1.1　对流层散射信号的基本特征

关于对流层对无线电波产生前向散射作用这一现象，电波传播科学研究人员提出了多种理论予以解释。其中主流的有散射理论（湍流非相干散射）、反射理论（稳定层相干反射）和多模理论（不规则层非相干反射理论）[1]。这三种理论都能很好地解释一些特定的物理现象，不过散射理论（湍流非相干散射）可解释的问题范围更广，在实际外线试验中观察到的时段的比例也更高，因而通常称这种电波传播方式为对流层“散射”（而非对流层“反射”）。既然是散射，必然存在对电波产生散射作用的“散射体”。严格讲，收发两站天线波束方向图的主瓣在对流层形成一个交汇区，这个区域即“散射体”。图1-1为对流层散射信道示意图。

由于散射体内部对电波传播发生弯折起作用的媒质是不停变化的，因此接收站接收到的信号必然是时变的。实际上，对于散射通信的所有可用频段，衰落都是接收信号最典型、最根本的特征。

按衰落周期的长短不同，散射信号的衰落现象可分为快衰落和慢衰落，它们具有不同的统计规律，原因也不相同。快衰落现象主要来源于大气中的湍流、锐变层及大气波导等引起的多径传播，表现为信号电平在分、秒或更短时间内的中值起伏变化；而慢衰落是指接收电平在较长时间间隔内的中值波动，它主要由气象条件变化引起，是散射电波传播机理的一种经年累月的长期表现。

（1）快衰落。

快衰落是散射信号在几十毫秒至几秒时间间隔内信号的强度变化，其特性与工作频率、通信距离等因素有关。一般认为散射体内存在许多随机运动的不均匀体，在电波作用下每个不均匀体相当于一个辐射源，由各个辐射源所散射的电磁能量可认为是互不相关的，从而到达接收点时的信号具有不同的振幅和相位，这些不同相位的信号分量互相干涉，使得接收点场强具有快衰落特性。

如果不存在反常传播，则散射通信站接收到的信号属于Rayleigh衰落和广义Rayleigh衰落的占绝大多数[2]，深于Rayleigh型的衰落成分比例非常低。

除了衰落深度比Rayleigh衰落更大的“恶劣”的反常传播，散射通信的反常传播还有一种非常“乐观”的“反常”，即大气波导。这种传播最明显的特点是接收电平比典型散射信号高出10～20dB甚至更多，或者说它的路径传输损耗比典型散射信号小10～20dB，就好像信号从发射站经由“大气中的波导管”直接到达接收站一样。

对于雷达应用，大气波导的出现可能并非好现象，但对于通信（或者针对远方信号源的侦查与接收），大气波导还是极受欢迎的。从时域上讲，大气波导出现后接收信号基本不衰落，一旦出现这种反常现象，信道相关带宽将展宽数倍，通常远大于正常通信所使用的频谱带宽，所以信道不再具有明显的时变特性，而是变为一个相对稳定的恒参信道。

在绝大多数时段，散射信号的快衰落都使得接收电平不断发生大幅波动，如果不采取有效措施，瞬时信噪比的降低将导致通信断链或误码性能严重恶化。快衰落具有明显的空间选择性、频率选择性和时间选择性，可利用这些选择特性来实现分集接收，从而抑制其恶劣的影响。

（2）慢衰落。

慢衰落是指接收信号电平的中值（如分钟中值、小时中值、日中值、月中值和年中值等）在较长时间间隔内的起伏变化，通常认为慢衰落是由气象条件（主要是大气折射指数）的缓慢变化导致的传输损耗长期变化引起的。在温和气候下，传输损耗每年、每月、每昼夜均在变化。

月中值损耗趋向于冬天高于夏天，但随着距离的增加而减小。例如在150～250km的陆上路径，该范围是10～15dB，而在位于欧洲的俄罗斯领土上进行920km路径和800MHz的测量结果显示，夏季中值和冬季中值之间只有2dB的差别。

日中值损耗的变化，对于100～200km的陆上路径而言，通常在5～15dB。最大的传输损耗发生在下午，最小的传输损耗发生在凌晨。

海上路径比陆上路径更容易被超折射和架空层所影响，因此变化更大。在海洋区，这种现象也可能发生在地势较低的平坦海岸地区。

在炎热的沙漠气候下，衰减在夏季达到最高值。当昼夜气象条件变化非常大时，中距路径月中值在每年的变化超过20dB。

在赤道气候下，每年和每昼夜的变化总体上不大。

在季风气候下所进行的测量（塞内加尔、巴巴多斯）结果显示：Ns（大气折射指数）的最大值出现在潮湿季节，但最小衰落出现在潮湿季节和干燥季节之间[3]。