Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2024, № 1 · RADIO WAVE PROPAGATION

Impact of the evaporation duct uncertainty on the tropospheric radio wave propagation

M.S. Lytaev1

1 St. Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.1.4 UDC 537.874.37 EDN ISVZNF

Abstract

This study is dedicated to the radio wave propagation modeling in the evaporation duct. Special attention is given to the fact that the parameters of tropospheric waveguides are practically always determined with some degree of error. An algorithm based on the parabolic equation method has been developed, which takes into account the measurement error of the tropospheric refractive index and assesses the statistical characteristics of the spatial distribution of radio wave amplitude. A series of numerical experiments have been conducted for various propagation conditions. It has been demonstrated that in many cases, ignoring the refractive index error can lead to significant discrepancies in simulation results.

  • stochastic parabolic equation
  • tropospheric waveguide
  • Monte Carlo method
Аннотация (на русском)

Численный анализ влияния неопределенности высоты волновода испарения на тропосферное распространение радиоволн

Работа посвящена моделированию распространения радиоволн в волноводе испарения. Особое внимание уделено тому факту, что на практике параметры тропосферных волноводов всегда определяются с некоторой погрешностью. Разработан алгоритм на основе метода параболического уравнения, позволяющий учитывать погрешность измерения показателя преломления тропосферы и оценивать статистические характеристики пространственного распределения амплитуды радиоволн. Проведен ряд численных экспериментов для различных условий распространения. Показано, что во многих случаях игнорирование погрешности показателя преломления может приводить к значительным ошибкам в результатах моделирования.

For citation

Lytaev M.S. Impact of the evaporation duct uncertainty on the tropospheric radio wave propagation // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.1.4

References

  1. Zhang J.P. et al. A four-parameter M-profile model for the evaporation duct estimation from radar clutter //Progress In Electromagnetics Research. - 2011. - Т. 114. - С. 353-368.
  2. Иванов В.К., Шаляпин В.Н., Левадный Ю.В. Определение высоты волновода испарения по стандартным метеорологическим данным //Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 43. - №. 1. - С. 42-51.
  3. Ji H. et al. Joint inversion of evaporation duct based on radar sea clutter and target echo using deep learning //Electronics. - 2022. - Т. 11. - №. 14. - С. 2157.
  4. Karimian A. et al. Refractivity estimation from sea clutter: An invited review //Radio science. - 2011. - Т. 46. - №. 06. - С. 1-16.
  5. Huang L.F. et al.Comparative analysis of intelligent optimization algorithms for atmospheric duct inversion using Automatic Identification System signals //Remote Sensing. - 2023. - Т. 15. - №. 14. - С. 3577.
  6. Михайлов М.С. и др. Влияние тропосферных волноводов на работу радиолокатора над морской поверхностью //Радиолокация, навигация, связь. - 2018. - С. 23-34.
  7. Zhang H. et al. Statistical modeling of evaporation duct channel for maritime broadband communications //IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2022. - Т. 71. - №. 10. - С. 10228-10240.
  8. Пищин О.Н., Пузанков Д.С., Лыдкина К.С. Методика расчета влияния фактора сезонности на распространение радиоволн в южных регионах России вблизи гидросферных объектов в диапазоне ультравысоких частот //Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2022. - №. 3. - С. 51-60.
  9. Леонтович М.А., Фок В.А. Решение задачи о распространении электромагнитных волн вдоль поверхности Земли по методу параболического уравнения //Журн. эксперим. и теор. физики. - 1946. - Т. 16. - С. 557-573.
  10. Ахияров В.В. Вычисление множителя ослабления над земной поверхностью методом параболического уравнения //Журнал радиоэлектроники. - 2012. - №. 1.
  11. Levy M. Parabolic equation methods for electromagnetic wave propagation. - IET, 2000. - №. 45.
  12. Lytaev M.S. Reducing the numerical dispersion of the one-way Helmholtz equation via the differential evolution method //Journal of Computational Science. - 2023. - Т. 71. - С. 102057.
  13. Илюшин Я.А. и др. Решение параболического уравнения дифракции при радиопросвечивании ионосферных слоев //Журнал радиоэлектроники. - 2013. - №. 11.
  14. Enstedt M., Wellander N. A spectral expansion-based Fourier split-step method for uncertainty quantification of the propagation factor in a stochastic environment //Radio science. - 2016. - Т. 51. - №. 11. - С. 1783-1791.
  15. Ахияров В.В. Моделирование дальнего тропосферного распространения радиоволн методом параболического уравнения //Журнал радиоэлектроники. - 2022. - №. 1.
  16. Оксендаль Б. Стохастические дифференциальные уравнения. Введение в теорию и приложения. М.: Мир - 2003.
  17. Lytaev M.S. Rational interpolation of the one-way Helmholtz propagator //Journal of Computational Science. - 2022. - Т. 58. - С. 101536.
  18. Fishman L., McCoy J. J. Derivation and application of extended parabolic wave theories. I. The factorized Helmholtz equation //Journal of Mathematical Physics. - 1984. - Т. 25. - №. 2. - С. 285-296.
  19. Лытаев М.С. О применении конечно-разностной аппроксимации Паде псевдодифференциального параболического уравнения в задаче тропосферного распространения радиоволн //Вычислительные методы и программирование. - 2020. - Т. 21. - №. 4. - С. 405-419.
  20. Ozgun O. et al. PETOOL v2. 0: Parabolic Equation Toolbox with evaporation duct models and real environment data //Computer physics communications. - 2020. - Т. 256. - С. 107454.
  21. Brookner E., Cornely P.R., Lok Y.F. AREPS and TEMPER-getting familiar with these powerful propagation software tools //2007 IEEE Radar Conference. - IEEE, 2007. - С. 1034-1043.
  22. Zhou H., Chabory A., Douvenot R. A fast wavelet-to-wavelet propagation method for the simulation of long-range propagation in low troposphere //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2021. - Т. 70. - №. 3. - С. 2137-2148.
  23. Lytaev M.S. Fresnel reflection modeling within the higher-order parabolic equation and discrete nonlocal boundary conditions //2022 IEEE Radar Conference (RadarConf22). - IEEE, 2022. - С. 1-5.
  24. Lytaev M.S. Nonlocal boundary conditions for split-step padé approximations of the helmholtz equation with modified refractive index //IEEE antennas and wireless propagation letters. - 2018. - Т. 17. - №. 8. - С. 1561-1565.
  25. Лытаев М.С. Численный метод расчета тропосферного распространения электромагнитных волн в задачах построения геоинформационных систем дистанционного мониторинга //Труды СПИИРАН. - 2018. - Т. 1. - №. 56. - С. 195-213.
  26. Кузнецов Д.Ф. Стохастические дифференциальные уравнения: теория и практика численного решения. Спб: Изд-во Политехн. Ун-та - 2009.
  27. Higham D.J. An algorithmic introduction to numerical simulation of stochastic differential equations //SIAM review. - 2001. - Т. 43. - №. 3. - С. 525-546.
  28. PyWaveProp. URL: https://github.com/mikelytaev/wave-propagation (дата обращения: 05.10.2023).