短波大氣噪聲的數(shù)值計(jì)算方法

胡繪斌， 陳建忠

（①總參第六十三研究所，江蘇 南京 210007；②中國人民解放軍94860部隊(duì)，江蘇 南京 210018）

0 引言

在設(shè)計(jì)短波通信線路方案、評估短波通信質(zhì)量或分析短波超視距雷達(dá)的噪聲環(huán)境時(shí)，自然界的噪聲尤其是大氣無線電噪聲（簡稱大氣噪聲）是計(jì)算接收信噪比必須要考慮的因素。大氣噪聲主要由雷電引起，其傳播受電離層影響很大，其強(qiáng)度隨頻率、時(shí)間、季節(jié)、地理位置及氣候的改變而變化。因此，在工程應(yīng)用中通常都是以統(tǒng)計(jì)形式取其季時(shí)段中值來進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)前，工程上計(jì)算大氣噪聲的主要方法和依據(jù)是CCIR322報(bào)告及ITU P.372-8推薦書所提供的一套全球大氣噪聲分布圖，通過人工查圖的方式估算出大氣噪聲計(jì)算公式中的各種參數(shù)[1-2]，這種方法的計(jì)算效率顯然極其低下且容易出錯(cuò)。因此，實(shí)現(xiàn)大氣噪聲的編程計(jì)算一直是工程上需要解決的問題。當(dāng)前，關(guān)于這個(gè)問題的研究文獻(xiàn)所見甚少，文獻(xiàn)[3]簡單地給出了短波大氣噪聲若干系數(shù)的計(jì)算公式，沒有給出詳細(xì)的計(jì)算過程和結(jié)果。

根據(jù)美國國家電信和信息管理局（NTIA）85-173報(bào)告所提供的大量數(shù)據(jù)[4]，采用傅里葉正弦級數(shù)和多項(xiàng)式插值的數(shù)值方法來計(jì)算任意地點(diǎn)、季節(jié)和時(shí)間段內(nèi)的大氣噪聲中值，并開發(fā)出相應(yīng)的計(jì)算程序，極大地提高了大氣噪聲的計(jì)算效率和準(zhǔn)確度，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 大氣噪聲的工程計(jì)算方法

大氣噪聲功率nP（dBW）的計(jì)算公式為[1]：

式(1)中，B為接收機(jī)的有效噪聲帶寬，單位為Hz；aF為天線接收的有效大氣噪聲系數(shù)，單位為dB，是計(jì)算大氣噪聲的關(guān)鍵所在，aF可表示為：

其中，F(xiàn)am為 Fa的時(shí)區(qū)中值，表示在50%的時(shí)間范圍內(nèi) Fa不大于 Fam，隨頻率變化而變化； Du為 Fa上十分值和 Fam的差值，表示在90%的時(shí)間范圍內(nèi) Fa不大于 Fam+Du；σFam和σDu分別為 Fam和 Du的標(biāo)準(zhǔn)偏差，反映了 Fam和 Du隨機(jī)變化的情況。式（2）計(jì)算所得的 Fa，實(shí)際是指90%的時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的有效天線噪聲系數(shù)的最大值。文獻(xiàn)[5]給出了上述各參數(shù)的詳細(xì)推導(dǎo)過程。

以人工查圖方式計(jì)算大氣噪聲時(shí)主要是根據(jù)地點(diǎn)、季節(jié)和時(shí)間從全球大氣噪聲分布圖上估算出Fam、Du、σFam和σDu的值后再代入式（2）進(jìn)行計(jì)算。全球大氣噪聲分布圖是用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)儀器（參考天線是一個(gè)理想導(dǎo)電面上的短垂直單極子），在全球建立的27個(gè)觀測站測量的大氣噪聲數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，考慮長期氣象、氣候及雷電活動(dòng)規(guī)律，于世界地圖上繪制的 Fam等值線分布圖，由四個(gè)季節(jié)、六個(gè)時(shí)間段（從零時(shí)起每四小時(shí)為一個(gè)時(shí)間段），共72張算圖組成，每3張圖為一組，分別為 Fam（1MHz）的全球分布圖、 Fam的頻率分布圖和Du、σFam和σDu等參數(shù)的頻率分布圖，反映一個(gè)季節(jié)、一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的大氣噪聲狀況，其中，F(xiàn)am（1MHz）表示“以1 MHz為參考頻率的有效天線噪聲系數(shù)中值”，用于估算 Fam，實(shí)現(xiàn)Fam（1MHz）的數(shù)值計(jì)算是計(jì)算大氣噪聲的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

2 Fa m （1 M Hz） 的數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)NTIA 85-173報(bào)告所提供的大量數(shù)據(jù),采用傅里葉正弦級數(shù)和多項(xiàng)式插值相結(jié)合的方法來計(jì)算 Fam（1MHz）,即：

式中：

圖1顯示了用該方法計(jì)算的秋季23時(shí)全球 Fam（1MHz）等值線分布圖，與 ITU P.372-8推薦書所提供的同時(shí)段Fam（1MHz）全球分布圖（包含了地球大陸輪廓線）[6]相比，二者相當(dāng)吻合，精度完全可以滿足工程應(yīng)用要求。

3 有效大氣噪聲系數(shù) amF 的數(shù)值計(jì)算方法

對于實(shí)際工作的短波頻率 f （ M H z）來說，通過式（6）計(jì)算接收天線的有效噪聲系數(shù) Fam：

圖1 計(jì)算的全球Fa m （1 M Hz ） 等值線分布圖

式中， Ai（z） = Bi,1+ Bi,2z ，z為任意地點(diǎn)、季節(jié)和時(shí)間的為NTIA Report 85-173提供的系數(shù)，與季節(jié)和時(shí)間段相對應(yīng)，共計(jì)336個(gè)。

按上述方法，以0.1 MHz為間隔計(jì)算了1.0～30 MHz共291個(gè)頻點(diǎn)在12月（冬季）3時(shí)（時(shí)區(qū)1）不同F(xiàn)am（1MHz）所對應(yīng)的 Fam值，如圖2所示。為便于和ITU P.372-8推薦書所提供的 Fam值比較，圖2中 Fam＜ 1 0dB的部分曲線未予顯示，二者是相當(dāng)吻合的。

圖2 計(jì)算的 amF 值

4 uD、Famσ和Duσ的數(shù)值計(jì)算方法

Du、σFam和σDu采用以下多項(xiàng)式計(jì)算：

式（7）中， lgx f= ，iA為NTIA Report 85-173提供的系數(shù)，與季節(jié)和時(shí)間段相對應(yīng)，三種參數(shù)的iA系數(shù)共有360個(gè)。

按上述方法，同樣計(jì)算了頻率從1.0～30 MHz共291個(gè)頻點(diǎn)在3月（春季）15時(shí)（時(shí)區(qū)4）的uD、Famσ和Duσ值分布，如圖3所示，和ITU P.372-8推薦書所提供的同時(shí)間三種參數(shù)的計(jì)算值相比，二者同樣相當(dāng)吻合，精度完全可以滿足工程應(yīng)用要求。

圖3 計(jì)算的三種參數(shù)值

5 短波大氣噪聲的數(shù)值計(jì)算流程

根據(jù)以上計(jì)算過程，給出短波大氣噪聲的計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 短波大氣噪聲的數(shù)值計(jì)算流程

6 結(jié)語

采用數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)了短波大氣噪聲主要參數(shù)的程序計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明了該方法的正確性。這種方法大大提高了傳統(tǒng)人工查圖法估算短波大氣噪聲的計(jì)算效率，在短波遠(yuǎn)距離通信線路設(shè)計(jì)、短波通信質(zhì)量評估及短波超視距雷達(dá)環(huán)境噪聲計(jì)算等工程上具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 焦培南,張忠治.雷達(dá)環(huán)境與電播傳播特性[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007： 320-398.

[2] 曲貴成,王睿.大氣噪聲條件下海上短波通信可通性研究[J].艦船電子工程,2009,29(01)：92-95.

[3] 黃崇敬,楊祖萍.短波通信性能評估計(jì)算機(jī)高級編程算法概要[C]. 中國：中國通信學(xué)會,2008： 767-777.

[4] SPAULDING A D, WASHBURN J S. Atmospheric Radio Noise： Worldwide Levels and Other Characteristics[R].USA：NTIA,1985.

[5] LAWRENCE D C. CCIR Report 322： Noise Variation Parameters[R].Geneva： ITU,1995.

[6] ITU Radiocommunication Assembly. ITU Report 372-8： Radio Noise[R]. Geneva： ITU, 2003.