太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信系統(tǒng)及設(shè)備的影響和應(yīng)對(duì)措施

邵震洪

（南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京 210007）

太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信系統(tǒng)及設(shè)備的影響和應(yīng)對(duì)措施

邵震洪

（南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京 210007）

介紹了太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的基本原理及特性，分析了太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)電離層以及短波通信系統(tǒng)和設(shè)備的影響，提出了改善太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)短波通信系統(tǒng)和設(shè)備影響的相應(yīng)措施。

太陽(yáng)風(fēng)暴；電離層暴；電離層騷擾；短波通信

美國(guó)宇航局（NASA）提出警告，地球可能遭遇強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴，而且時(shí)間點(diǎn)就在2012年至2013年間。到時(shí)候全球?qū)⑾萑氪笸ｋ?，網(wǎng)絡(luò)電子通訊將全部無法使用。歷史上太陽(yáng)風(fēng)暴就對(duì)人類社會(huì)造成過巨大破壞，如1859年的“卡林頓事件”使剛剛形成的電報(bào)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)癱瘓，1989年3月的太陽(yáng)風(fēng)暴則造成加拿大魁北克省整個(gè)配電網(wǎng)故障。

短波通信是利用波長(zhǎng)為10～100 m（頻率為30～3 MHz）的電磁波傳送信息的無線通信方式，主要是通過電離層反射進(jìn)行天波傳播，電離層對(duì)短波通信起著至關(guān)重要的作用。電離層主要是太陽(yáng)輻射引起的，而太陽(yáng)風(fēng)暴能釋放出令人難以置信的大量的離子和頻譜非常寬的電磁波能量。按太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)的X射線的強(qiáng)度大小，太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)從小到大可分為A，B，C，M，X等5級(jí)（其中最大的稱為X級(jí)）。所以，太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)電離層、短波通信的影響特別大。如何降低太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信系統(tǒng)和設(shè)備的影響將是迫切需要研究的課題。

1 太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的基本原理及特性

太陽(yáng)風(fēng)暴指太陽(yáng)在黑子活動(dòng)高峰階段產(chǎn)生的劇烈爆發(fā)活動(dòng)。太陽(yáng)黑子（也就是太陽(yáng)表面溫度比較低的地方）是太陽(yáng)電磁輻射活動(dòng)增強(qiáng)的表現(xiàn)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的觀察，發(fā)現(xiàn)每天的太陽(yáng)黑子數(shù)都不相同，但它的活動(dòng)大約以11年為循環(huán)活動(dòng)周期。上一個(gè)太陽(yáng)黑子周期比較長(zhǎng)，是剛結(jié)束的，持續(xù)了大概13年?，F(xiàn)在新的太陽(yáng)活動(dòng)周已經(jīng)開始，估計(jì)活躍時(shí)期在2012至2013年間，太陽(yáng)黑子近5個(gè)活動(dòng)周期如圖1所示。太陽(yáng)會(huì)在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的高峰時(shí)產(chǎn)生太陽(yáng)風(fēng)暴，其主要內(nèi)容是帶電等離子體，并以150萬～300萬km／h的速度闖入太空，因此它對(duì)地球的空間環(huán)境產(chǎn)生巨大的沖擊。向地球方向涌來的這些粒子在抵達(dá)地球時(shí)，大部分會(huì)被地球自身的磁場(chǎng)推開。地磁場(chǎng)把太陽(yáng)風(fēng)阻擋在地球之外。然而仍然會(huì)有少數(shù)漏網(wǎng)分子闖進(jìn)來，還是會(huì)給地球帶來一系列破壞。它會(huì)干擾地球的磁場(chǎng)，使地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度發(fā)生明顯的變動(dòng)；它還會(huì)影響地球的高層大氣，破壞地球電離層的結(jié)構(gòu)，使其喪失反射無線電波的能力，造成我們的無線電通信中斷；它還會(huì)影響大氣臭氧層的化學(xué)變化，并逐層往下傳遞，直到地球表面，使地球的氣候發(fā)生反常的變化，甚至還會(huì)進(jìn)一步影響到地殼，引起火山爆發(fā)和地震。這些高速帶電粒子大氣層后，會(huì)引起極光和各種電現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生磁暴效應(yīng)。

圖1 近5個(gè)周期所觀測(cè)的太陽(yáng)黑子數(shù)

2 太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)電離層的影響

2.1 電離層的結(jié)構(gòu)

大氣層在太陽(yáng)輻射能的作用下，分子或原子中的一個(gè)或若干個(gè)電子游離出來成為自由電子而發(fā)生電離，使高空形成了一個(gè)厚度為幾百千米的電離現(xiàn)象顯著的區(qū)域，稱這個(gè)區(qū)域?yàn)殡婋x層。

電離層電子密度呈不均勻分布，按照電子密度隨高度變化的情況，可把它們依次分為D層、E層和F層（F層又分為F1層和F2層），如圖2所示。F2層的電于密度最大，F(xiàn)1層次之，D層電子密度最小。就每層而言，電子密度也不是均勻的，而是在每層中的適當(dāng)高度上出現(xiàn)最大值Nmax。

2.2 電離層突然騷擾

太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，太陽(yáng)輻射的電磁波（主要是紫外線和X射線）和帶電微粒都極大地增強(qiáng)，正常的電離層狀態(tài)遭到破壞，這種電離層的異常變化稱為電離層暴或電離層騷擾。這些高能電磁輻射暴（紫外線和X射線）以光速到達(dá)地球，當(dāng)穿透高層大氣到達(dá)D區(qū)所在高度時(shí)，會(huì)使D區(qū)的電離度突然增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為電離層突然騷擾。它的持續(xù)時(shí)間由幾分鐘到幾小時(shí)之久。因?yàn)檫@種現(xiàn)象是在太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)輻射所致，所以只發(fā)生在地球上的太陽(yáng)照射區(qū)。

2.3 電離層暴

太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，產(chǎn)生的大量帶電微粒子流，將引起地球磁場(chǎng)的干擾。當(dāng)帶電粒子流接近地球時(shí)，大部分被擋在地球磁層之外繞道而過。有一小部分穿過磁層頂（地球磁層外邊界），到達(dá)磁層。當(dāng)帶電粒子穿過磁層到達(dá)電離層時(shí)。使電離層正常的電子分布產(chǎn)生激烈變動(dòng)，正常的電離層狀態(tài)遭到破壞。這種電離層狀態(tài)的異常變化就是電離層暴。電離層暴也是電離層騷擾的一種，它發(fā)生子“太陽(yáng)風(fēng)暴”出現(xiàn)1～3天之后，持續(xù)時(shí)間由幾小時(shí)至幾天。出現(xiàn)電離層暴時(shí)，自F層、E層至D層依次受到影響，其中F2層表現(xiàn)最為明顯。電離層暴通?？煞譃?類：

1）正相電離層暴，F(xiàn)2層的臨界頻率比正常值增大；

2）負(fù)相電離層暴，F(xiàn)2層的臨界頻率低于正常值；

3）雙相電離層暴，F(xiàn)2層臨界頻率有高于正常值的，也有低于正常值的。

2.4 磁暴

當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，噴射出大量微粒流，也常常引起地磁場(chǎng)的很大擾動(dòng)，磁化等離子體云，即產(chǎn)生磁暴。發(fā)生磁暴時(shí)，由于地磁場(chǎng)的急劇變化，會(huì)在大地中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種地電流會(huì)在一些通信電路中引起嚴(yán)重干擾。

圖2 電離層示意圖

3 太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信系統(tǒng)和設(shè)備的影響及應(yīng)對(duì)策略

3.1 電離層突然騷擾對(duì)短波通信系統(tǒng)的影響

電離層突然騷擾對(duì)不同頻段的無線電波分別引起不同的異?，F(xiàn)象。由于D區(qū)的電子密度大大增強(qiáng)，使通過D區(qū)在上面反射的短波信號(hào)遭到強(qiáng)烈吸收，甚至使通信中斷，這種現(xiàn)象稱為“短波消逝”。

3.2 電離層暴對(duì)短波通信系統(tǒng)的影響

F2層負(fù)相騷擾（臨界頻率下降）對(duì)短波通信危害最大，當(dāng)F2層臨界頻率降低時(shí)，致使原來使用的較高頻率的電波穿透F2層而不被反射回地面，通信可用頻段大大變窄，甚至找不到可用的工作頻率。有時(shí)為了維持通信，必須相應(yīng)地降低通信頻率。但是如果臨界頻率太低，由于D層和E層同樣受到電離層暴影響，電波通過D層、E層時(shí)損耗增加，隨著可用工作頻率的降低，則使損耗更大，從而使接收端的信號(hào)減弱。猛烈的電離層暴可大大降低短波通信質(zhì)量，甚至使通信中斷。

3.3 太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信設(shè)備的影響

如果太陽(yáng)風(fēng)暴強(qiáng)度超出地球磁場(chǎng)和大氣層的保護(hù)能力之外，則地面通信系統(tǒng)和設(shè)備將直接遭到強(qiáng)大高能粒子流和電磁輻射的雙重破壞。

太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信設(shè)備的損傷可以分為“硬”損壞和“軟”毀傷兩類?！坝病睋p壞是指短波通信設(shè)備被強(qiáng)大的電磁波能量和超能粒子流完全摧毀，這種概率一般很低，大部分時(shí)候，太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信設(shè)備的損傷基本上是一種“軟”毀傷：雖然設(shè)備外觀完整無損，但內(nèi)部記憶電路、集成電路、邏輯電路、放大電路等元器件均因瞬間超載而燒毀無法正常工作。其主要表現(xiàn)在：天饋系統(tǒng)短路、部分功能模塊或組件暫時(shí)失效或損壞、電子元器件、集成電路暫時(shí)失效或損壞、存儲(chǔ)器信息被清除或出錯(cuò)等。

4 改善太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信系統(tǒng)和設(shè)備影響的措施

緊密觀測(cè)新周期內(nèi)太陽(yáng)黑子的活動(dòng)，通過太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)。積極采取措施，以期對(duì)將要到來的危害做到有備無患。

4.1 通過監(jiān)測(cè)D層電子密度，減少電離層突然騷擾對(duì)短波通信的影響

雖然太陽(yáng)耀斑爆發(fā)8 min后D層電子密度就可能會(huì)成倍增長(zhǎng)，從而影響短波通信。但由于太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)中心一般能提前48 h預(yù)報(bào)發(fā)生太陽(yáng)耀斑的可能性并向公眾發(fā)布。因此，收到太陽(yáng)耀斑可能爆發(fā)的預(yù)報(bào)后，在電離層突然騷擾來臨前，我們可以通過中頻反射雷達(dá)加強(qiáng)對(duì)D層電子密度的監(jiān)測(cè)，確定電離層突然騷擾的時(shí)間和騷擾程度。由于各次太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)的猛烈程度差別很大，因而電離層騷擾的程度也各不相同，對(duì)通信的影響程度也不相同。如果通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)騷擾比較輕微，用戶接到預(yù)報(bào)后可以通過增加工作頻率來降低D層的吸收，如果騷擾比較嚴(yán)重，可以通過線路轉(zhuǎn)換和改變工作方式等，來減少騷擾對(duì)短波通信的影響。

4.2 通過F層臨界頻率預(yù)報(bào)，減少電離層暴對(duì)短波通信的影響

當(dāng)發(fā)生電離層暴后，F(xiàn)2層臨界頻率急劇下降，對(duì)短波通信產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于電離層暴是在太陽(yáng)表面擾動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生1～3天后才開始的，所以有分析地球物理現(xiàn)象和發(fā)出警報(bào)的充裕時(shí)間。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)后，用戶可以實(shí)時(shí)從國(guó)家天文臺(tái)太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)中心、國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心等機(jī)構(gòu)獲取F2層的臨界頻率預(yù)報(bào)信息，根據(jù)電離層暴的騷擾程度，采取相應(yīng)措施。如果F2層的臨界頻率降低不大，可以通過降低工作頻率來改善短波信號(hào)。如果F2層的臨界頻率不可用，則應(yīng)提供有線、微波等其它替代手段，以免通信中斷而造成不必要的損失。

4.3 降低太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)短波通信設(shè)備的損傷

4.3.1 損傷耦合途徑

一般情況，由于地球磁場(chǎng)和大氣層的保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的帶電粒子流很難直接對(duì)地面短波通信設(shè)備造成損壞，所以這里只考慮其產(chǎn)生的寬頻譜電磁波所帶來的影響。而電磁波能否對(duì)短波通信設(shè)備進(jìn)行有效的毀傷，取決于電磁能量能否有效地耦合進(jìn)入短波通信設(shè)備，只有進(jìn)入短波通信設(shè)備內(nèi)部的電磁能量達(dá)到一定的強(qiáng)度，才能有效的摧毀和干擾電子設(shè)備。而耦合的方式有2種：前門耦合和后門耦合。其耦合的能量可用下式估算［3］：

其中：Pr為耦合能量；Pe／Be為太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的電磁波能量譜密度；Br為設(shè)備接收帶寬；λ為接收中心頻率波長(zhǎng)；Gr為天線接收增益；R為距離；Lr為天饋系統(tǒng)損耗。由式（1）得出的太陽(yáng)風(fēng)暴耦合到設(shè)備內(nèi)部的電磁能量若是大于設(shè)備接收機(jī)前端的敏感器件的損傷閾值，則設(shè)備的前端就會(huì)受到損傷。式（1）即是判斷設(shè)備是否遭到電磁損傷的基本公式。

4.3.2 設(shè)備層級(jí)損傷防護(hù)

電磁波能量只有被耦合進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部時(shí)，才能造成設(shè)備有效殺傷。其對(duì)抗的有效手段一方面就是切斷耦合途徑，阻止強(qiáng)電磁波進(jìn)入設(shè)備件內(nèi)部；另一方面，提高元器件和設(shè)備抗干擾和抗損壞能力?？梢圆扇∫韵戮唧w措施：天饋系統(tǒng)加固、屏蔽、接地和搭接處理、濾波等。

4.3.3 元器件、PCB層級(jí)防護(hù)

首先選擇抗干擾強(qiáng)、能耐高壓、大電流的元器件，在保證電路功能的前提下，盡量使用低功耗、低速芯片；其次，元器件在PCB上的布局合理，走線規(guī)范，注意消除地線和電源線的噪聲，控制信號(hào)的環(huán)路面積，提高PCB板的抗干擾能力。

5 結(jié) 語

在可預(yù)見的未來，太陽(yáng)風(fēng)暴即將爆發(fā)，其對(duì)現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)必將帶來巨大破壞力和深刻影響，我們應(yīng)該及早認(rèn)識(shí)太陽(yáng)風(fēng)暴帶來的危害，做好充分的防護(hù)準(zhǔn)備，以便“太陽(yáng)風(fēng)暴”真正來臨時(shí)能有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，將其負(fù)面影響降到最低。

［1］THODE L E.Virtual-cathode microwave device research ［J］.IEEE Transactions of Electromagnetic Compatibility，1992（34）：2 521-2 530.

［2］PROAKIS J G.Digital Communications［M］.New York：McGraw-Hill，2001.

［3］李慧梅，唐彥峰，劉祥凱，等.電磁脈沖武器對(duì)車輛裝備的損傷效應(yīng)研究［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7（3）：31-34.

［4］周璧華，陳 彬，石立華.電磁脈沖及其工程防護(hù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［5］司守訓(xùn).電磁脈沖防護(hù)技術(shù)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［6］胡中豫.現(xiàn)代短波通信［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

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1008-1542（2011）12-0036-03

2011-06-20；責(zé)任編輯：張 軍

邵震洪（1970-），男，江西景德鎮(zhèn)人，工程師，主要從事電磁頻譜管理技術(shù)方面的研究。