黃士飛，黃勇

(中國人民解放軍 92728部隊， 上海　200436)

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人工擾動電離層對電波傳播的影響研究*

黃士飛，黃勇

(中國人民解放軍 92728部隊， 上海200436)

摘要：根據(jù)三維數(shù)字射線追蹤法，研究了擾動后的電離層對不同波段的電磁波傳播的影響，結(jié)果表明：利用人工手段擾動電離層可以顯著影響無線電波的傳播，受擾電離層可以引導(dǎo)甚低頻波(VLF)進行“哨聲模式”傳播，進而實現(xiàn)對潛通信；使得短波(HF)傳播軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)、逃逸、聚焦和散焦，進而實現(xiàn)短波干擾；降低衛(wèi)星通信頻率，進而利用新波段實現(xiàn)衛(wèi)星保密通信，同時還能產(chǎn)生透鏡效應(yīng)，對實現(xiàn)衛(wèi)星通信的甚高頻波(VHF)產(chǎn)生額外增益，增強通信效果。

關(guān)鍵詞：電離層；人工擾動；電波傳播

0引言

現(xiàn)今的社會被稱為信息社會，與之相應(yīng)的軍事時代是信息兵器時代。在信息化戰(zhàn)場上，信息兵器體現(xiàn)在先進的指揮、控制、通信、監(jiān)測、偵察和情報等方面，這又涉及到綜合電子信息系統(tǒng)的各個主要方面：通信、導(dǎo)航與定位、信息進攻能、信息防護能力、軍事狀態(tài)評估及指揮。而在上述各個方面中電離層均扮演著重要的中介角色，它作為電波傳播的通道和載體，決定著無線電信號的優(yōu)劣，對信息戰(zhàn)的作用非常重要。早在20世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家無意發(fā)現(xiàn)大型火箭升空時，電離層環(huán)境受到很大的改變，比如美國天空實驗室(SKYLAB)在發(fā)射期間，電離層中形成了一個直徑達1 000 km的電離層電子密度耗空區(qū)域，使得大西洋廣大地區(qū)上空的短波通信中斷[1]。此后，前蘇聯(lián)、歐美國家逐漸意識到開展人工主動改變電離層等離子體環(huán)境的研究，可以促進新體制短波通信、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航技術(shù)的突破發(fā)展[2-3]，而在軍事上的應(yīng)用需求也是不言而喻的。我國在此方面的研究起步較晚，目前只對人工擾動電離層技術(shù)進行了理論方面的研究[4-8]，大型的空間實驗研究較少。而在應(yīng)用方面研究較淺，深入系統(tǒng)地以人工擾動電離層技術(shù)為基礎(chǔ)，加以改變和控制電波傳播的研究還未見報道。

1人工擾動電離層技術(shù)簡介

人工擾動電離層較常用的方法有化學(xué)釋放法[4-6]和電離層加熱法[7-8]。相較而言，前者理論上更清晰，實現(xiàn)起來難度較小，主要是以航天飛船、人造衛(wèi)星等為載體，在空間釋放不同種類的化學(xué)物質(zhì)，使得電離層等離子體密度發(fā)生改變?？臻g釋放的化學(xué)物質(zhì)可分為2類：一類是使電離層電子密度增加的物質(zhì)，如鋇等堿金屬原子，這類物質(zhì)在太陽紫外光的照射下，非常容易發(fā)生光致電離而失去電子，使釋放化學(xué)物質(zhì)的電離層空間在極短的時間內(nèi)電子密度大大增加，形成人工電離層“電子稠團”；另外一類是使電子密度降低的中性氣體分子，如H2，CO2等，主要作用于電離層的F層。其原理是，在F層中占絕對多數(shù)的O+與電子的復(fù)合系數(shù)約為1012cm3/s，在電離層中釋放一定的中性氣體分子，很容易將原子性的O+轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿有缘碾x子，而分子性的離子與電子的復(fù)合系數(shù)一般可以達到109cm3/s甚至更大，因此F層的電子復(fù)合大大加快，相應(yīng)的電子密度就有可能大大減少，從而形成人工電離層“電子空洞”。通常第1類化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的電離層擾動時間短、區(qū)域小，因為在電離層中局部高密高壓的“電子稠團”會在很短的時間通過擴散以及輸運過程而衰減到與背景相同，另外它們也容易被氧化，還沒來得及擴散到較遠的空間就被大大消耗。因此，對于空間主動擾動實驗而言，第2類物質(zhì)被廣泛使用。

2受擾電離層對電波傳播的影響

2.1對VLF波傳播的影響

3～30 kHz頻段的VLF(very low frequency)電波傳播主要以地——電離層波導(dǎo)模式傳播。由于VLF電波頻率較低，不能穿透電離層，在低電離層的下邊緣即被反射回地面，因此在傳播時以低電離層下邊緣和地面為兩壁，構(gòu)成了同心球殼形波導(dǎo)，VLF電波在其中以較小的衰減繞過彎曲地面進行傳播。

當(dāng)在電離層中釋放中性氣體物質(zhì)減少電離層電子密度，此時部分VLF可以穿透電離層底部邊緣，化學(xué)物質(zhì)釋放后電離層電子密度損耗區(qū)域類似一個供VLF傳播的“通道”，此時電波可以在電離層外空間“通道”中傳播。當(dāng)電波的傳播方向垂直于電離層時，電波進入地球大氣進而被地面接收機所接收，這種傳播方式通常稱之為哨聲模式傳播(whistler mode propagation)[9]，其傳播方式如圖1所示。

圖1　VLF電波哨聲模式傳播示意圖Fig.1　Diagram of VLF waves propagate　　　in whistler mode

2.2對HF波傳播的影響

3～30 MHz的HF(high frequency)電波主要以天波的方式進行傳播。HF波的頻率較高，能夠進入電離層，在電離層中電波的傳播方向會發(fā)生改變，出現(xiàn)折射。因為電離層折射效應(yīng)的積累，電波的入射方向會連續(xù)改變，最終會拐回地面。電離層受擾后，首先會改變HF波在電離層中傳播的截止頻率和最高使用頻率，同時隨著電離層擾動區(qū)域電子密度梯度的改變， HF波的傳播軌跡也會發(fā)生改變，將會出現(xiàn)HF波的偏折、逃逸、反向傳播、聚焦和散焦等現(xiàn)象。圖2是利用三維數(shù)字射線追蹤法[10]計算得出的HF波在電離層受擾前、后的傳播軌跡，圖中虛線位置表示擾動中心位置。計算條件如下，電波頻率f=6 MHz，電波發(fā)射角α=n×6°,n=1,2,…，15。擾動電離層選擇在北京地區(qū)上空275 km高度釋放1 000 mol的H2，受擾后的電離層在釋放中心處電子密度下降到4%，擾動區(qū)域達到90 km×100 km(前者徑向，后者縱向)。

圖2　電離層受擾前后HF波傳播軌跡的變化Fig.2　Ray trajectories of radio waves through artificially disturbed ionosphere

2.3對VHF及更高頻率的電波的傳播影響

頻率從30～300 MHz的無線電波，稱為VHF(very high frequency)無線電波。當(dāng)電波頻率高于30 MHz時，電離層介質(zhì)對電波的折射效應(yīng)明顯減弱；而電波頻率高于100 MHz時，電波軌跡幾乎不會發(fā)生彎曲，此時利用電離層反射方式實現(xiàn)兩點通信不可能發(fā)生。此波段的電波最常見的用途是衛(wèi)星與地面之間的通訊。

VHF電波穿過電離層電子密度擾動區(qū)域后，電波的相位和極化都會發(fā)生改變，但最顯著的特點是電波振幅增大，此現(xiàn)象與文獻[11]研究得到的結(jié)果(如圖3所示)類似，只是振幅提高的幅度略小。其原因是對于頻率較大的VHF電波，電離層“電子空洞”可以看成為“電波透鏡”，其對能夠穿透的電波具有一定的匯聚作用[11]。

圖3　電離層“電子空洞”對電波的會聚作用Fig.3　Focusing of VHF by electron hole

VHF電波穿透電離層“電子空洞”后，其振幅增益表示為[12]

(1)

式中：f為電波頻率；c為光速；h為電離層“電子空洞”中心位置所在的高度；r為“電子空洞”的徑向半徑；ε為電波穿過“電子空洞”后的相位變化。

ε與電離層電子損耗總量相關(guān)，具體關(guān)系為[12]

(2)

式中：ΔI為電離層的電子損耗總量。

因此，假設(shè)電離層“電子空洞”的中心位置在300 km高度，徑向半徑r=20 km，電子損耗量ΔI=6×1016，電波頻率f=140 MHz，則電波穿過電離層擾動區(qū)域后振幅獲得增益G=1.1，即0.8 dB。

3軍事應(yīng)用探討

3.1對潛通訊

潛于水下的潛艇接收基地的指令時存在的主要困難是：通常用于遠距離通訊的無線電短波不能穿透海水，因而不能為水下的潛艇接收。當(dāng)然，潛艇可以拖曳一個浮在水面的天線，用來接收短波信號。但這樣的天線極易暴露潛艇的行蹤，因而不是最佳方案。

釋放中性氣體物質(zhì)產(chǎn)生擾動后的電離層可以引導(dǎo)VLF波以哨聲模式傳播，這樣在潛艇需要通訊時，根據(jù)要求選擇化學(xué)物質(zhì)釋放地點即可實現(xiàn)對潛通訊。另外，可以借助空間衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站。電離層電子密度減小到一定程度時可以穿透波長更長、頻率更低的極低頻(extremely low frequency,ELF)電磁波，以至于實現(xiàn)超低頻(ultra low frequency,ULF)電磁波通訊。這樣低頻率的電磁波可以達到水下更深的深度，實現(xiàn)真正意義上的海底潛艇通訊，無需潛艇拖曳浮在水面的天線，用來接收短波信號，這將更有利于潛艇的潛伏。

3.2短波通訊干擾

在電離層人工釋放中性氣體物質(zhì)期間，電離層等離子體密度減小，局部區(qū)域形成“電子空洞”，使得原先可以發(fā)生反射的電磁波透過電離層，進而在特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生通訊中斷。另外，選擇合適的位置，電離層“電子空洞”對短波具有散焦作用，可以顯著干擾短波通訊的質(zhì)量。同時，電離層“電子空洞”對短波具有聚焦作用，這樣也可以提高通訊質(zhì)量。另外，從上文計算結(jié)果可知，擾動電離層可以使得正常傳播的電磁波發(fā)生偏折、逃逸和反向傳播等，因此也會使得電波信號傳播中斷或失真。在具體應(yīng)用操作時，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計釋放地點、時間等參數(shù)，進而達到預(yù)期效果，這將是下一步研究的重點。

電離層人工化學(xué)物質(zhì)釋放所形成的“稠團”和“空洞”，不僅可以形成電離層不均勻性也可以消除已存在的電離層不均勻性，這樣對于利用電離層不均勻性的散射通訊來說，通訊介質(zhì)消失，造成散射通訊被阻斷。

3.3衛(wèi)星通訊

對于利用透射原理進行的星—地或地—星鏈路通訊來說，釋放金屬氣體產(chǎn)生的“電子稠團” 使得電離層等離子體頻率提高，部分頻率(用于星—地或地—星通訊)的電波將無法穿透電離層，導(dǎo)致星—地或地—星通訊阻斷。

通過電離層人工釋放化學(xué)物質(zhì)，可以使得電離層局部電子密度有一定甚至很大程度的降低，因此電離層擾動區(qū)域的電磁波透過頻率降低。電離層“空洞”持續(xù)時間與釋放氣體的種類有關(guān)，這樣可以選擇適當(dāng)?shù)臍怏w控制電離層擾動時間。在此期間利用較低的頻率進行衛(wèi)星通訊，或者以空間衛(wèi)星作為通訊中轉(zhuǎn)站進行地面通訊。此種通信方式人工機動性強，并且大大提高了衛(wèi)星通訊的隱蔽性。

4結(jié)束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對信息的依賴程度越來越高，其體現(xiàn)在指揮、控制、情報、通訊等方面中，而這些幾乎全部要借助于通信來準(zhǔn)確無誤的傳遞。電離層作為電波傳播的通道和載體，決定著無線電信號傳播的優(yōu)劣，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作用越來越重要。從本文研究結(jié)果可知，人工擾動后的電離層可以引導(dǎo)VLF電波在電離層中傳播，使得HF電波傳播產(chǎn)生偏折、反向、逃逸、聚焦和散焦等異常效應(yīng)，改變VHF電波傳播振幅。而上述現(xiàn)象可以有效促進軍用新體制無線電波通信的突破發(fā)展，對國家空間信息基礎(chǔ)平臺和國防建設(shè)具有現(xiàn)實的科學(xué)意義和實際的應(yīng)用價值。

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Influence on Communication of Radio Wave through Artificial Disturbed Lonosphere

HUANG Shi-fei,HUANG Yong

(PLA,No.92728 Troop, Shanghai 200436, China)

Abstract:In terms of 3-D ray tracing method, the propagation of radio waves through artificially disturbed ionosphere is investigated. The results show that, the disturbed ionosphere can affect different ranges of radio wave propagate obviously, the ray trajectory changes of HF(high frequency) waves through the perturbed ionosphere include focusing, defocusing, multipath fading, or leakage of the signal out of the ionosphere. In addition, the disturbed areas may act as guides for VLF(very low frequency) waves propagate in whistler mode through the ionosphere, and at VHF(very high frequency), the signals propagating from satellites to the ground and the ionospheric hole produces slight focusing. Also, the practical applications in communication countermeasure by artificial disturbed ionosphere are discussed.

Key words:ionosphere; artifical disturb; radio wave propagation

中圖分類號：P352

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0066-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.011

通信地址：200436上海市閘北區(qū)場中路3300弄120號E-mail：huangshf63@126.com

作者簡介：黃士飛(1963-)，男，江蘇鹽城人。高工，碩士，主要研究方向為航空電子技術(shù)。

收稿日期：2013-12-01；
修回日期：2014-01-22