對流層散射通信

地球大氣層一般分為電離層、平流層和對流層。對流層是大氣層的最低層，其下界與地面相接，上界即對流層頂（與平流層的交界處），一般定義為溫度不再隨高度增加而下降之處，中緯度地區平均高度為10～12km，低（高）緯度地區較高（低）些，且一般夏季高於冬季。對整個大氣圈而言，對流層只是很薄的一層，但它集中了90%的大氣質量，主要天氣現象如風雨、雷電、雲霧等都發生在這一層。

（1）溫度隨高度升高而降低

因為大氣不能吸收太陽短波輻射，但地面能吸收太陽輻射而升溫並放出長波輻射，大氣主要通過吸收地面的長波輻射和通過對流、湍流等方式從地面吸收熱量才能升溫，因而，越接近地面的大氣得到的熱量越多，造成對流層的氣溫隨高度升高而降低，平均每上升100m，氣溫約降低0.65℃。

（2）有強烈的垂直混合

低層空氣由於從地面得到熱量而上升，高層冷空氣下沉，導致逆溫現象，造成對流層內存在強烈的垂直混合作用。熱帶地面溫度高，垂直混合能到很高的高度，對流層頂高度高；極地地面溫度低，垂直混合作用弱，對流層頂高度低。

（3）氣象要素水平分佈不均勻

由於各地緯度和地表性質的差異，地面的受熱不均，地面上空空氣在水平方向上具有不同物理屬性，壓強、溫度、濕度等氣象要素水平分佈不均，導致發生大氣環流，從而產生各種天氣過程。由於對流層的上述特徵，造成對流層中分佈著大量的不均勻體（或稱散射體），因此，對流層是一種隨機不均勻介質。散射體的具體表現為體積、形狀、運動速度、溫度、壓強、濕度等都與周圍空氣明顯不同的渦旋、雲團邊際和漸變層結等，其折射指數也與周圍空氣有差異。無線電波通過這種不均勻介質時，除遭受折射外，還被不均勻體再次輻射，即對流層散射。

對流層散射現象的發現源於20世紀30年代，在實踐中觀察到了傳播距離達到800-1000km，遠遠超出視距的超短波、微波信號。由於頻率太高，射向地面的超短波、微波頻段的電波幾乎無法在地表激起表面電流，這時地表對於這個頻段的電磁波而言相當於良導電體，電磁波在地表幾乎全部反射而沒有入射；另一方面，大氣層中的電離層處於等離子體狀態，電離層由於擁有自由電荷且自由電荷隨著空間高度的變化而不均勻，可以使射向天空的頻率較低的電磁波經過多次折射而返回地面，但是這個頻率最高大概能達到50MHz，再高頻率的電磁波將穿過電離層進入宇宙空間。這意味著超短波及以上頻率的電磁波既無法以地波的形式沿著圓形地球表面傳播，也無法以天波傳播的方式經電離層折射返回地面，其傳播方式為空間波傳播，又稱視距傳播，傳播路徑類似於光路徑，是一條射線，不會發生彎折而發生超視距傳播。即使考慮到大氣折射效應導致的實際電波傳播路徑彎折，超短波和微波的超視距效應也是非常微弱的，不可能顯著超出視距傳播到上千公里之外的地方。後來，有人用大氣波導之類的偶然因素來解釋這種超短波、微波超視距傳播，但隨後的研究否定了這種理論。於是，人們提出了新的傳播機制來解釋這種現象，即對流層散射傳播機制。

但是，對流層散射傳播機制具體是什麼並沒有一個定論，人們通過構造各種理論模型來解釋這種傳播，使理論模型得出的數據儘可能地與實測數據相符。到目前為止，已經提出的機理主要有湍流非相干散射（散射理論）、不規則層非相干反射（多模理論）和穩定層相干反射（反射理論）三種。這裡首先了解大氣物理中的一些相關概念，再引出對流層散射傳播的這三種機制。

大氣湍流是大氣中的一種重要運動形式，它的存在使大氣中的動量、熱量、水氣和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強，遠大於分子運動的交換強度。大氣湍流的存在同時對光波、聲波和電波在大氣中的傳播產生一定的干擾作用。

大氣湍流的發生需具備一定的動力學和熱力學條件：其動力學條件是空氣層中具有明顯的風速切變；熱力學條件是空氣層必須具有一定的不穩定度，其中最有利的條件是上層空氣溫度低於下層的對流條件，在風速切變較強時，上層氣溫略高於下層，仍可能存在較弱的大氣湍流。理論研究認為，大氣湍流運動是由各種尺度的渦旋連續分佈疊加而成。其中，大尺度渦旋的能量來自平均運動的動量和浮力對流的能量；中間尺度的渦旋能量則保持著從上一級大渦旋往下一級小渦旋傳送能量的關係；在渦旋尺度更小的範圍內，能量的損耗起到了主要的作用，因而湍流渦旋具有一定的最小尺度。在大氣邊界層內，可觀測分析到最大尺度渦旋約為1km，而最小尺度約為1mm。

大氣層中，折射指數是直接影響電波傳播的參量。近似地看，對流層折射指數在垂直方向上隨高度的增加而減小，在水平方向是均勻的。因此，可以把折射指數的等值面看成是許多與地球同心的球面，這就是所謂的球面分層近似。但實際上，等值面很少是同心球形狀的，而是具有各種尺度的不均勻體。有些等值面形成形狀不規則的、隨機變化的閉合面。在這些閉合面內的折射指數高於（或低於）外面的數值，這就是折射指數隨機不均勻體。它們呈扁平形狀，水平方向上的尺度大，垂直方向的尺度小。

折射指數不均勻體在入射電波的照射下會產生二次輻射，使原來朝一個方向傳播的電波在其他方向上也有能量傳播，分散的角度越大，能量就越小。發射天線輻射的部分能量因接收天線和發射天線波束相交公共體中不均勻體的作用而偏離原來的方向，能夠被設置在視距以外的接收天線收到。當然，這裡所說的不均勻體包括尺度很小的不均勻體，也包括尺度很大的折射指數突變的層狀結構。但是，湍流引起的小尺度不均勻體是經常存在的，而起反射作用的層結僅在一部分時間內出現。在公共體積中有很多不均勻體，其數目、位置和取向都是隨機變化的，因此，各個不均勻體所散（反）射的信號具有隨機變化的幅度和相位。這些信號在接收天線處疊加成總的接收信號，其幅度和相位均隨機變化，這是散射信號的特點。相反，層反射信號比較穩定，強度也較高，因而可以利用接收信號的這些特點來區分傳播機制。

（1）湍流非相干散射

大氣湍流運動產生大氣渦旋，每一個渦旋都是一個介電常數不均勻體，在電波的照射下，它變成一個偶極子，將入射電磁能量向四面八方進行二次輻射。由於湍流運動的特點，散射體是隨機變化的，每個受激勵的偶極子輻射的信號在強度、相位上應是相互獨立、互不相干且隨機變化的，因而對任一固定的接收點而言，其接收信號就是這些不相干多徑信號的矢量和。

（2）不規則層非相干反射

這種理論認為在對流層中經常存在溫度、濕度和壓力都極為不同的雲層和冷暖空氣團，當它們在某處交匯時，由於各項參數的急劇變化導致折射指數的劇烈變化，從而形成一種銳變層。這類銳變層強度不等、形狀不一，位置、取向極不規則，不斷變化，並隨氣流不斷移動。此種理論認為，這類不規則層對電波的非相干性部分反射，就是電波超視距對流層傳播的起因。

（3）穩定層相干反射

這種理論認為，電波超視距對流層傳播起因於介電常數隨高度變化而較穩定的非線性分佈。大氣中的介質可按高度連續分成一系列薄層：一層相對一層的介電常數都有所變化；每層都能對電波進行部分反射；各反射分量間有確定的相位關係，它們在接收點的相干疊加即為接收場。

綜上所述，三種理論模型都緣於對流層中不同的大氣分佈，且各種理論還有許多細分。相對而言，湍流非相干散射理論發展得比較完備，它有比較嚴格的湍流理論作基礎，並且可與較多的實驗數據相吻合；不規則層非相干反射理論在介質結構上缺乏嚴格的理論基礎，但仍能與許多實驗結果相吻合；穩定層相干反射理論在與實驗數據的吻合度上較差一些，但在一些特定的環境下仍有與之比較符合的實驗數據。從頻率上看，在0.5GHz以下，對流層超視距遠距離傳播主要是靠穩定層相干反射和不規則層非相干反射，而且隨著頻率的降低，前者顯得更為主要；在0.5—1.5GHz之間，湍流非相干散射和不規則層非相干反射兩者兼有；1.5GHz以上主要是靠湍流非相干散射。從距離上看，300km以上主要靠湍流非相干散射和不規則層非相干反射。

對流層散射傳播是對流層散射通信的技術基礎。利用對流層散射傳播機理設計的對流層散射通信系統，可以實現超視距通信，同時具有適中的通信容量、傳輸性能、可靠度和戰場生存能力等。

（1）抗核爆能力強

該特點是對流層散射通信獨具的，只要爆炸不傷及設備本身，傳播基本不受影響。同時它也不怕太陽黑子、磁暴、極光和雷電的影響，所以，對流層散射通信能滿足現代戰場中通信指揮的需要。

（2）通信容量大

對流層散射通信的通信容量比視距微波通信和衛星通信小，但比短波通信大，既可傳送多達幾十路甚至上百路的語音信號，又可傳送高速數據和電視信號，且平均BER<1×10－6，可靠度高達99%～99.99%。目前國外的對流層散射通信的傳輸速率最高可達40Mbit/s（Ku波段驗證試驗值），而美軍使用的對流層散射系統速率也達16Mbit/s。

（3）通信保密性好

對流層散射通信通常採用方向性尖銳的拋物面天線，空間電波不易被截獲，干擾也比較困難；系統中間站較少，較易做到集中防衛，人為破壞比較困難，同時也減輕了系統的長期後勤保障負擔。

（4）通信距離較遠

對流層散射通信的單跳距離一般約為300km，最遠可達1000km，比衛星通信和短波通信小，但遠大於視距微波通信，在一定程度上不怕高山、湖海、沙漠、近海海峽等自然障礙。若採用多站接力，其通信距離可達數千公里。

（5）機動性好

對於高山、峽谷、叢林、沙漠、沼澤、岸一島等中間不適宜建微波接力站的地段，可使用移動對流層散射通信設備進行通信，設備的架設和撤收都能在較短時間內完成。

（6）抗毀性強

由於散射通信的單跳跨距大，通信站的數量大大減少，所以被摧毀的概率大大降低。一旦幹線節點中的散射設備被摧毀，則可迂迴傳輸，以確保通信不中斷（應急移動散射通信設備可臨時架設也可隱蔽開通）。

（7）抗干擾性強

由於散射通信通常採用大口徑的拋物面天線，其波束很窄，方向性很強，故敵方很難竊取散射通信方向或散射“公共體，無法干擾。即使在散射公共體上施以無源干擾，對散射通信的影響也不大，因為散射通信就是靠電波的散射效應進行通信的。

（8）適應複雜地形能力強

對於高山、峽谷地，中小山區、叢林、沙漠、沼澤地、岸一島等中間不適宜建微波接力站地段，可使用對流層散射通信。

對流層散射傳輸損耗主要包括基本傳輸損耗、口面介質耦合損耗以及天線偏向損耗等。

基本傳輸損耗主要包括天線低架損耗、大氣吸收損耗以及與氣象氣候條件、頻率、距離和散射角（發射和接收天線波束的相交夾角）等相關聯的傳輸損耗等。在頻率方面，當工作頻率小於3GHz時，傳輸損耗與頻率的三次方成正比；在距離方面，傳輸損耗的變化規律比較複雜，粗略地講，距離每增加100km，傳輸損耗將增加10～20dB；在折射指數方面，一般每增加

1N單位，傳輸損耗減少0.1—0.4dB；在散射角方面，傳輸損耗隨散射角增大而增大，一般散射角每增加1°，傳輸損耗增加約10dB。

口面介質耦合損耗又稱無線電增益虧損，是指在對流層散射傳播中，由於多徑效應，隨著天線增益升高（>30dB時）或波束變窄，有效散射體積隨之減小，導致天線的平面波增益不能完全實現，天線在自由空間的理論增益與在對流層散射線路上測得的實際增益之差即為口面介質耦合損耗。

天線偏向損耗是指當天線波束偏離最佳指向時，因為散射能量減弱或因為到達接收點的信號偏離接收天線主軸而產生的損耗，主要包括方位角偏移損耗和仰角偏移損耗。天線偏向損耗在天線定向或在考慮信號泄漏時特別需要注意。

總之，對流層散射通道的傳輸損耗是相當大的，在2GHz頻段，一條300km左右的線路的傳輸損耗一般在200dB以上。為了補償較大的傳輸損耗，通常採取下述措施：

（1）採用大型天線，通常架設圓形口徑拋物面天線，提高天線實際增益；

（2）採用千瓦級的功率速調管發射機、低雜訊參量放大器和低雜訊場效應三極體放大器；

（3）對於模擬信號調製解調終端機，採用檢波前相加的分集技術和門限擴展技術；

（4）對於數字信號調製解調終端機，採用Rake接收技術，也可以採用時一頻-相調製解調技術或各種類型的自適應技術，以克服多徑效應和ISI，提高分集效果。

在對流層散射傳播中，接收點的散射場是在收、發天線波束相交的區域內，所有散射體一湍流渦旋、不規則銳變層以及相干反射層等二次輻射場的總和。這種隨機的多徑傳輸使得接收點存在著嚴重的衰落現象，具體表現包括：①信號幅度的快衰落現象；②信號畸變或頻率選擇性衰落；③多普勒頻移或頻率擴散現象。

對流層散射通道存在多徑傳播。由於多徑傳播引起的衰落都是陝衰落，理論與實測均表明，對流層散射接收信號的振幅服從Rayleigh分佈、廣義Rayleigh分佈和Rayleigh矢量加反常隨機矢量型分佈等。

另外，在對流層散射通道上，由於氣象條件的有規律變化（晝夜、季節變化）和隨機變化（如氣流運動、大氣風的影響等），造成了接收信號“短時”平均功率或“短時‘中值電平的緩慢起伏，即慢衰落。因此，一般情況下對流層散射通道是由快衰落和慢衰落這兩種通道組成，信號電平瞬時值的變化範圍一般在40dB左右。

為減輕衰落，需附加設備進行分集接收，包括空間、時間、頻率、極化和角分集等，且分集重數一般大於等於4重，這就使得對流層散射通信系統的原始投資比較高。空間分集（垂直空間分集的距離約25A，水平空間分集的距離約100A和頻率分集等顯分集對要求機動的地域網應用有一定局限，因此需研究能減少接收天線數量的角度分集以及不增加設備的隱分集（如多徑信號的獨立衰落等）等其他分集技術。

對流層散射傳播現象是二十世紀三十年代發現的，對流層散射通信作為一種通信手段付諸使用在國外已有幾十年的歷史。對流層散射通信的發展大體分三個階段：

20世紀60年代中葉以前是模擬散射設備的開發與發展時期，在此期間對散射傳播機理進行了大量研究，並研製出模擬散射通信設備，建立了大量的模擬散射通信線路。

20世紀70年代初到70年代中葉，數字對流層散射通信技術發展較快。20世紀70年代中葉以後，各國針對對流層散射通道傳輸數字信號的有關技術問題，主要研究適合於散射通道傳輸的調製解調技術、編解碼技術、分集合併技術、失真自適應技術及裝車技術，並在高可靠性、實用性上取得了明顯進展。

20世紀70年代后，美、英、法、蘇等國相繼研製出一些數字對流層散射通信設備，並建設了多條對流層散射通信線路。

中國自50年代末開始研究散射通信理論和對流層散射通信設備，三十多年來，已先後研製出TS一398、TA一506、TS一510、GS-110、GS一111、GS一112、GS一113、GS一310等多個型號的對流層散射通信設備。

進入20世紀80年代以來，散射通信在軍、民各個領域越來越多地被採用，車載移動散射通信系統的問世又為散射通信設備拓寬了應用領域。20世紀90年代，中國散射通信設備已出口到國外。

在通信技術高度發展的今天，隨著科學技術的發展與進步，對流層散射

通信設備的功能與性能日益完善，自動化程度、性能價格比、設備可靠性、通信傳播可靠度越來越高，為散射通信的應用打下了良好的基礎。

目前散射通信正沿著通用化、標準化、小型化、智能化的方向發展。高分集重數接收技術、失真自適應接收技術、自適應均衡技術、固態功放技術、糾錯編碼技術的迅速發展和應用，必將使新一代抗干擾、高可靠、高機動、小型化的散射通信設備在今後的通信領域發揮越來越重要的作用。