1.1 蒸发波导的研究背景与意义

电磁波在大气中的异常传播现象很早就被观测，但在早期，这类异常传播的现象并没有引起足够的重视。主要原因是，早期的雷达和通信系统频率较低，而且系统的信息处理能力较弱，只把此类现象当作特殊情况来处理。但是随着各种电子系统的工作频率、数据传输速率和系统带宽的不断提高，对流层大气环境的异常传播特性已经影响到雷达、通信等电子系统的使用，使得电子系统的环境适应性问题变得十分突出。一方面，大气异常传播特性会对电子系统的正常使用产生严重影响。例如，对流层大气波导的形成会改变雷达信号的传播模式，从而使雷达系统产生探测盲区，不利于目标的探测；无线通信系统也会受到这种异常传播环境的影响，甚至会造成通信中断。另一方面，对大气环境的异常传播特性加以利用，还可以实现雷达对低空目标的超视距探测，以及通信系统的超视距数据传输[1]。

现代化海军正在进行着以信息化为核心的作战模式的变革，海军的作战编队需要对陌生的高威胁作战海域实现有效的、大范围的立体化监测。图1-1和图1-2所示就是两类立体化监测网络，这些监测网络主要由水上（面）预警探测体系、水下预警探测体系及通信数据链系统构成。立体化监测网络的主要功能是实现水上水下目标的探测、识别和跟踪，它是捍卫国家领海、维护海洋权益、保护海上战略航道安全和确保港口安全的重要手段。随着船载电子系统的不断发展，单个平台的探测能力不断提升，多平台网络化协同探测是立体化监测网络的发展趋势，也是提升区域监测能力的有效手段。网络化协同探测需要在多个平台之间交互大量数据，这就对海上数据传输提出了更高的要求。

美国研究人员[2]总结了现有水面以上的通信数据链系统主要依赖的5种射频通信方式：高频地面波通信（High Frequency Ground Wave，HFGW）、视距特高频通信（Line-of-sight UHF，LOS）、飞机中继的视距特高频通信（Line-of-sight UHF with aircraft destination/reply，LOS w/relay）、L和C波段卫星通信（L/C-band satellite）、特高频军事卫星通信（UHF military satcom）。在这5种射频通信方式中，LOS通信方式的通信距离比较短，在6～12英里之间（取决于天线的高度）。LOS w/relay通信方式和HFGW通信方式的通信距离可以达到193km，但是，LOS w/relay通信方式需要依赖空中中继节点，HFGW通信方式的数据传输速率也较低。L/C-band和UHF这两种卫星通信方式也可以达到很远的通信距离，但是数据率较低。现代卫星通信技术已经能够实现水面平台之间的远程高速通信（Mb/s量级），但是，卫星通信同时也具有保密性差、抗干扰性差等缺点。随着现代数字通信技术的发展，LOS的通信速率也可以达到Mb/s，但是通信距离依然是视距，即在几十千米范围内。此外，短波通信作为传统通信手段，虽然通信距离很远，但是数据传输速率比较低，而且易受电离层环境的影响。

目前水下远距离数据传输主要依靠水声通信方式，而当前水声通信的技术水平不高：传输距离和数据传输速率上限的乘积约为50km·kbit/s。现代反潜作战中的高级可布放系统（Advanced Deployable System）及多平台协同反潜技术的发展，对水声数据远程高速传输提出需求。水下探测系统主要采用水声传感器阵列，数据量很大，为Mb/s数量级。利用现有的水声通信手段远远不能满足水声数据远程高速传输的要求，很难实现大范围海域的协同联合探测和信息组网。而且受到水声物理规律制约，这种矛盾依靠现有的水声通信技术是难以解决的。表1-1是上述5种通信数据链系统的通信能力比较，从表1-1可以看出，现存的射频通信方式的也存在数据传输速率低、传输距离近的问题，这也制约着立体化海洋监测网络的构建。

合理利用近海面蒸发波导这一自然现象，可以解决近海面数据远程高速传输难题。蒸发波导是大气波导的一种，其产生的机理如下：伴随着海面水汽的蒸发和扩散，海面上方的大气湿度随高度的增加减小，相应的大气折射指数随高度的增加而减小，呈负梯度变化趋势。大气折射指数的负梯度使得电磁波向下折射传播，当向下折射的曲率大于海面的曲率时，电磁波信号就被陷获在蒸发波导层中，实现超视距传播（通常可达上百千米）。电磁波在蒸发波导层中传播的情形如图1-3所示，该情形类似电磁波在金属波导管中的传播。另外，电磁波通信系统具有可靠性高、传输特性稳定、数据传输速率高（Mb/s数量级）等特点。因此，适当地利用电磁波在近海面蒸发波导中的传播特性，可以实现水声数据的远程高速传输。

图1-4所示为海上各种通信方式的传输距离和传输速率的对比，图1-5所示为海上各种通信方式的优缺点。从图1-4和图1-5可以看出，在传输距离为100km左右、传输速率为Mb/s的通信需求下，蒸发波导通信可以提供一种新的近海面远程高速数据传输手段，而且具有低截获的优点。卫星通信虽然也可以实现数据的远程高速传输，但具有易干扰、易被截获、频段有限及战时不可靠等缺点。因此，发展蒸发波导通信技术，可为海上监测网络的构建提供有效的通信手段。但是，近海面蒸发波导环境特性受气象条件的影响较大，变化规律复杂，诊断、监测和提前预报都很困难。而且，蒸发波导信道的传输特性受蒸发波导环境、电磁波频率、天线高度、传输距离、粗糙海面等因素的影响，也变得十分复杂。因此，需要深入研究蒸发波导监测及预报方法，分析蒸发波导信道的传输特性，并利用海上实验观测数据进行验证和对比，为蒸发波导的远程高速数据传输系统的设计和应用奠定坚实的技术基础。