2009年7月22日日食期間VLF信號相位和場強的觀測和分析

張世田，陳林如，王元新

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2009年7月22日日食期間VLF信號相位和場強的觀測和分析

張世田，陳林如，王元新

（中國電波傳播研究所青島分所，青島 266071）

2009年7月22日日食期間，分別在重慶、桂林和青島利用阿爾法場強與相位監(jiān)測儀觀測了來自俄羅斯阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)位于Novosibirsk、Krasnodar和Khabarovsk 的3個發(fā)射臺3個頻率的甚低頻信號，并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析。通過建立日食期間的電離層模型，結(jié)合實際傳播路徑地面電磁參數(shù)，推測全食區(qū)低電離層的等效高度；給出經(jīng)不同路徑傳播的VLF（甚低頻）信號相位突變與日食發(fā)生時刻的關(guān)系及原因；分析了日食期間經(jīng)不同路徑傳播的VLF信號的場強起伏變化，發(fā)現(xiàn)場強變化滯后于相位變化這一現(xiàn)象。

甚低頻(VLF)異常傳播；日食；傳播相位；阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)

日食期間是進行某些科學(xué)觀測的絕好時機?；谌帐称陂g的觀測，可以進行日地關(guān)系方面的課題研究，包括太陽對電離層的控制作用的研究。2009年7月22日，在我國西起西藏、東至浙江的廣泛區(qū)域出現(xiàn)了日全食。此次日全食在我國覆蓋范圍廣、可觀測時間長，除了全食帶，我國很多地區(qū)處于偏食區(qū)。國內(nèi)很多單位在日食期間組織安排了相關(guān)觀測。

為了深入研究日食對電離層的影響，中國電波傳播研究所對此次日食進行了較大規(guī)模的電離層加密觀測。作者課題組承擔(dān)了利用阿爾法場強與相位監(jiān)測儀分別在重慶（106.26oN，29.68oE），桂林（109.94oN，25.39oE）及青島（120.31oN，36.13oE）監(jiān)測來自俄羅斯阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)位于新西伯利亞發(fā)射臺（Novosibirsk，俗稱主臺，84.43oE，55.75oN），克拉斯諾達爾發(fā)射臺（Krasnodar，俗稱西副臺，38.16oE，45.41oN）和哈巴羅夫斯克發(fā)射臺（Khabarovsk，俗稱東副臺，136.61oE，50.07oN）這3個臺的3個頻率的VLF（甚低頻）導(dǎo)航信號在日食期間相位和場強變化的任務(wù)，獲得了完整的實測數(shù)據(jù)。據(jù)此數(shù)據(jù)分析了日食期間我國上空低電離層的等效高度的變化；研究了日食發(fā)生與VLF信號相位變化的關(guān)系及其原因；還分析了日食期間VLF信號場強起伏量及場強變化與日食的關(guān)系。

1 信號傳播路徑及導(dǎo)航信號發(fā)射順序

2009年7月22日我國見食區(qū)、發(fā)射臺、觀測站分布和信號傳播路徑等情況如圖1所示。

圖1 日食帶、發(fā)射臺、觀測站分布和信號傳播路徑

日食剛發(fā)生時，太陽光照強度減弱，當(dāng)?shù)厣峡盏碗婋x層電子密度降低，低電離層等效高度升高。當(dāng)日全食發(fā)生時，光照被完全遮蔽，低電離層等效高度上升到最大高度，生光后低電離層等效高度連續(xù)下降，直至回到正常高度為止。日食期間信號傳播路徑和低電離層等效高度示意于圖2。

為了全面地研究日食期間傳播的甚低頻（VLF）信號相位和場強的變化，選取重慶、桂林和青島3地作為觀測點，每個觀測點可以接收3條電波傳播路徑上各3個頻率的甚低頻信號。發(fā)射臺到重慶觀測點的電波傳播路徑穿過偏食區(qū)止于全食帶；發(fā)射臺到桂林觀測點的電波傳播路徑穿過偏食區(qū)及全食帶后止于偏食區(qū)；發(fā)射臺到青島觀測點的電波傳播路徑僅位于偏食區(qū)內(nèi)。

實測所用的甚低頻信號場強和相位接收設(shè)備為“CJA-1阿爾法場強與相位監(jiān)測儀”，該設(shè)備可同時接收3個發(fā)射臺發(fā)射的3個頻率的電波信號，具有較高的相位測量和場強測量的精度。

圖2 日食期間信號傳播路徑和低電離層等效高度示意圖

3個發(fā)射臺（主臺、東副臺、西副臺）的信號發(fā)射順序（發(fā)射周期3.6 s）如圖3所示。

圖3 信號發(fā)射順序

注：1=11.905 kHz，2=12.649 kHz，3=14.881 kHz

在每個觀測點利用阿爾法場強與相位監(jiān)測儀可以同時觀測東副臺、主臺和西副臺發(fā)射的3個頻率信號的相位和場強。

2 VLF電波傳播原理

當(dāng)不考慮沿路徑上可能發(fā)生的“模轉(zhuǎn)換”影響時[1-2]，VLF電波傳播路徑上的電場強度分量[3]可以表示為

式（2）中，

由于低電離層等效高度的變化，場強將產(chǎn)生起伏，場強起伏標準偏差估計[4]公式

式（4）中

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 主臺到觀測點的相位變化

各觀測點及主臺的見食時刻如表1所示，表中時間為北京時間。主臺至各觀測點的傳播路徑的初虧時刻就是各觀測點初虧時刻，日食復(fù)圓時，日食陰影已完全掃過整條傳播路徑。圖4，圖5和圖6分別為在重慶、桂林和青島3地接收到的主臺信號的相位變化曲線，其相位初虧時刻、相位復(fù)原時刻、最大相位突變時刻和相位最大突變量總結(jié)于表2中。

表1 觀測點及主臺見食時刻 （hh:mm）

圖5 主臺—桂林傳播信號的相位（信號頻率12.649 kHz）

圖6 主臺—青島傳播信號的相位（信號頻率12.649 kHz）

表2 日食期間主臺信號相位變化情況

對比表1和表2，可以看出（以觀測點重慶為例）：相位初虧時刻08:30遲于光學(xué)初虧時刻08:07，但早于光學(xué)食甚時刻09:15；相位復(fù)原時刻10:20早于光學(xué)復(fù)圓時刻10:32；最大相位突變時刻09:22出現(xiàn)在光學(xué)食甚（或生光）之后。在桂林和青島的觀測也得出了類似的結(jié)果。

相位初虧遲于觀測點光學(xué)初虧，這主要是：當(dāng)各觀測點發(fā)生光學(xué)初虧時，電離層變化比較緩慢，對相位的影響比較小，隨著時間的推移，電離層變化加劇，等效高度明顯升高，此時，傳播相位發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)相位初虧。

相位復(fù)原早于觀測點光學(xué)復(fù)圓時刻，這主要是各觀測點光學(xué)復(fù)圓時，日食陰影已完全掃過整條傳播路徑。在接近各觀測點光學(xué)復(fù)圓時刻時，電離層對傳播相位的影響漸漸恢復(fù)正常，傳播相位基本恢復(fù)正常，相位復(fù)原。

3.2 東副臺到觀測點的相位變化

各觀測點及東副臺的見食時刻如表3所示。就東副臺而言，各觀測點初虧時刻即為東副臺至各觀測點的傳播路徑的初虧時刻，但觀測點日食復(fù)圓時，日食陰影并沒有完全掃過整條傳播路徑，東副臺仍位于日食陰影中。圖7和圖8分別是在重慶和桂林接收到的東副臺信號的相位變化曲線，其相位初虧時刻、相位復(fù)原時刻、最大相位突變時刻和相位最大突變量總結(jié)于表4。

表3 觀測點及東副臺見食表 （hh:mm）

圖8 東副臺—桂林傳播信號的相位（信號頻率11.905 kHz）

表4 日食期間東副臺相位變化情況

對比表3、表4可以看出（以重慶為例，其他觀測點得到類似的觀測結(jié)果）：相位初虧時刻08:40遲于光學(xué)初虧時刻08:07，相位復(fù)原時刻10:37早于日食陰影掃過東副臺時刻10:53，最大相位突變時刻09:37出現(xiàn)在光學(xué)食甚（或生光）時刻09:15之后，這與主臺到各觀測點相位突變現(xiàn)象一致，其原因亦相同。

3.3 西副臺到觀測點的相位變化

西副臺到各觀測點的傳播路徑較長（大于6 060 km），且大部分的路徑都在日食區(qū)內(nèi)。各觀測點初虧時刻基本上亦是各傳播路徑的初虧時刻，日食復(fù)圓時，日食陰影已完全掃過傳播路徑。圖9，圖10和圖11分別為在重慶、桂林及青島接收到的西副臺信號的相位變化曲線，其相位初虧時刻，相位復(fù)原時刻，最大相位突變時刻和相位最大突變量總結(jié)于表5。

圖9 西副臺—重慶傳播信號的相位（信號頻率12.649 kHz）

圖10 西副臺—桂林傳播信號的相位（信號頻率12.649 kHz）

圖11 西副臺—青島傳播信號的相位（信號頻率12.649 kHz）

表5 日食期間西副臺信號相位變化情況

由圖9至圖11可以看出，日食期間相位發(fā)生變化，但由于傳播路徑較長，各階波模中主要是基模起作用，故相位只是緩變。

對比表1、表5可以看出（以重慶為例，其他觀測點得到類似結(jié)果）：相位初虧時刻06:54遠早于光學(xué)初虧時刻08:07，提前2 h左右；相位復(fù)原時刻12:00遠遲于光學(xué)復(fù)圓時刻10:32，滯后1.5 h左右，這一現(xiàn)象的原因有待進一步分析研究。

3.4 主臺到觀測點場強的變化

日食期間場強的起伏變化及場強變化時刻與日食時刻的關(guān)系在理論上很難給出，以前的日食觀測也沒有進行這方面的研究[5-6]。為了研究日食期間場強的變化，對其進行了觀測，日食期間在桂林和青島接收到的主臺信號的場強變化情況分別如圖12和圖13所示。

圖12 主臺—桂林傳播信號的場強（信號頻率14.881 kHz）

圖13 主臺—青島傳播信號的場強（信號頻率12.649 kHz）

由圖12可以看出：在初虧時刻08:10之后，場強幅度逐漸增大；在復(fù)圓時刻10:36前后，場強幅度出現(xiàn)“快速日出”現(xiàn)象（場強迅速減小，繼而增大）；場強在16:39迅速減小，出現(xiàn)“快速日落”現(xiàn)象（場強急劇減小到正常值）。

由圖13可以看出：在初虧時刻08:22場強幅度沒有明顯變化，至10:51場強幅度有所增加；在復(fù)圓時刻10:57前后，場強幅度出現(xiàn)“快速日出”現(xiàn)象；場強在16:51迅速減小，出現(xiàn)“快速日落”現(xiàn)象。

日食期間各觀測點接收到的東副臺和西副臺的信號場強變化不明顯，基本上無變化。

3.5 日食對傳播相位的影響分析

當(dāng)傳播路徑比較短時，由于接收點與發(fā)射臺的距離較近，除了基模以外還存在其他波模，因而日食期間會有明顯的相位突變發(fā)生，但是相位突變與日食發(fā)生時刻并不一致。

當(dāng)傳播路徑較長時，由于各階波模中主要是基模起作用，所以相位變化較緩不發(fā)生突變。相位變化的時刻與日食發(fā)生的時刻相差比較大，這主要是因為整條傳播路徑低電離層等效高度發(fā)生變化需要較長時間所致。

為切實合理推測日食期間低電離層等效高度，本文采取了以下幾項措施：

1）結(jié)合中國電波傳播研究所地面導(dǎo)電率數(shù)據(jù)庫[7]計算相速、激勵因子相位等傳播參數(shù)；

2）考慮激勵因子相位的影響；

表6 日食期間低電離層等效高度和相位變化量的推算結(jié)果

3.6 日食對場強的影響分析

由圖12和圖13可以看出：日食期間場強變化不是很明顯，但是恰在日食復(fù)圓時刻會出現(xiàn)“快速日出”現(xiàn)象，繼而場強迅速增加，此時場強起伏標準偏差可以達到30~40 dB，而正常情況下，由（4）式推算可知場強起伏標準偏差為十幾個dB，日食期間場強起伏標準偏差可達30~40 dB的現(xiàn)象將持續(xù)6h左右，此后恢復(fù)正常。通過對比圖6和圖13也可發(fā)現(xiàn)：電離層復(fù)原對傳播相位的影響與對場強的影響并不一致，對場強的影響往往要晚一些、持續(xù)的時間更長一些，造成這一現(xiàn)象的原因不能簡單地從低電離層等效高度變化方面解釋，有待于進一步分析研究。

4 結(jié)語

由以上實驗數(shù)據(jù)和分析得出以下結(jié)論：

1）日食對VLF傳播相位的影響程度與傳播路徑有關(guān)：當(dāng)傳播路徑比較短時，相位將發(fā)生突變；當(dāng)傳播路徑較長時，相位緩慢變化不發(fā)生突變。相位的變化與日食帶和傳播路徑交點處的初虧、食甚、復(fù)圓并不同步，路徑越長現(xiàn)象越明顯。這次實驗中，日食期間相位變化量在1.52~7.12μs之間。

2）日食期間低電離層等效高度會明顯升高，但是并不會升高到夜晚低電離層的等效高度，全食帶低電離層等效高度為78 km左右，較白天低電離層等效高度（70 km左右）升高8 km左右。

3）當(dāng)傳播路徑較短時，日食對甚低頻信號場強影響明顯，有30~40dB的起伏，但場強明顯增大的時刻遲于日食復(fù)圓時刻，其變化與相位變化亦不同步，造成這一現(xiàn)象的原因有待進一步研究。

[1] WATT A D. VLF Radio Engineering[M]. New York: Pergamon Press in Oxford, 1967.

[2] 潘威炎. 長波超長波極長波傳播[M]. 成都: 電子科技大學(xué)出版社, 2004.

[3] 田育庶, 潘威炎, 余遠超. 甚低頻(VLF)無線電系統(tǒng)電波場強與相位計算方法[S].

[4] 張世田, 陳恩平, 王元新, 等. 甚低頻在多模干涉區(qū)的場強起伏標準偏差估計[J] . 電波科學(xué)學(xué)報, 2011, 26(2): 286-290.

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Observation and analysis of VLF phase/amplitudeduring a solar eclipse of July 22, 2009

ZHANG Shi-tian, CHEN Lin-ru, WANG Yuan-xin

(Qingdao Branch, Chinese Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266071, China)

The phase and field strength of VLF signals at three frequencies, which were transmitted from Novosibirsk, Krasnodar and Khabarovs stations of the Russian alpha hyperbolic navigational system, were measured with the alpha phase/field-strength monitor in Chongqing, Guilin and Qingdao respectively during a solar eclipse of July 22, 2009, and the measurements were analyzed. The ionospheric equivalent height in the total eclipse regions was derived by establishing the ionospheric model and considering the electromagnetic parameters for the propagation path. The relation between the sudden change in phase of VLF signal and the time when the solar eclipse took place were obtained for different propagation paths, and the cause of the relation were analyzed. Besides, the amplitude changes occurred during the solar eclipse for different propagation paths were analyzed and it was found that the phase change occurred earlier than the amplitude change.

VLF(very low frequency) abnormal propagation; eclipse; phase of propagation; Alpha navigation system

TN011

A

1674-0637(2011)01-0066-11

2010-11-13

國家重點實驗室基金資助項目（9140C080405100C08）

張世田，男，碩士，高級工程師，主要從事電波傳播、電磁散射與逆散射等研究。