散射通信設備氣象雷達數據傳輸分析論文
摘要：文章采用散射通信設備對架設在野外的氣象雷達數據進行非視距傳輸試驗，驗證散射通信設備用于氣象雷達數據傳輸的可行性。驗證結果表明，作為一種非常規無線傳輸方式，散射通信設備能夠滿足特定條件下的非視距傳輸要求，豐富了氣象雷達數據傳輸手段。
關鍵詞：散射通信；氣象雷達；非視距傳輸
引言
作為傳統雷達領域的一個重要分支，氣象雷達利用空中雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用，來探測大氣中氣象回波的形狀、分布范圍以及移動速度，從而演算出天氣特征和變化趨勢［１］。對于架設在野外的氣象雷達來說，需要將雷達數據實時傳輸到氣象中心進行下一步分析。目前，固定式氣象雷達站數據傳輸方式多數采用光纜，機動式氣象雷達一般采用無線網橋方式進行數據傳輸。使用無線網橋傳輸時，主要面臨兩個問題：一是距離不夠遠；二是傳輸路徑需要通視，不能存在高大樹木、建筑物等阻擋。為了解決非視距遠距離傳輸問題，特使用散射通信設備對氣象雷達數據傳輸能力進行了驗證。
１散射通信簡介
對流層是大氣層的一個區域，位于從地面到大約１０ｋｍ高，質量大約是大氣總質量的８５％［２］。大氣分層示意圖如圖１所示。對流層內部存在大量不斷變化的湍流團，電磁波遇到湍流團時會發生散射現象，當電磁波的波長與湍流團尺寸相當時，散射方向主要去往前方，其中一部分電磁波轉向地面，形成超視距“彎管傳輸”，達到類似無源轉發效果。對流層散射通信，就是利用對流層湍流團快速、不均勻變化特性實現的超視距通信方式，由于該通信方式具有單跳跨距大、較強的抗偵收抗毀等優點，在軍事通信中占有重要的地位［３］。隨著電子技術的快速發展，近年來散射通信在通用化、標準化、模塊化方面得到長足進步，特別是高分集重數接收技術、單天線隱分集技術、失真自適應接收技術、自適應均衡、編碼糾錯等技術逐漸成熟并獲得應用，必將使新一代抗干擾、高機動、小型化的散射通信設備在今后的通信領域發揮越來越重要的作用［４］。
２驗證過程
２．１驗證方式
安徽四創電子股份有限公司（以下簡稱“四創電子”）將位于合肥郊區試驗場某型氣象雷達數據傳輸至市區公司辦公樓，用來驗證散射通信設備數據傳輸可行性，傳輸設備選用技術較為先進的ＢＬ－Ｃ－１０型便攜式散射通信設備。
２．２驗證設備
２．２．１ＢＬ－Ｃ－１０型便攜式散射通信設備該設備是一種中小容量、超視距無線傳輸設備，主要組成包括２臺用戶復用設備、２臺散射通信低頻設備、２臺散射通信高頻設備、２套天饋系統和其它配套設備。設備采用單天線、單發射機、單接收機技術體制，整機結構簡單，操作靈活方便。如圖２所示。散射通信設備主要技術指標：
１）工作頻段：Ｃ頻段；
２）最遠傳輸距離：６０ｋｍ；
３）業務速率：２５６～２０４８ｋｂ／ｓ；
４）支持業務：話音、數據、圖像、ＩＰ；
５）發射功率：４０Ｗ（射頻單元出口）；
６）天線增益：≥３２ｄＢ（標配直徑１．２ｍ天線）。
２．２．２某型氣象雷達風廓線雷達是一種新型對空氣象遙感探測設備，原理是向大氣中發射電磁波，通過接收大氣湍流對電磁波的散射而產生的回波［５］，經過計算獲得空中風場數據。該型雷達采用相干脈沖多普勒相控陣雷達體制，設計有自動高／低組合工作模式，能以較高的時間分辨力和空間分辨力實時探測低對流層（邊界層）三維風場，最高探測高度３～５ｋｍ。該型雷達因具有機動性強、時空分辨率高、探測精度高、可靠性高等優勢，廣泛應用于機場等具有測風需求的場合。如圖３所示。該型雷達主要性能指標：
１）工作頻率：ＶＨＦ；
２）最高探測高度：３～５ｋｍ；
３）最低探測高度：５０ｍ；
４）高度分辨率：５０ｍ；
５）時間分辨率：２ｍｉｎ（高低模式、５波束）；
６）系統靈敏度：≤－１５０ｄＢｍ；
７）系統動態范圍：≥９０ｄＢ（加ＡＧＣ）；
８）風向范圍：０～３６０!；
９）風速范圍：０～６０ｍ／ｓ；
１０）供電：２２０×（１±１０％）Ｖ，５０Ｈｚ±１Ｈｚ，整機功耗≤３ｋＷ；
１１）工作海拔：≤３０００ｍ。
２．２．３其他測試設備筆記本電腦、網絡測試儀、攝像機、網絡交換機等。
２．３驗證過程
２０１６年１０月采用散射通信設備進行氣象雷達數據傳輸驗證。設備發端位于四創電子合肥某處試驗場，收端位于四創電子辦公樓。收、發兩端空中直線距離約１０ｋｍ左右，由于中間有較多建筑物和樹木遮擋，兩端無法通視。由于兩端阻擋嚴重，為達到試驗效果，將發端天線架設在試驗場氣象雷達測試塔高空作業平臺上，工作平臺距離地面高度１２ｍ；收端天線架設在四創電子辦公樓５樓樓頂，距地高度１５ｍ左右。如圖４所示。該散射通信設備天線采用可拆分模塊化設計，現場拼裝，整個安裝和架設過程方便快捷，簡單易用。兩端天線架設完成以后，目視傳輸方向，仍有部分樹木和建筑物遮擋。兩端天線均上仰至３°，經過短暫調試，設備兩端接收告警均消失，表示鏈路已經聯通，此后進入數據傳輸驗證階段。首先，在收、發端同時加上１路網絡攝像機視頻信號，雙向傳輸兩路７２０Ｐ視頻圖像，攝像機設置為自動可變碼流模式，每秒幀率２０。測試顯示視頻碼流穩定在５１２Ｋｂｐｓ左右，雙向碼流可到１０２４Ｋｂｐｓ，傳輸視頻畫面流暢，偶然出現攝像機控制信號延時稍大現象。然后測試兩端網絡傳輸情況，使用筆記本ｐｉｎｇ命令進行測試，測試字節為１００００的長網絡包，整個測試過程中網絡傳輸比較穩定，網絡延時基本穩定在８７ｍｓ左右。用專業網絡測試儀進行測試，兩者在網速和傳輸延時指標方面基本一致。最后測試氣象雷達數據，數據接口為網絡接口，數據刷新速度為２ｓ／幅。結果表明數據傳輸完整、連續，實時性較好。所傳輸的氣象風場圖具體界面如圖５所示。
３驗證結論
利用四創電子某型氣象風廓線雷達和ＢＬ－Ｃ－１０型便攜式散射通信設備，分別對視頻圖像、網絡數據以及氣象雷達數據進行了傳輸驗證。驗證結果表明，在選擇合適的架設位置前提下，散射通信設備具有一定的非視距條件下數據傳輸能力，能夠為氣象雷達野外數據傳輸提供一種備選方式。但是相對來說，散射通信設備存在傳輸容量較小、性價比不高和發射功率較大等劣勢。
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