中國地區高精度電離層行擾監測臺網設計

陳春 班盼盼 李曉君

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

引 言

高頻電波在電離層中傳播時,由于電離層電子濃度變化或反射面狀況改變,會產生高頻多普勒頻移,對其分析可以獲得電離層擾動等信息. 高頻多普勒觀測可以用來監測電離層的電波傳播環境,具有探測靈敏度高、事件持續性好和系統費用低等特點,更為重要的是采用無源、多站同源信號接收監測,是電離層環境觀測,特別是電離層擾動探測的一種有效手段[1-4].

電離層行擾(travelling ionospheric disturbance, TID)是一種類似波浪運動的大尺度不均勻結構,是中性大氣的聲重波在電離層中的表現形式. TID使電子濃度值面波狀運動導致無線電信號傳播軌跡相應變化,這些變化可以產生附加的多普勒分量. 此外,受TID制約的無線電信號傳播的多徑效應可能使接收信號嚴重衰落.

圖1 電離層行擾特性監測工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of probing the TID disturbance

引起高頻多普勒頻移的原因有許多,除日出、日落外,最明顯的有太陽耀斑、磁暴[5]等,尤其太陽耀斑爆發引起多普勒頻移的突然增加最為明顯,因而也可作為監測太陽耀斑爆發的一種觀測設備. 耀斑爆發期間由于軟、硬X射線以及極紫外線(extreme ultraviolet,EUV)輻射的突然增加,使電離層電子濃度產生較大變化. 利用高頻多普勒技術可以較好地觀測到太陽耀斑對電離層的影響. 當耀斑爆發的幾分鐘內,頻率偏移是正值,之后是一個持續時間較長的負偏移[6].

國外最早在1957年,日本的Ogawa對5 MHz和10 MHz的標準時間信號進行高頻多普勒頻移觀測. 20世紀80年代DQ-87地球物理數據采集和處理系統[7]等完善了高頻多普勒觀測技術、記錄和分析. 另一方面,出現高頻多普勒臺陣,有一點發射多點接收和多點發射一點接收兩種方式,用于測量電離層擾動的水平相速度[8-11]. 例如,日本1999年建立了一個新的一站發射八站接收的電離層多普勒觀測站網,由此來觀測不同空間區域的電離層擾動. 法國建立了一站發射三站接收的高頻多普勒觀測臺網,研究由地震和低層大氣波動向上傳播引起的電離層擾動. 2010年以來,在捷克Prague觀測臺陣基礎上,南非Hermanus、阿根廷Tucuman和臺灣也建立了高頻多普勒觀測臺陣,對電離層擾動進行研究. 我國中科院武漢物理與數學研究所、北京大學和中國科學院空間科學與應用研究中心開展電離層擾動觀測研究,并分析典型的電離層多普勒觀測結果[2,12-13].

利用國內十三個觀測站組網觀測,可用于研究電離層擾動的傳播和演變情況.下面簡要介紹電離層行擾監測臺網情況.

1 電離層行擾探測臺網組成

1.1 探測原理

當電波的發射點和接收點不動時,電波的多普勒頻移可表示為[1]:

(1)

(2)

式中:f0是電波的頻率;c是真空中的光速;P為電波從發射點至接收點的相路徑;s是電波的傳播路徑;μ為介質的折射指數.

當考慮高頻電波經過電離層反射后,式(1)可進一步表示為

(3)

此時多普勒頻移與探測頻率成正比.

對高頻電波而言,若多普勒頻移主要由電波非偏移區電子濃度的改變引起,則它可表示為

(4)

式中:常數k=80.5;ΔNe表示電子濃度的變化量.此時,多普勒頻移與探測頻率成反比.

一般而言,這兩種情況不可分割,共同產生作用.

1.2 臺網組成

從2016年起擬在國內滿洲里、長春、烏魯木齊、拉薩、蘭州、重慶、新鄉、青島、蘇州、喀什、廣州、海口和昆明13個電波觀測站建設電離層行擾監測設備,組成全國性的電離層擾動特性監測網,對電離層擾動現象進行研究.其中,以蘭州和昆明兩個臺站組成第一條緯度監測鏈,以滿洲里、新鄉、廣州和海口四個臺站組成第二條緯度監測鏈,以長春、青島和蘇州三個臺站組成第三條緯度監測鏈.以烏魯木齊和長春兩個臺站組成第一條經度監測鏈,以喀什、蘭州、新鄉和青島四個臺站組成第二條經度監測鏈,以拉薩、重慶和蘇州三個臺站組成第三條經度監測鏈,最終形成三縱三橫的經緯度監測網絡,研究緯度鏈和經度鏈方向的電離層擾動變化特性.

2 高精度探測設備總體設計

高精度電離層行擾探測設備工作原理為:國家授時中心發射BPM標準授時信號,其信號工作頻率為5 MHz、10 MHz、15 MHz,電離層行擾監測儀接收這三個頻率天線接收信號后,經輸入保護電路、帶通濾波器及分路器后分成三路信號,分別通過濾波、混頻、增益控制及放大后,輸出三路中頻經A/D采樣后送往數值信號處理(digital signal processing,DSP)單元,經過多通道變速率信號處理與濾波處理得到三路零中頻正交I、Q數據,利用計算機COM1串口與接收機的控制微處理器進行通信,將三路零中頻正交I、Q數據傳輸到計算機,經傅里葉變換得到頻域數據并實時顯示5 MHz、10 MHz、15 MHz三路多普勒頻移信息;對I、Q數據和頻域數據進行實時連續存盤保存;由DSP對5 MHz、10 MHz、15 MHz授時信號進行音頻解調,選擇其中一路通過喇叭監聽.

利用數字信號處理技術,通過對中頻信號采樣、數字濾波、譜分析得到多普勒頻移隨時間的變化關系,從而得到多普勒頻譜的信息.

2.1 射頻信道模塊

本單元是將天線感應的信號處理成A/D變換器能夠接收處理的信號形式. 射頻信道由輸入保護、帶通濾波器(band-pass filter,BPD)、分路器、頻綜、混頻器、一中放、二中放、三中放等組成. 本單元必須保證較低的噪聲系數、帶內線性范圍和線性指標,必須慎重考慮互調、交調、阻塞等抗干擾指標,提高本機抗干擾能力. 濾波器必須具有最小帶內波動、相位失真和良好的阻帶特性.

2.2 高穩時頻模塊

本模塊主要由GPS/BD2接收機模塊、時差測量模塊、分頻模塊、PLL鎖相環、恒溫晶振等組成,其接收外部GPS/BD2信號,作為外部時間標準,送給時差測量模塊;分頻電路主要把恒溫晶振輸出的10 MHz信號進行分頻,輸出1PPS信號;時差測量電路經過各種算法,馴服恒溫晶振,在馴服一段時間后,計算出恒溫晶振的各項參數,經過修正后,使其保持相當長一段時間的高準確度;鎖相環經過恒溫晶振的傳遞,對恒溫晶振進行鎖相,晶振輸出經過放大隔離后供后級使用. 該模塊主要功能是使恒溫晶振的頻率穩定度由10-8提高到1×10-10,解決恒溫晶振的溫度漂移問題.

2.3 數字信號處理模塊

數字信號處理模塊硬件方案設計為以“A/D+DDC+DSP”為核心的硬件架構,主要工作流程:三路中頻信號由A/D進行采集,輸入DDC進行數字下變頻和各通道變速率處理以降低信號速率,得到三路“kHz級寬帶”零中頻正交I、Q數據輸入FPGA,由FPGA進行數據流緩沖后輸入DSP器件,DSP器件對輸入數據進行可變速率信號處理、數字濾波、標準授時信號音頻解調、信號電平檢測以及自動增益控制(automatic gain control,AGC),輸出三路零中頻正交I、Q的數據,由串口上傳至計算機進行后續處理和結果顯示.

高精度電離層行擾接收設備主要技術指標:

頻率穩定度 1×10-10

頻率準確度 1×10-10

A/D采樣位數 14位

多普勒分辨率 0.011 Hz

靈敏度 1 μV,在(S+N)/S=20 dB

動態范圍 ≥80 dB

帶寬 10 Hz

2.4 數字處理軟件

實時監測和數據處理軟件自動接收分析數據,提取多普勒頻移信息,獲取電離層不同擾動的形態特征. 通過串口接收5 MHz、10 MHz和15 MHz信道的中頻I、Q數據、電平數據,對I、Q信號進行FFT變換,得到各個頻道的多普勒頻移,實時顯示這三個通道的多普勒頻移、信號強度以及頻譜等信息,并保存I、Q數據、電平數據、頻譜數據,同時錄入數據庫.

3 結果分析

利用高精度電離層行擾臺網接收中國科學院國家授時中心標準時間信號,其站點代號為BPM,對我國電離層進行長期連續監測. 其中,各觀測站接收5 MHz、10 MHz、15 MHz BPM授時信號,記錄多普勒頻移和信號電平,其中不同頻率授時信號的工作時間如表1所示. 鑒于篇幅,下面僅給出部分臺站電離層擾動觀測結果.

表1 國家授時中心短波工作時間說明Tab.1 Specifications of the BPM working time at National Time Service Center

圖2給出了2017年4月2日電離層騷擾期間引起的信號電平和多普勒頻移變化圖.北京時間2017年4月02日15:50至16:13太陽發生M5.3級耀斑爆發,最大時刻為16:02. 其中,太陽爆發的活動區編號為2644,光學峰值亮度級別為2N,射電爆發類型為Ⅱ/Ⅳ型. 圖2(a)和圖2(b)分別反映了10 MHz頻段廣州和海口站信號強度和多普勒頻移變化,圖2(c)反映了15 MHz頻段廣州站信號強度和多普勒頻移變化. 從圖2可以看出,當耀斑發生時,廣州和海口站都出現多普勒頻移突然增加,接收信號下降的現象. 對10 MHz頻段而言,海口站信號強度和多普勒頻移變化都比廣州站小. 對廣州站而言,10 MHz頻段信號強度和多普勒頻移變化都比15 MHz頻段大,這反映了隨著工作頻率增加,其接收信號強度和多普勒頻移變化有變小的趨勢.

(a) 廣州站(10 MHz)(a) Guangzhou Station(10 MHz)

(b) 海口站(10 MHz)(b) Haikou Station(10 MHz)

(c) 廣州站(15 MHz)(c) Guangzhou Station(15 MHz)圖2 2017年4月2日廣州和海口站觀測的多普勒頻移(左)和信號強度(右)變化Fig.2 Doppler shift (left) and signal intensity variation (right) at Guangzhou and Haikou stations on 2 April 2017

圖3給出了2017年4月2日耀斑發生前后廣州站電離層垂測結果.從圖3可以看出,電離層圖上記錄的反射回波的最低頻率fmin在15:45時為3.6 MHz左右,而耀斑期間16:00時在5.8 MHz左右,fmin明顯增加,16:15時電離層處于恢復正常變化中. 其原因是太陽耀斑引起電離層D層電子密度明顯增加,穿過D層射向E、F層并返回地面的無線電波受到強烈的吸收,引起HF電波信號強度衰減. D層電子密度越大,吸收越強;HF電波工作頻率越低,吸收越強,從而導致耀斑期間fmin值明顯增加. 電離層斜測觀測結果也表明:耀斑期間HF鏈路最低可用頻率(lowest usable frequency,LUF)也會明顯地增加,這反映了耀斑期間HF鏈路低頻段短波信號會出現明顯的吸收,導致信號強度出現明顯的下降,表現為低頻段信號強度低于斜測接收機門限而無法接收的觀測現象. 此外,美國NOAA發布的全球D區電離層吸收模型表現為耀斑期間,高頻通信工作頻率越低,吸收衰減越低的變化趨勢,低頻段高頻信號信號強度明顯下降,這與我們的觀測結果相吻合.

(a) 15:45

(b) 16:00

(c) 16:15圖3 廣州站電離層垂測觀測結果(2017年4月2日)Fig.3 Results of the ionospheric vertical probing at Guangzhou station on 2 April 2017

總體上看,當太陽耀斑爆發時,多普勒頻移突然增加,電波信號強度急劇下降,表現為典型的耀斑引起的多普勒效應. 這與文獻[1]和文獻[2]中觀測到的太陽耀斑期間多普勒頻移突然顯著增加的觀測結果相吻合.

圖4為2016年5月21日觀測的一次大尺度TID.對10 MHz接收頻率而言,蘭州和新鄉站出現大尺度TID,重慶站出現中尺度TID,而青島站無TID出現,多普勒頻移基本圍繞0 Hz線波動.這反映電離層行擾組網觀測可監測TID傳播情況,可用于研究擾動傳播和演化情況.

(a) 蘭州站多普勒頻移變化 (b) 新鄉站信號強度變化(a) Doppler shift variation at Lanzhou station (b) Signal intensity variation at Xinxiang station

(c) 重慶站多普勒頻移變化 (d) 青島站信號強度變化(c) Doppler shift variation at Chongqing station (d) Signal intensity variation at Qingdao station圖4 2016年5月21日觀測的一次TIDFig.4 A TID phenomenon on 21 May 2016

電離層偶發E層(Es)是發生在E層高度上的電離密度突然增強的高電子密度薄層結果. 圖5為青島站高頻多普勒反映的Es狀態,接收頻率為10 MHz.從圖5可以看出,多普勒頻移圍繞0 Hz軸線略有起伏,與電離層平靜期時多普勒變化圖類似. 當Es出現時,信號電平比無Es時信號電平有明顯的增加,且在-60 dBm上下變化,這是由短波在電離層隨機媒質中傳播特性引起的.

(a) 多普勒頻移變化 (b) 信號強度變化(a) Doppler shift variation (b) Signal intensity variation圖5 2016年5月17日觀測到的Es效應Fig.5 The Es feature on 17 May 2016

圖6為2017年9月22日昆明和海口站觀測到的日出效應,接收頻率為10 MHz. 日出時,電離層電子密度急劇增加,形成正的多普勒頻移[2],隨后,電離層電子密度緩慢變化,多普勒頻移圍繞0 Hz線上下波動.

(a) 昆明站 (b) 海口站(a) Kunming station (b) Haikou station圖6 2017年9月22日觀測到的多普勒頻移變化Fig.6 The Doppler shift variation on 22 September 2017

4 結 論

本文針對電離層擾動組網監測,介紹了由滿洲里、長春、烏魯木齊、拉薩、蘭州、重慶、新鄉、青島、蘇州、喀什、廣州、海口和昆明13個觀測站組成的電離層行擾監測臺網設計.高精度探測設備主要設計特點為:

1) 采用高穩定度晶振,使恒溫晶振的頻率穩定度由10-8提高到1×10-10,確保電離層無擾動情況時多普勒頻移值在0 Hz處.

2) 數字信號處理模塊硬件方案設計為以“A/D+DDC+DSP”為核心的硬件架構,實現計算機與接收機之間的遠程遙控、接收機數據實時上傳以及接收機工作參數的配置.

3) 電離層行擾監測臺陣從2016年起開始連續監測,已觀測到電離層耀斑效應、日出效應、Es效應和TID事件,這反映了該臺陣系統運行可靠,可監測電離層擾動現象. 下一步開展中國地區D層電離層吸收模型研究工作.

4) 本文只給出了多個多普勒觀測站的單站觀測結果,如何利用多普勒臺陣的觀測結果綜合分析電離層擾動的傳播和演化過程是個難題,下一步加強電離層擾動的實時監測和分析,開展電離層擾動傳播和演變情況綜合研究.