電離層參數(shù)對VLF信號場強(qiáng)數(shù)值計算的影響研究?

張水仙 王永生 李光明 張 赟

（1.海軍潛艇學(xué)院 青島 266199）（2.海軍92330部隊 青島 266102）

1 引言

在進(jìn)行甚低頻場強(qiáng)預(yù)測數(shù)值計算時發(fā)現(xiàn)不同的時間、季節(jié)、頻率、傳播路徑，路徑距離等都會影響預(yù)測速度和結(jié)果。通過對計算過程的分析得知，引起這些變化，歸根結(jié)底，是具有不同邊界條件的波導(dǎo)引導(dǎo)不同頻率的電磁波傳播，產(chǎn)生了不同的電波傳播損耗［1～2］。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，邊界條件及發(fā)射頻率的變化不僅影響預(yù)測結(jié)果（模式根），而且對于預(yù)測速度也有很大的影響。由于影響VLF電波傳播的邊界條件主要為地面電導(dǎo)率和電離層參數(shù)，而其中電離層參數(shù)起主要作用，為此，本文將對電離層剖面對VLF信號場強(qiáng)預(yù)測計算速度及結(jié)果的影響進(jìn)行分析，以確定不同條件下進(jìn)行VLF信號場強(qiáng)計算時最佳電離層參數(shù)的選取。

2 電離層模型的選取

電離層參數(shù)是影響甚低頻電波傳播最主要的地球物理參數(shù)［3］，其中最主要是近地電離層的影響，白天主要是D層，夜晚主要是E層。本文采用的LWPC軟件采用的LWPM電離層模型。

LWPM電離層模型是1977年Morfitt提出的指數(shù)剖面模型，該模型主要考慮電離層兩種轉(zhuǎn)變：一種是晝夜轉(zhuǎn)變；另一種是夜間中地磁緯度地區(qū)向極地地區(qū)的轉(zhuǎn)變。夜間兩極地區(qū)的電離層受到因地磁激發(fā)而引起的太陽粒子輻射的強(qiáng)烈的影響。在LMPM所用的簡單的模型中，這些粒子的影響會降低電離層的有效高度。

影響電離層的參數(shù)的主要因素是太陽天頂角（χ）和地磁傾角（D）。在白天，天頂角絕對值小于90°，在夜間，天頂角絕對值大于99°對于夜間路徑，地磁傾角決定了地磁緯度。在夜間，從中緯度到兩極緯度的轉(zhuǎn)換發(fā)生于地磁傾角在70°與74°之間。

該模型將不同地點的電離層簡化為β和h'兩種參數(shù)進(jìn)行描述，β為低電離層中電子濃度隨高度變化的梯度參數(shù)，單位Km-1；h'為低電離層距地面的參考高度，單位Km。通過β和h'的值可以得到當(dāng)前電離層剖面的電子密度和電子碰撞頻率。模型中給出兩個參考頻率10KHz和60KHz分別在白天和夜間的 β和h'值。白天β值均為0.3，h'均為74，夜間10KHz的 β值為0.3，60KHz的 β值為0.8，h'值均為 87［4～5］。

對于任意頻率，在白天 β都為0.3 Km-1，h'的值為74Km，在夜間，β隨頻率的變化而改變，利用式（1）得到指定頻率的β值，h'的值恒為87Km。

而在黎明和黃昏時段，將天頂角的絕對值（90，99）平均分成五段，指定頻率的β和h'的值也根據(jù)其白天和夜間的β和h'值進(jìn)行等分。表1給出了發(fā)射頻率為20KHz和40KHz的 β和h'值。也就是說，頻率的改變只是改變 β的值，而不改變h'的值。圖1反映了隨著天頂角的變化，不同頻率所對應(yīng)的β值的變化。

表1 發(fā)射頻率f為20KHz和40KHz隨天頂角變化的電離層參數(shù)

為了說明LWPM模型中反映的兩種轉(zhuǎn)變，選取頻率30KHz，表2描述白天至夜間并穿越極點的電離層參數(shù)的變化，圖2更為直觀地描述表中電離層的兩種轉(zhuǎn)變。

圖1 天頂角的變化與不同頻率的β值關(guān)系圖

表2 白天至夜間并穿越極點的電離層參數(shù)

圖2 極點電離層參數(shù)變化圖

3 電離層參數(shù)對場強(qiáng)計算精度的影響

發(fā)射頻率相同，路徑相同，預(yù)測場強(qiáng)隨著預(yù)測時間的改變而改變，這是由于時間不同，路徑上的太陽天頂角發(fā)生了變化，影響了電離層參數(shù)的值，從而影響了場強(qiáng)。為了研究不同的電離層參數(shù)對場強(qiáng)計算精度的影響，本文選取30KHz為發(fā)射頻率，保持發(fā)射頻率不變，對同一條路徑進(jìn)行分析。表3為30KHz的電離層剖面默認(rèn)值。剖面代號為7時，代表白天，而代號為1和13時，代表夜晚，此表反映了電離層從夜晚至白天再至夜晚的變化過程。

此列表中一共有十三個剖面，但通過觀察發(fā)現(xiàn)，代號1-6的剖面參數(shù) β和h'值與代號13-8的β和h'值是相同的，在模式求解過程中，天頂角與剖面代號不參與運(yùn)算，只有 β和h'值影響計算結(jié)果，所以只選取其中代號為1-7的電離層剖面進(jìn)行對比分析。

表3 發(fā)射頻率為30KHz的電離層剖面參數(shù)默認(rèn)值

圖3為發(fā)射頻率為30KHz時，對于同一段路徑，保持其它參數(shù)不變，電離層取剖面代號為1至7的參數(shù)，場強(qiáng)隨著距離增加的變化曲線。

由圖3可以看出，當(dāng)剖面代號npr為1時，隨著路徑距離的增加，場強(qiáng)的震蕩幅度很大，隨著剖面代號的增加，場強(qiáng)的變化趨于平緩，并且最后接收點的場強(qiáng)也不斷減小，夜間與白天相差30dB左右。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，電子的碰撞頻率在低電離層中隨著高度的降低而急劇增大，從而引起的衰減也增大，所以隨著剖面代號的增加，即電離層參考高度的降低，衰減增大，最后接收點的場強(qiáng)逐漸減小。而之所以逐步趨于平緩，就要對它們的模式根進(jìn)行分析。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，夜間時各均勻路段模式根平均有17個，白天平均有8個，也就是說，夜間向白天轉(zhuǎn)變時，電磁波的模式不斷的減少，所以場強(qiáng)的震蕩幅度逐漸減弱。

圖3 不同的電離層參數(shù)對應(yīng)的場強(qiáng)變化曲線

4 電離層參數(shù)對運(yùn)算時間的影響

經(jīng)上文分析，發(fā)現(xiàn)電離層參數(shù)的改變對場強(qiáng)的幅值改變很大，那么對場強(qiáng)的計算速度有什么樣的影響呢？

本文就發(fā)射頻率為30KHz的電離層參數(shù)進(jìn)行分析，經(jīng)過對大量的路徑測試后總結(jié)規(guī)律，在此任選三段均勻路段為例進(jìn)行闡述。三段路徑的路徑參數(shù)如下表所示。發(fā)射臺參數(shù)設(shè)定：發(fā)射臺位置為東經(jīng)98.3°，北緯46.3°，功率100KW。

表4 不同路徑的路徑參數(shù)設(shè)置

表5 發(fā)射頻率為30KHz時不同剖面對應(yīng)的模式求解的時間

路徑1至3的其他路徑參數(shù)保持不變，分別對它們的電離層參數(shù)賦值—剖面代號1至7的β和h'值，則隨著電離層參數(shù)的改變，以上三段均勻路徑模式求解的時間如表5。圖4為相鄰剖面對應(yīng)時間增量圖，其中（a）（b）（c）分別代表了路徑1、2、3，橫坐標(biāo)代表了電離層剖面代號的變化，比如，6代表了剖面代號從6向7的變化，縱坐標(biāo)δt代表了電離層剖面代號的變化引起的模式求解耗時的變化增量，單位為s。

由表5可以看出，基本上對于同一段均勻路徑，隨著剖面代號的增加（β和h'值的減小），運(yùn)算時間增加，即從夜間向白天轉(zhuǎn)變中，模式求解的計算時間逐漸增加，并且夜晚和白天的計算時間差距特別大，路徑1相差0.265s，路徑2相差0.328s，路徑3相差0.251s，占各條路徑最長時間的20%以上，可見電離層的改變，對計算時間的影響還是占很大比重的。而相鄰的電離層剖面改變具體對模式求解時間的影響有沒有規(guī)律，見圖4。由圖4（a）可以看出，電離層代號從5號變到6號時，計算時間的增量最大，從2變到3時，計算時間的增量最小；由圖4（b）可以看出，電離層代號從6號變到7號時，計算時間的增量最大，從2變到3時，計算時間的增量最小；由圖4（c）可以看出，電離層代號從4號變到5號時，計算時間的增量最大，從6變到7時，計算時間的增量最小。總的來說，電離層的每一次轉(zhuǎn)變，對于同一條路徑，模式求解時間的變化量都不相同，有時變化很微弱，有時變化很明顯，且對于不同路徑，在同一次電離層轉(zhuǎn)變時，時間的變化量也不同。總而言之，對于同一條均勻路徑的模式求解，夜間耗時最小，白天耗時最大，且電離層代號的變化引起的計算時間的變化還是很大的。

圖4 相鄰剖面對應(yīng)時間增量圖

5 結(jié)語

電離層作為影響VLF電波傳播的邊界條件，對VLF場強(qiáng)的計算精度和運(yùn)算時間都會產(chǎn)生影響。分析電離層剖面對VLF信號場強(qiáng)預(yù)測計算速度及結(jié)果的影響，一方面可以確定VLF場強(qiáng)計算的不同條件下的電離層參數(shù)，另一方面可以為VLF場強(qiáng)數(shù)值計算的快速算法提供基礎(chǔ)，對于提高VLF場強(qiáng)預(yù)測的預(yù)測效率具有重要意義。

［1］凡俊梅，焦培南，吳振森，婁鵬.電離層不同傳播模式信號多普勒頻移的實驗研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2008，23（1）：34-40.

［2］付長民，底青云，許誠，王妙月.電離層影響下不同類型源激發(fā)的電磁場特征［J］.地球物理學(xué)報，2012，55（12）：3958-3968.

［3］胡光明，馬保科.電離層電波信號衰減的混沌時間序列預(yù)測［J］. 西安工程大學(xué)學(xué)報，2012，26（4）：516-520.

［4］田育庶，牛有田.低頻天波傳播預(yù)測與低電離層模式參數(shù)的測定［J］. 電波科學(xué)學(xué)報，2002，17（1）：29-34.

［5］姜濤.地—電離層波導(dǎo)中甚低頻波晝夜過渡期特性研究［J］. 通信電源技術(shù)，2014，31（4）：43-45.

［6］趙庶凡，申旭輝，潘威炎，張學(xué)民.VLF波從大氣層到低電離層的傳輸特性分析［J］.空間科學(xué)學(xué)報，2011，31（2）：194-200.

［7］張曉琛，李詮娜.地面-低電離層波導(dǎo)中甚低頻場強(qiáng)的計算方法概述［J］. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010，27（6）：123-124.

［8］李光明，溫東.甚低頻對潛通信信號場強(qiáng)預(yù)測［J］.電訊技術(shù)，2008，48（2）：29-32.

［9］王小京.超低頻信號場強(qiáng)與大氣噪聲研究［J］.艦船電子工程，2009，29（9）：79-83.

［10］李云紅，董穎輝.甚低頻發(fā)信天線輻射場強(qiáng)計算與測量方法研究［J］. 艦船電子工程，2016，36（10）：158-162.

［11］T.A.Hepner.User’s Guide for the Submarine Communi?cations Assessment Tool（SCAT）of the Coverage Predic?tion Improvement Program（CPIP）Software Version 4.0［M］.Naval Command，Contral and Ocean Surveillance Center RDT&EDivision.San Diego，ca.1997，4.

［12］J.A.Fergution.Computer Programes for Assessment of Long-Wavelength Radio Communnications，Version 2.0［M］.User’s Guide and Source Files，Space and Naval Warfare Systems Center（SNWSC），May 1998.

［13］Ferguson，J.A.，F(xiàn).P.Snyder，Long-Wave Propagation Ca?pability Program Description and User’s Guide［M］.NOSC Technical Document 1449， AD-B130-808，NOSCSan Diego，Calif.92152-5185，January 1989.

［14］J.A.Ferguson.A Review of the Ionospheric Model for the Long Wave Capability［C］//NCCOC，1992

［15］T.A.Hepner.User’s Guide for the Naval Communica?tions Assessment Tool（NCAT） Software Version 3.0［M］.Naval Command，Contral and Ocean Surveillance Center RDT&EDivision.San Diego，ca.1997，4.