李 輝 車海琴 吳 健 吳 軍 徐 彬

(中國電波傳播研究所，電波環(huán)境特性及模化技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

1. 引 言

電離層既有規(guī)律性的變化，如日變化、季節(jié)變化、11年太陽周變化，也有是不規(guī)則的或隨機(jī)變化的。一般認(rèn)為，常規(guī)E層隨太陽天頂角和太陽活動(dòng)有規(guī)律的變化著與理論上的Chapman層符合得相當(dāng)好，其電子密度白天可達(dá)到105/cm3量級(jí)，足已反射頻率為幾兆赫茲的高頻無線電波[1]。然而，在常規(guī)E層的高度范圍內(nèi)仍然存在著一些突發(fā)的隨機(jī)現(xiàn)象，其中最常見的就是偶發(fā)E層(Sporadic E 簡(jiǎn)稱Es)。Es層是電離增強(qiáng)的薄層，在電離層頻高圖上的表現(xiàn)就是常規(guī)E層描跡的附加描跡[2-3]。Es的個(gè)體特征具有偶發(fā)性，在統(tǒng)計(jì)意義上的行為具有明顯的日變化和季節(jié)變化特性，還有顯著的地域特征，隨不同地區(qū)而異。根據(jù)火箭探測(cè)數(shù)據(jù)和散射雷達(dá)的觀察結(jié)果：Es層出現(xiàn)的高度范圍大約在90～120 km；水平尺度可達(dá)幾十甚至幾百千米；垂直方向上的厚度大約為1～3 km。 此外，最重要的是由于Es層的存在，造成在常規(guī)E層的高度范圍內(nèi)存在著極高的電子密度梯度，能夠?qū)芨哳l率的電磁波形成部分反射，在頻高圖上的表現(xiàn)為很高的截止頻率，有時(shí)比電離層F層臨界頻率還高，能夠形成對(duì)F層的遮蔽，使F層描跡完全消失，具有遠(yuǎn)距離傳輸超高頻率信號(hào)(VHF)的技術(shù)可行性[4-5]。Es層的這些特性，對(duì)無線電通信、雷達(dá)、廣播和電視都有明顯的影響和應(yīng)用前景。因此，研究Es傳播特性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于Es層的測(cè)量用得最為廣泛的工具是電離層垂直測(cè)高儀(也稱為電離層測(cè)高儀)。一般我們從電離層頻高圖上可以直接判讀Es層反射的臨界頻率foEs。foEs表現(xiàn)為觀察到的基本連續(xù)的Es層描跡的最高頻率。Reddy與Rao (1968) 統(tǒng)計(jì)分析了20次火箭實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[6]，發(fā)現(xiàn)一般情況下，foEs比實(shí)測(cè)Es層的峰值等離子體頻率要大。因此，完全根據(jù)全反射反演電離圖得到的Es層電子密度往往過大，和實(shí)際探測(cè)結(jié)果不符。事實(shí)上，由于Es層其厚度有限，且電子密度隨高度增加的梯度很大，形成足夠的折射率梯度，導(dǎo)致探測(cè)信號(hào)被Es層部分反射回來，另一部分信號(hào)穿透Es層，到達(dá)更高層。一旦部分反射回來的信號(hào)超過接收機(jī)靈敏度，同樣會(huì)根據(jù)傳播時(shí)延在電離圖中記錄相應(yīng)的虛高數(shù)據(jù)點(diǎn)。

基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)事實(shí)以及部分反射特性，本文首先分析處理了挪威Troms?的EISCAT非相干散射雷達(dá)觀測(cè)到的Es層數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)赝粫r(shí)刻Dynasonde電離層測(cè)高儀記錄的電離層頻高圖；在此基礎(chǔ)上，采用分層媒質(zhì)電波傳播理論計(jì)算了電波在實(shí)測(cè)Es層中的部分反射系數(shù)。最后，利用部分反射原理對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的Es層頻高圖進(jìn)行了理論仿真，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

2. 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料

2008年7月我國在挪威Troms ?利用非相干散射雷達(dá)開展了低電離層的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。圖1(看414頁)(a)給出了3日10：30～13：00UT時(shí)段實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果，其中橫軸為時(shí)間，縱軸為高度，彩色為雷達(dá)回波強(qiáng)度。從雷達(dá)回波強(qiáng)度圖中可以明顯看到：在98 km附近處存在一很薄的強(qiáng)雷達(dá)回波層。同時(shí)，當(dāng)?shù)赝瑫r(shí)段的電離層測(cè)高儀(Dynasonde)記錄的電離層頻高圖同樣顯示很強(qiáng)的Es層描跡，如圖1(看414頁)(b)所示。

從圖1(b)可以看出，在電離層E層的高度范圍內(nèi)回波描跡大致可以分為兩部分。第一部分頻率范圍大約為1～2.4 MHz，是常規(guī)電離層E層記錄的虛高點(diǎn)；第二部分是Es層描跡，高度大約在100 km附近，頻率范圍為2.4～8 MHz左右，在頻高圖上呈現(xiàn)一條延伸到較高頻率的Es層回波描跡。

圖2是2008年7月3日11時(shí)21分非相干散射雷達(dá)所測(cè)的電子密度剖面。在大約98 km處的電子密度隨高度增大很快，形成一個(gè)較薄的Es層結(jié)構(gòu)。單純的從電離層頻高圖可以直接讀出Es層的臨界頻率foEs為8 MHz，反演成電子密度應(yīng)該為7.9×1011/m3，這和非相干散射雷達(dá)實(shí)測(cè)到的圖2電子密度峰值1.7×1011/m3相差很大，完全不符合。因此，全反射原理不能用來解釋為什么Es層能形成如此長的電離圖描跡。

圖2 2008年7月3日11時(shí)21分非相干散射雷達(dá)測(cè)量到的Es層電子密度

3. Es層反射系數(shù)的計(jì)算

依據(jù)圖2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用分層媒質(zhì)電波傳播理論來計(jì)算Es的反射系數(shù)[7-8]。我們將圖2實(shí)測(cè)的Es層電子密度剖面從底邊界96.4 km處到電子密度峰值97.5 km處分成m個(gè)區(qū)域，分界面依次為z=z1,z2,…,zm，記區(qū)域m內(nèi)的折射率為nm.第m+1區(qū)域?yàn)榘霟o限，記為區(qū)域t，即t=m+1，如圖3所示。在每個(gè)分層中，總上行波為Bm，總下行波為Am.首先假設(shè)電波從Es層下方的區(qū)域0通過下邊界z=z0垂直入射，且入射面平行于x-z面。所有場(chǎng)矢量只是x和z的函數(shù)，與y無關(guān)。由于?/?x=0，電磁場(chǎng)可以分解為TE波和TM波，且二者之間具有對(duì)偶性，所以下面只分析TE波。在區(qū)域0中，A0=RE0，B0=E0；在區(qū)域t中，At= 0，Bt=TE0.由于我們只關(guān)心Es層下邊界總的反射系數(shù)，可以用連分?jǐn)?shù)形式導(dǎo)出R的閉式解[5]，這里直接給出其計(jì)算公式。

(1)

式(1)表明：在區(qū)域(m+1)中的比值(Am+1/Bm+1)可以遞推得到區(qū)域m中得比值A(chǔ)m/Bm.對(duì)橫向傳播時(shí)水平極化O波來說，Rm(n+1)=(nm-nm+1)/(nm+nm+1)是分層界面z=zm上的部分反射系數(shù)。通過式(1)，可以直接得到Es層下邊界面上的反射系數(shù)，直至區(qū)域0的反射系數(shù)R.這一計(jì)算易于編寫程序?qū)崿F(xiàn)。

At/Bt→Am/Bm→…A1/B1→A0/B0=R

(2)

式中，根據(jù)阿普頓-哈特里(A-H)公式，在忽略地磁場(chǎng)影響下的折射率可以寫成

(3)

圖3 Es層的分層示意模型

圖1(b)表明，2.4 MHz為常規(guī)E層的臨界頻率foE，所對(duì)應(yīng)圖2中非相干散射雷達(dá)探測(cè)到的電子密度剖面值為6×1010m3，參考圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以認(rèn)為該值是Es層高度的起始點(diǎn)。因此，可以認(rèn)為當(dāng)探測(cè)波頻率f<2.4 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的是全反射系數(shù)。如圖4的計(jì)算結(jié)果所示，當(dāng)掃描頻率稍大于foE時(shí)，反射系數(shù)逐漸減小(<1)，當(dāng)f≈fp附近回波的部分反射系數(shù)隨著掃描頻率的增加急劇下降，這意味著頻率較大的脈沖信號(hào)，部分反射的回波強(qiáng)度較弱。

圖4 Es層反射系數(shù)與掃描頻率的關(guān)系

此外，在圖4計(jì)算Es層反射系數(shù)時(shí)，考慮的是Es對(duì)探測(cè)脈沖的整體反射效應(yīng)，得到的是探測(cè)脈沖在Es層下邊界的總反射系數(shù)，不受Es層“精細(xì)”分層結(jié)構(gòu)的影響。這樣可能帶來相應(yīng)問題，即無法精確地定位于各個(gè)掃描頻率的脈沖信號(hào)究竟從Es層的哪個(gè)具體部分位置反射回來。事實(shí)上，較薄的Es層可能處于探測(cè)脈沖單次測(cè)量的距離門之內(nèi)，因此，相應(yīng)的回波時(shí)延應(yīng)該主要受掃描頻率的大小和Es層的實(shí)際位置控制，受Es層的厚度影響很小。

4. 頻高圖數(shù)值仿真與討論

測(cè)高儀工作探測(cè)的基本原理是垂直發(fā)射一串無線電脈沖進(jìn)入電離層，測(cè)量從電離層反射回波的時(shí)間延遲。回波時(shí)延是作為頻率的函數(shù)而被記錄下來。一般情況下，測(cè)高儀得到頻高圖都是通過虛高h(yuǎn)′-f的關(guān)系來表示的，通過頻高圖可以反演出實(shí)際電離層高度電子密度剖面等參量[9]。同樣，我們也可以從實(shí)測(cè)電子密度剖面根據(jù)相應(yīng)的公式來計(jì)算頻高圖虛高。下面我們結(jié)合全反射和部分反射原理，計(jì)算圖2所示，電子密度剖面對(duì)應(yīng)的頻高圖并和圖1(b)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步確認(rèn)上述理論的合理性。由于本次實(shí)測(cè)電子密度高度的限制，我們只能計(jì)算出常規(guī)E層和Es層的電離圖描跡。依據(jù)挪威Troms?測(cè)高儀實(shí)驗(yàn)參數(shù)[10]，天線增益G=6·cos1.5(theta)，波束寬度40～50，發(fā)射功率為1 KW，噪聲電平對(duì)應(yīng)著測(cè)高儀圖1(右)中的黑線，我們可以估算出最小反射系數(shù)Rmin≈0.035, 依據(jù)圖4的計(jì)算結(jié)果，這個(gè)最小反射系數(shù)對(duì)應(yīng)的掃描頻率為8 MHz左右，即當(dāng)掃描頻率f≤8 MHz都能被記錄下來。

圖5是利用圖2所示的非相干散射雷達(dá)實(shí)測(cè)電子密度剖面計(jì)算的回波描跡。其中當(dāng)掃描頻率f<2.4 MHz時(shí)，所對(duì)應(yīng)的高度為常規(guī)E層，這部分回波描跡完全由全反射理論計(jì)算得出。當(dāng)2.4 MHz≤f<8 MHz時(shí)，所得描跡是由Es層的部分反射回波形成。

圖5 實(shí)測(cè)電子密度剖面計(jì)算得到的電離層頻高圖

圖5所示的回波描跡仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)電離層頻高圖1(b)吻合得較好，表明按照部分反射理論生成的Es層描跡的合理性。從計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的比較看，也進(jìn)一步證實(shí)了Es層厚度的傳播時(shí)延對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，較薄的Es層的描跡主要由頻率、Es層的實(shí)際高度和電子密度梯度來決定。另外，從圖中的計(jì)算結(jié)果還可以看出，當(dāng)探測(cè)頻率達(dá)到常規(guī)E層和Es層臨界點(diǎn)附近時(shí)，即f≈2.4 MHz.常規(guī)E層的虛高變得比較大，這是因?yàn)榕R頻附近的反射波時(shí)間延遲決定于反射點(diǎn)電子濃度的高度梯度。在反射點(diǎn)附近群速度趨向于零，而在常規(guī)E層最大電子濃度以下產(chǎn)生較大時(shí)延的區(qū)域(dn/dh很小)很厚，積累效應(yīng)使趨近于臨界頻率時(shí)虛高增大。當(dāng)探測(cè)波頻率大于這個(gè)臨頻以后，出現(xiàn)一小段下降的描跡(如圖5中臨頻附近的缺口)，這是因?yàn)殡m然實(shí)際反射高度較高，但由于電子濃度梯度突然又增大，群速度增加使延遲效應(yīng)減少。

受不同的緯度地理?xiàng)l件，季節(jié)變化及形成機(jī)制的限制，Es層展現(xiàn)不同的特征[11-13，15]。雖然本文的研究主要針對(duì)高緯Es層現(xiàn)象，但它亦可以用來解釋中低緯地區(qū)Es層電離圖較長描跡形成的物理成因。因此，利用Es層在形狀結(jié)構(gòu)上的特殊性，時(shí)空變化特征以及部分反射機(jī)理等特點(diǎn)可以擴(kuò)大通信頻率范圍，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻段的信號(hào)傳輸。比如，為了滿足中波和短波波段進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的要求，主要利用的是電離層F層對(duì)無線電波的反射，通常天線的發(fā)射功率要達(dá)到數(shù)千瓦的數(shù)量級(jí)，發(fā)射和接收系統(tǒng)都需要較大的體積。然而利用Es層進(jìn)行通信可以大大降低天線的發(fā)射功率，發(fā)射功率減小，通信設(shè)備并不復(fù)雜，便于攜帶。我國處于中低緯地區(qū)，根據(jù)以往觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，夏季 Es 的出現(xiàn)率特別高、特別強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間也特別長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同緯度的其它地方[15-16]，利用Es層進(jìn)行通信具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

5. 結(jié) 論

本文采用EISCAI非相干散射雷達(dá)測(cè)量的Es層電子密度數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)赝瑫r(shí)刻電離層測(cè)高儀記錄的頻高圖，利用分層媒質(zhì)的電波傳播理論，計(jì)算了Es層的部分反射系數(shù)，并利用電離層測(cè)高儀相關(guān)參數(shù)，估算了電離圖描跡所能接收到的最小反射系數(shù)值，并結(jié)合雷達(dá)實(shí)測(cè)的電子密度數(shù)據(jù)，分別采用全反射和部分反射理論計(jì)算了常規(guī)E層和Es層的頻高圖描跡，并與實(shí)測(cè)電離層頻高圖進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)資料符合得較好。驗(yàn)證了部分反射可能是Es層電離圖描跡形成的傳播機(jī)制。因此，Es層的信道傳輸特性研究應(yīng)該依據(jù)分層媒質(zhì)部分反射理論。

致謝：感謝歐洲非相干散射科學(xué)聯(lián)合會(huì)(EISCAT)雇員在實(shí)驗(yàn)期間提供的幫助以及電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)。EISCAT科學(xué)聯(lián)合會(huì)由中國電波傳播研究所(CRIRP)、德國DFG基金會(huì)、芬蘭科學(xué)院(SA)、日本國立極地研究所(NIPR)和日地環(huán)境研究所(STEL)、挪威NFR基金會(huì)、瑞典VR基金會(huì)、英國STFC基金會(huì)聯(lián)合資助。

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