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区域蒸发波导及微波路径损耗预报与验证

王淑文 杨坤德 杨帆 史阳 胡大卫

王淑文,杨坤德,杨帆,等. 区域蒸发波导及微波路径损耗预报与验证[J]. 电波科学学报,2022,37(2):206-213. DOI: 10.12265/j.cjors.2021247
引用本文: 王淑文,杨坤德,杨帆,等. 区域蒸发波导及微波路径损耗预报与验证[J]. 电波科学学报,2022,37(2):206-213. DOI: 10.12265/j.cjors.2021247
WANG S W, YANG K D, YANG F, et al. Prediction and verification of regional evaporation duct and microwave path loss[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(2):206-213. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021247
Citation: WANG S W, YANG K D, YANG F, et al. Prediction and verification of regional evaporation duct and microwave path loss[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(2):206-213. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021247

区域蒸发波导及微波路径损耗预报与验证

doi: 10.12265/j.cjors.2021247
基金项目: 国家自然科学基金(42076198);西北工业大学博士论文创新基金(CX2022008)
详细信息
    作者简介:

    王淑文:(1995—),男,山东人,西北工业大学航海学院博士生,研究方向为海上超视距信息传输、蒸发波导建模

    杨坤德:(1974—),男,四川人,西北工业大学航海学院副院长,教授,研究方向为海洋声学、水声信号与信息处理、海上超视距信息传输

    杨帆:(1996—),男,山东人,西北工业大学航海学院博士生,研究方向为海上超视距信息传输、蒸发波导建模

    史阳:(1986—),男,河北人,西北工业大学航海学院副教授,研究方向为海洋声学、水声信号与信息处理、海上超视距信息传输

    胡大卫:(1999—),男,河南人,西北工业大学航海学院硕士生,研究方向为大气波导、海上超视距信息传输

    通讯作者:

    杨坤德 E-mail: ykdzym@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: TN011;P415.3

Prediction and verification of regional evaporation duct and microwave path loss

  • 摘要: 蒸发波导对近海面电磁波传播有重要影响,区域蒸发波导及微波路径损耗预报对评估海上雷达、通信、侦察等电磁系统的性能至关重要. 本文基于美国国家环境预报中心的GFS预报产品和NAVSLaM蒸发波导预测模型,对我国南海海域进行了大面积蒸发波导预报,利用欧洲中期天气预报中心发布的ERA5再分析数据进行了对比,并结合电磁波传播抛物方程模型开展了微波在蒸发波导信道中的路径损耗预报;然后利用在南海北部的路径损耗测试链路,对预报结果的准确性及时效性进行了验证. 再分析数据对比及海上试验验证结果表明,基于GFS数据开展的蒸发波导层中路径损耗预报,除个别异常点外,预报的路径损耗与实测值趋势相同,在前24 h结果与实测值较为吻合,误差在5~10 dB,可以用于大面积蒸发波导层中路径损耗的预报. 另外,试验发现,降雨会导致预报结果与实测数据有很大的误差,在进行电磁波传播计算时,应充分考虑雨衰、海面粗糙等海洋环境.
  • 图  1  基于GFS数据的蒸发波导及路径损耗预报方法

    Fig.  1  Evaporation duct and path loss prediction method based on GFS data

    图  2  起始时间为2021-04-07T00:00南海气象参数24 h预报结果

    Fig.  2  24 hour forecast results of atmospheric factors in the South China Sea from 2021-04-07T00:00

    图  3  起始时间为2021-04-08T00:00南海气象参数24 h再分析结果

    Fig.  3  Reanalysis results of atmospheric factors in the South China Sea for 24 h from 2021-04-08T00:00

    图  4  南海0~72 h EDH预报结果

    Fig.  4  0−72 h evaporation duct height forecast results of the South China Sea

    图  5  南海0~72 h EDH再分析结果

    Fig.  5  0−72 h evaporation duct height reanalysis results of the South China Sea

    图  6  南海0~72 h蒸发波导信道路径损耗预报结果

    Fig.  6  0−72 h evaporation duct channel path loss forecast results of the South China Sea

    图  7  南海0~72 h蒸发波导信道路径损耗再分析结果

    Fig.  7  0−72 h evaporation duct channel path loss reanalysis results of the South China Sea

    图  8  蒸发波导路径损耗测量试验链路

    Fig.  8  Propagation path in the evaporation duct experiment

    图  9  2021-04-07T00:00—2021-04-17T00:00预报路径损耗与实测路径损耗对比

    Fig.  9  Comparison of predicted path loss and measured path loss from 2021-04-07T00:00 to 2021-04-17T00:00

    表  1  提取的GFS数据参数

    Tab.  1  Factors from GFS products

    气象参数高度
    空气温度/℃2 m
    海表温度/℃表面
    相对湿度/%2 m
    大气压/ hPa表面
    风速分量v/(m·s1)10 m
    风速分量u/(m·s1)10 m
    下载: 导出CSV

    表  2  蒸发波导信道路径损耗计算参数

    Tab.  2  Evaporation duct channel path loss calculation parameters

    参数取值
    中心点坐标(114°E,18°N)
    距离300 km
    角度范围0~360°
    频率8 GHz
    天线高度5 m
    极化方式水平极化
    环境信息GFS预报数据
    (2021-04-08T00:00起0~72 h)
    ERA5再分析数据
    (与GFS数据时间对应)
    下载: 导出CSV

    表  3  测试系统配置

    Tab.  3  Experimental configuration

    参数取值
    输出功率10 W
    发射/接收天线类型全向天线
    发射/接收天线增益7 dB
    天线高度4 m
    电磁波频率9.100 5 GHz
    极化方式垂直极化
    低噪声放大器增益32 dB
    线损等损失5 dB
    下载: 导出CSV
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    WANG Z, WANG Z H, ZHANG Y S. Numerical simulation of evaporation duct with WRF model[J]. Ocean technology,2010,29(3):93-97. (in Chinese)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-08
  • 录用日期:  2022-02-14
  • 网络出版日期:  2022-02-14

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