要由于海面蒸发改变了上层大气中湿度的垂直分布,使得自海面到一定高度内的修正大气折射率垂直梯度

。在蒸发波导层结中,大气修正折射率M自海面随高度增加而减小,当到达某个较大高度时,M达到一个临界最小值,此后将随高度继续升高而增大,该临界点对应的高度被定义为蒸发波导高度。蒸发波导高度是蒸发波导的重要电磁特征参量,可以用来指示蒸发波导对电磁波陷获能力的大小。对于一定频率电磁波,蒸发波导高度越高,那么它陷获电磁波的能力就越强[2]。


图1 蒸发波导剖面及电磁波在蒸发波导中的传播示意图
 

  2.蒸发波导特点

  蒸发波导是海洋环境中特有的一种大气波导,海水蒸发是其主要成因,蒸发波导几乎存在于任何时间、任何海域,具有发生概率高的特点。蒸发波导高度与气象参数关系密切,蒸发波导分布依赖于气象参数,因此蒸发波导的时空分布规律较为复杂。

  (1)世界海洋蒸发波导时空分布规律,其主要表现为[2]:

  ①由于世界各地气候特征随纬度变化明显,蒸发波导高度分布特征也随纬度变化明显,如图2所示。

  ②总体来说,蒸发波导高度随着纬度增加不断减小。在纬度40°到60°海域,蒸发波导平均高度大约在5m左右。在北冰洋海域,蒸发波导平均高度在7m左右,但是在南极州附近海域,蒸发波导平均高度在15m左右。

  ③在靠近陆地的海域,例如北美洲西南侧海域、南美洲东南侧和西南侧海域、非洲东侧和西侧海域,北冰洋北部海域、澳大利亚西侧和南侧海域、印度洋北部海域、地中海、红海、亚丁湾、阿曼湾、波斯湾和中国黄海海域的蒸发波导高度相对较高。主要原因是这些海域靠近沙漠或者比较干燥的大陆区域,相对湿度较低,会导致蒸发波导高度较高。
 

  (a)世界海洋蒸发波导分布  (b)蒸发波导高度随纬度的分布

图2 世界海洋蒸发波导时空分布规律
 

  (2)南海蒸发波导时空分布规律计算结果

  图3是蒸发波导高度月平均值的分布图,从图中可以看出蒸发波导时空分布在空间上和时间上都是不均匀的。下面将南海分为四个区域进行分析:

  ①北部湾

  在1月和2月,蒸发波导高度较低,小于10 m。在4月、5月和7月,蒸发波导高度较高,尤其在7月,蒸发波导最高,平均值为13.8 m。在夏季,蒸发波导高度较高的区域出现在海南岛西北部和越南东北部海域。在秋季,蒸发波导高度开始降低,但是,在整个冬季,蒸发波导高度都比较高。

  ②南海北部

  在1月到8月,蒸发波导高度在10 m到12 m之间。从9月到11月,蒸发波导高度不断升高,在11月达到最高,为14.3 m。在12月以后,蒸发波导高度回落到10 m左右。在全年中,4月蒸发波导高度最低,为10.2 m。在春季、夏季和秋季,蒸发波导高度最高的区域都出现在台湾和菲律宾中间海域。在11月和12月,在整个海域蒸发波导高度都比较高。

  ③南海中部

  蒸发波导高度最高值出现在12月,为13.1 m。蒸发波导高度最低值出现在10月,为9.9 m。在整个冬季,蒸发波导高度都比较高。当春季来临,蒸发波导高度开始降低,蒸发波导高度较低区域出现在该区域南部。在夏季,蒸发波导高度大于10 m,蒸发波导高度较高的区域移动到越南东南部海域。

  ④南海南部

  蒸发波导高度最高值出现在9月,为12.0 m。蒸发波导高度最低值出现在3月,为9.6 m。在冬季,蒸发波导高度较低区域出现在马来西亚西北部,小于10 m。当春季来临,蒸发波导高度迅速上升,蒸发波导高度较高区域出现在该海域南部。在9月和10月,蒸发波导高度降低到10 m左右。
 


图 3 南海蒸发波导时空分布规律(月平均值)

 

  (3)亚丁湾附近海域的蒸发波导分布规律

  亚丁湾是印度洋通向地中海和大西洋的交通要道,也是世界上最繁忙的国际航路之一[1]。图4为亚丁湾海域蒸发波导高度长期月均值随月份的变化。从1月至5月,蒸发波导高度在大部分亚丁湾海域的分布较为均匀,均值约为10-12m,变化波动较小。当夏季来临,蒸发波导高度迅速增大,并且在7月达到全年最大值(>30m)。此时蒸发波导的区域分布出现差异,特别是在亚丁湾内部海域。亚丁湾西部的蒸发波导高度先迅速变大(6月),然后这种升高趋势延伸到亚丁湾东部(7月),并停止在亚丁湾东出海口。此时在亚丁湾东出海口与其西阿拉伯海连接的边界上,蒸发波导高度发生急剧变化,高度从30m降至15m左右。这种异常分布一致持续到了9月。从9月以后,蒸发波导高度的分布又恢复到了冬季的水平。



图4 亚丁湾海域蒸发波导高度长期月均值分布与变化(单位:m)
 

  蒸发波导的特点还体现在其对电磁波传播的影响上。海面蒸发形成的水汽垂直扩散,导致海面上方大气折射指数在部分高度内产生负梯度变化,这种负梯度异常变化会改变微波的折射传播方式,使得微波信号以类似于在金属波导管中传播的形式在海面上实现跳跃式传播。这种跳跃式传播除保持了常规微波通信数据率高(可达Mbps数量级)的特点外,还具有传播定向性好(保密性好)、传播损耗小(传输距离远)、不需要额外的辅助设备(经济性好)等特点。图5是通过射线模型仿真得到的电磁波在蒸发波导中传播的示意图,此图5(a)天线高度为5m,蒸发波导高度为16m,天线在蒸发波导层内。可以看出在较近的距离处,有一部分射线向上传播,穿出蒸发波导层,而在一定的距离外,由于蒸发波导对于电磁波信号有陷获作用,使电磁波向下传播,大部分能量在波导层高度内传播。图5(b)天线高度为25m,蒸发波导高度为16m,天线在蒸发波导层内。可以看出,此时电磁波不能陷获在蒸发波导层中传播。因此,若想利用蒸发波导进行超视距传播,必须使天线在蒸发波导层内。
 

 (a)天线高度5m  (b)天线高度25m

图5  蒸发波导陷获电磁波示意图

 

  蒸发波导通信应用领域
 

  从1998年到2000年,澳大利亚国防科技局和詹姆斯库克大学的研究人员[3]在澳大利亚沿海岸线、珊瑚海以及太平洋海域多次开展了蒸发波导结构监测试验(图6),重点研究了风速等海洋环境因素的变化对蒸发波导的影响,发现蒸发波导在热带海域处于主导地位,一天之中有效可利用时长为20%~80%,因此可以作为远距离高速率数据传输的通信通道。此后他们利用蒸发波导这一特性,建立了一条长约78km连接大堡礁和澳洲大陆的蒸发波导数据传输链路[4],该链路工作频率为10.6GHz,传输数据率可达10Mb/s,可以满足传输大堡礁实时图像的需求。
 


图6  澳大利亚研究人员开展的试验地点、发射接收天线、测量浮标和取得的部分结果

 


图7大堡礁蒸发波导数据传输链路信号塔、路径损失分布仿真和测量结果
 

  2001年8月末至9月中旬,在美国海军研究办公室的资助下,美国空间和海军电子站系统中心大气传播分部联合多所科研院所在夏威夷瓦胡岛附近开展了RED(Rough Evaporation Duct)试验[5],该试验通过海洋气象环境和电波传播测量相结合的方法,研究了海洋粗糙表面对气海边界层内大气折射率垂直分布和电波传播的影响,进一步验证了蒸发波导模型所依赖的半经验莫宁-奥布霍夫边界层相似理论在海洋环境中的适用性,以及抛物方程模型结合MBV粗糙海面等效因子模拟粗糙海面微波传播的有效性。
 


图8 美国RED试验地点、FLIP以及部分试验结果
 

  利用海上蒸发波导可以实现微波信号的超视距通信。蒸发波导在海洋信息网络中应用前景广阔:

  (1)蒸发波导超视距通信可以应用于舰艇编队等,实现舰艇编队间的实时远距离通信,增加编队作战的灵活性;

  (2)蒸发波导环境条件可以提高雷达对海面附近目标的探测能力,实现超视距探测,极大提高雷达性能;

  (3)蒸发波导超视距通信也可应用于声呐浮标,实现声呐浮标数据的实时上传,为浮标与母船之间提供新的通信手段;

  (4)蒸发波导超视距通信也可用于民用领域,例如为渔船编队提供网络支持,实现视频电话、视频会议等,为渔船作业提供通信保障。

 

  国内及西工大研究现状
 

  1.国内研究工作

  我国在上世纪60年代就开始开展了大气波导反常传播和预报的工作。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[7-8]。进入2000年以来,随着我国海军信息化水平的不断提升,越来越多的科研机构开始从事大气波导相关研究工作,如:大连海军舰艇学院[9]、西安电子科技大学[10]、海军工程大学[11]、解放军理工大学[12,13]和西北工业大学[1-2,6,14-27]等。这些单位在蒸发波导建模、监测方法,海上观测实验以及大气波导应用等方面开展了深入的研究,取得了一定的研究成果。

  2.西北工业大学研究工作

  西工大的团队在蒸发波导领域开展了大量研究,在蒸发波导模型研究、蒸发波导时空分布规律研究、蒸发波导实时监测及预报方法研究、蒸发波导电磁波理论和模型研究以及蒸发波导超视距通信装备研究等领域取得了一系列突破进展。

  (1)在蒸发波导模型研究方面,研究了利用蒸发量估算蒸发波导高度的三参数经验模型[1],具有良好的预测性能;另外,建立了利用神经网络计算蒸发波导高度的模型[27],突破了传统模型依赖大气边界层相似理论的限制。

  (2)建立了高分辨的世界海洋波导环境数据库,利用最近18年的NCEP的再分析数据分析了全球海洋以及西太平洋[19]、南海[21]、亚丁湾[25]等重点海域蒸发波导的统计规律,给出了很多有价值的结论。

  (3)研制出蒸发波导超视距通信系统,实现了岸-海-岸、船-岸、船-船、浮标-船之间的超视距高速通信。

  小结

  本文结合课题组的研究工作,介绍了海上蒸发波导现象。海洋蒸发波导现象对近海面电磁波传播具有重要影响,深入研究蒸发波导历史统计规律、实时监测和预报方法,对海上雷达、通信、电子对抗系统的设计和应用,具有重要意义。同时,利用蒸发波导还可以扩展海上通信系统的通信距离,实现近海面数据的远程高速传输。因此,研究并解决海洋蒸发波导中存在的科学问题,实现蒸发波导的有效利用,对于海洋网络信息体系的建设有着重要作用。

 

  参考文献
 

  [1] 张琪.海洋蒸发波导形成机理及环境特性研究[D].西安:西北工业大学,2018.

  [2] 史阳.蒸发波导建模及微波传输特性研究[D].西安:西北工业大学,2017.

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  [4] Woods G. S., Ruxton A., Huddlestone-Holmes C., et al. High-capacity, long-range, over ocean microwave link using the evaporation duct[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2009, 34(3):323-330.

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