散射通信

散射通信一.散射通信简介散射通信(scattercommunication):利用空中传播煤质如对流层及电离层中的不均匀性对电磁波产生的散射作用进行的超视距通信。大气层中的对流层、电离层和流星余迹等，都具有对入射的电磁波再向多方向辐射的特性。如果发射机发出的电磁波辐射到这些地方，就会向各个方向散乱地辐射出去，其中朝斜前方向射去的电磁波能达很远的地方。远处的接收机，如果有足够高的灵敏度，就能将散射来的微弱电磁波接收下来，从而实现通信。根据散射媒质的不同，散射通信一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。散射通信中应用最多是对流层散射通信。对流层散射通信即用对流层对超短波或微波的反射作用来实施超视距通信。军用对流层散射通信有固定式和移动式。流星余迹通信则是利用流行穿过大气层高速运动造成的短暂电离痕迹对无线电波的反射或散射作用进行远距离瞬间通信。流星余迹通信传输受核爆炸及太阳耀斑的影响较小，电波反射的方向性强，隐蔽性好，信号不易被截获，适用于远距离小容量的军事通信。第一条对流层散射通信线路于1955年在美国建立，全长2600公里。中国于50年代中期开始研究，于60年代初研制出对流层散射通信设备。在军事通信中，由于散射通信比短波无线电通信稳定，并可多路传输，比起微波、超短波接力通信来可以不建或少建中间转接站，而且不受高山、海峡、海港等天然障碍地带和被敌占区阻隔的限制。二.散射通信特点由于散射通信中电磁波传输损耗很大，到达接收端的信号很微弱，为了实现可靠的通信，一般要采用大功率发射机，高灵敏度接收机和高增益、窄波束的天线。利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用进行的超视距通信。根据散射媒质的不同，散射通信一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。通常所说的散射通信大多是指对流层散射通信。从地面到十几公里高空的大气层称为对流层。在对流层中由于大气的湍流运动产生了具有各不相同的介电常数的湍流团，当无线电波照射到这些不均匀的湍流团时，就在每一个不均匀体上感应电流，成为二次辐射体，从而向各个方向发出该频率的二次辐射波，这就是散射现象。对流层散射通信就是利用这种现象而实现的超视距无线电通信。由于对流层散射现象在200～8000兆赫频段比较显著，所以对流层散射通信主要工作在这个频段内。三.散射通信优势对流层散射通信的优点是，通信距离远，单跳距离一般约300公里,多跳转接可达数千公里；不受核爆炸和太阳耀斑的影响，传输可靠度高，一般可达99～99.9％；通频带较宽，可达10兆赫以上，能实现多路通信，可以传送电话、电报和数据等。其缺点是，传输损耗大，且随着通信距离的增加而剧增，因而要用大功率的发射机、高灵敏的接收机及庞大的天线，故耗资大。散射信号有较深的快衰落，其电平还受散射体内温度、湿度和气压等的影响，且有明显的季节和昼夜的变化。其衰落程度通常夏季比冬季强，早晚比中午强。为了克服或减小快衰落的影响，常采用分集接收等技术。对流层散射通信主要用于建立战略、战役通信干线。20世纪50年代初，美国提出了建立对流层散射通信系统的设想，并于50年代中建立了对流层散射通信电路。中国于50年代中期开始研究对流层散射传播问题，60年代初研制模拟对流层散射设备，70年代开始研制数字对流层散射设备，并陆续建站投入使用。在地球上空75～90公里的电离层中电离密度的不均匀体,对入射的超短波电波能产生散射作用,利用这种散射信号进行的超视距无线电通信，称为电离层散射通信。电离层散射通信最适用的频段是35～60兆赫，基本上不受核爆炸和太阳耀斑的影响。它的通信距离较远，单跳距离可达1000～2000公里。但它的通频带很窄，通常为2～3千赫，因而通信容量很小，一般只用于电传报通信。信号也存在快衰落现象，信号电平也有季节和昼夜的变化。20世纪60年代初，美国建立了电离层散射通信电路。但由于电离层散射通信的容量很小，发射功率却要求很大，因而限制了它的发展和应用.四.对流层散射通信与流星余迹通信(一)对流层散射通信1.对流层结构及物理特性地球大气层一般分为电离层、平流层和对流层。对流层是大气层的最低层，其下界与地面相接，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10～12km，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90％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。2.对流层的主要特征(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100m，气温约降低0.65℃。(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。3.对流层散射传播机制对流层散射现象的发现源于20世纪30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。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。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1km，而最小尺度约为1mm。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。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，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。③.三种传播机制a．湍流非相干散射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。b．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。c．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。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0.5GHz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0.5—1.5GHz之间，湍流非相干散射和不规则层非相干反射两者兼有；1.5GHz以上主要是靠湍流非相干散射。从距离上看，300km以上主要靠湍流非相干散射和不规则层非相干反射。4.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。5.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BER1×10－6，可靠度高达99％～99.99％。目前国外的对流层散射通信的传输速率最高可达40Mbit／s（Ku波段验证试验值），而美军使用的对流层散射系统速率也达16Mbit／s。③.通信保密性好:对流层散射通信通常采用方向性尖锐的抛物面天线，空间电波不易被截获，干扰也比较困难；系统中间站较少，较易做到集中防卫，人为破坏比