單模傳播模式下電離層側(cè)向散射特性研究

郭文玲，蔚 娜，李 雪，李吉寧，魯轉(zhuǎn)俠

（中國電波傳播研究所青島分所，山東青島 266107）

單模傳播模式下電離層側(cè)向散射特性研究

郭文玲，蔚 娜，李 雪，李吉寧，魯轉(zhuǎn)俠

（中國電波傳播研究所青島分所，山東青島 266107）

針對電離層側(cè)向散射探測布站問題，對特定收發(fā)方位布站的單模傳播模式下不同接收天線主指向、不同收發(fā)地面距離的側(cè)向散射進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，當(dāng)接收主指向為60°（與正北方向夾角）時掃頻圖會出現(xiàn)與返回散射不同的特性，在低頻處前沿變化非常的緩慢，還會出現(xiàn)群距離不連續(xù)的現(xiàn)象，隨著收發(fā)距離的增大這種特性越明顯，同時主指向角度減小這種特性也會越明顯；當(dāng)收發(fā)站距離和接收主指向達(dá)到一定條件時，接收站沒有回波信號；同時還對同一主指向、不同距離情況下最小時延線，以及最小時延線上地面散射單元夾角的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，這些特性對開展電離層側(cè)向散射布站具有重要的指導(dǎo)意義。

返回散射；電離層探測；側(cè)向散射；電離圖

0 引 言

電離層是天波超視距傳播系統(tǒng)的傳輸媒質(zhì)，因此電離層的研究對天波超視距傳播的研究具有重要的意義。目前，對電離層比較成熟的探測手段有垂直探測、斜向探測和返回散射探測［1－3］，垂直探測是探測垂測站上空的電離層狀態(tài)，斜向探測是實現(xiàn)收發(fā)站間的電離層探測，返回散射可以實現(xiàn)點對面的探測，這三種探測技術(shù)各有特點，對電離層的研究有著不可替代的作用，為認(rèn)識電離層的特性提供了有效的途徑。但是電離層特性復(fù)雜，側(cè)向散射探測作為一種新的電離層探測手段，為電離層的進(jìn)一步研究開辟了新的途徑。

側(cè)向散射可以看作廣義的返回散射。返回散射的接收發(fā)射可以看作是同一點，但是側(cè)向散射的接收點沒有這樣的約束。側(cè)向散射的實現(xiàn)過程為發(fā)射站發(fā)出的無線電波經(jīng)電離層反射到遠(yuǎn)方地（海）面，后經(jīng)地（海）面散射，發(fā)生非后向散射的“側(cè)向”傳播，再次經(jīng)電離層反射到達(dá)遠(yuǎn)離發(fā)射站的地方被接收到［4－6］。

目前，國內(nèi)外關(guān)于側(cè)向散射方面的研究報道還比較少，主要研究有合成側(cè)向散射電離圖［7］；文獻(xiàn)［8］開展側(cè)向散射探測試驗，并在國內(nèi)首次獲得了側(cè)向散射信號的群距離－多普勒譜圖、側(cè)向散射掃頻電離圖；文獻(xiàn)［6］利用三維數(shù)字射線追蹤技術(shù)，合成了多模傳播模式下不同接收波束指向下的側(cè)向散射掃頻電離圖，分析了最小時延線、不同地面距離最大可用頻率（MUF）等參數(shù)的變化規(guī)律。側(cè)向散射對電離層的研究具有重要的意義，欲對其深入研究，實際試驗是必不可少的。因此對收發(fā)站的布站仿真研究是必須的。

研究中對F層傳播模式下，發(fā)射天線全向，不同接收天線主指向、不同收發(fā)地面距離的側(cè)向散射進(jìn)行了仿真，并對側(cè)向特性進(jìn)行了分析，為實際開展電離層側(cè)向散射的實驗研究的布站提供了重要的參考依據(jù)。

1 仿真方法

1.1 電離層模型與射線追蹤

電離層模型比較復(fù)雜，考慮到對側(cè)向散射的研究還處在初步階段，先對某一層的特性進(jìn)行詳細(xì)的研究，進(jìn)而推廣到多層特性的研究中。在研究中，采用分段準(zhǔn)拋物（QPS）電離層模型，只考慮一層電離層（F層）的情況，設(shè)電離層的參數(shù)為臨頻為6MHz，底高180 km，半厚80 km。

射線追蹤是研究高頻電波在電離層中傳播的重要手段之一，主要包括解析射線追蹤和數(shù)字射線追蹤。解析射線追蹤雖然計算速度快，但忽略了地磁場的影響，并且一般只考慮電離層球形對稱的情況，而數(shù)字射線追蹤不存在該問題［10，11］。研究中射線追蹤采用數(shù)字射線追蹤。

射線追蹤詳細(xì)實現(xiàn)方式可參考文獻(xiàn)［6－11］。

1.2 回波能量

側(cè)向散射中，接收信號包括收發(fā)站間的斜測信號和側(cè)向散射信號兩部分［6］。

側(cè)向散射相對復(fù)雜一些，側(cè)向散射信號信噪比SNRss為

式中，Pav為平均發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；λ為無線電波波長；R1為發(fā)射站到散射單元的幾何距離；La1為相應(yīng)路徑電離層吸收損耗；R2為散射單元到接收站的幾何距離；La2為相應(yīng)路徑電離層吸收損耗；La為電離層吸收損耗；Ls為系統(tǒng)損耗；k為玻爾茲曼常數(shù)；T0為接收站等效噪聲溫度；Fa為噪聲因子；kT0Fa為每赫茲外噪聲功率；B為信號帶寬；τ為線性調(diào)頻脈沖寬度，M為相干積累次數(shù)。

電離層吸收損耗公式的計算［6］，考慮時間為2011年6月某天上午9點（北京時），仿真中需要的參數(shù)取值為太陽黑子數(shù)12個月的流動平均值R12＝53，太陽視赤緯月中值Sx＝－0.035 5，世界時ty＝1，磁旋頻率fH＝1MHz。

2 特性分析

2.1 接收天線指向?qū)﹄婋x圖的影響

發(fā)射站在接收站北偏東約41°方向上，收發(fā)站相距RT＝1 496 km，發(fā)射功率為Pav＝50 kW，發(fā)射天線為全向天線，Gt＝11.5 dB。接收天線增益為某天線的實測數(shù)據(jù)，天線增益隨方位角和仰角的變化而變化，在方位上以180°成對稱分布。

接收天線主波束寬度為20°，分別對主波束指向60°、90°、120°、150°、180°和221°（以正北方向為基準(zhǔn)，順時針旋轉(zhuǎn)）的進(jìn)行仿真，側(cè)向散射掃頻圖如圖1所示。

由圖1可知，來波覆蓋區(qū)先增大后減小，在接收天線主指向為110°時，來波覆蓋區(qū)達(dá)到最大。隨著接收波束指向的增大最小時延線與最大功率線（每個頻率上能量最大的群距離連線）逐漸靠近。在接收波束指向為221°（即在收發(fā)連線上，但是背向發(fā)射站）時最小時延線與最大功率線幾乎重合。

圖1 不同主指向下的側(cè)向掃頻電離圖

不同主指向時最小時延線與最小時延線上散射單元對應(yīng)夾角（散射單元到收發(fā)站之間的夾角，簡稱“夾角”）的變化情況，如圖2所示。從圖中可以看出：頻率在5～8.6 MHz時，最小時延線上的群距離隨著主指向角度的增大而增大，同一接收天線主指向下，最小時延線上的群距離隨著頻率的增大呈遞增趨勢，主指向為60°時群距離變化比較緩慢；同時，最小時延線上散射單元對應(yīng)夾角隨著主指向的增大而減小，隨著頻率的增大呈遞減趨勢，主指向為60°時，變化比較平穩(wěn)。當(dāng)頻率大于8.6MHz時最小時延線上的群距離和最小時延線上散射單元對應(yīng)夾角在主指向為60°時會出現(xiàn)陡變現(xiàn)象，其他主指向時為緩慢變化。

2.2 收發(fā)站間距對電離圖的影響

收發(fā)站方位不變，發(fā)射站位置不變，接收站位置改變，使收發(fā)距離為0.5RT和2RT（RT表示收發(fā)站間的距離），接收天線主指向為60°、120°和180°時的側(cè)向散射掃頻電離圖如圖3所示。

從圖中可以看出，主指向180°，收發(fā)距離2RT時沒有回波。這是由于收發(fā)距離比較大，在接受波束范圍內(nèi)沒有到達(dá)接收點的回波，這些特性對側(cè)向散射實際試驗的布站具有很重要的指導(dǎo)意義。接收天線主指向相同時，隨著收發(fā)站距離的增大，群距離覆蓋范減小，相應(yīng)群距離上的信號能量變?nèi)酢?/p>

接收天線指向相同，收發(fā)站距離不同時最小時延線比較如圖4所示，可以看出，當(dāng)主指向為60°時，不同地面距離的最小時延線，在起始頻率處都比較平穩(wěn)，收發(fā)距離越遠(yuǎn)這種現(xiàn)象越明顯，有這種現(xiàn)象的最大頻率也越來越大。當(dāng)主指向為120°時，最小時延線除了起始位置不同外，曲線變化非常類似。在高頻處不同主指向的最小時延線重合。

圖2 最小時延線與最小時延線上散射單元對應(yīng)夾角

圖3 不同收發(fā)距離不同天線指向側(cè)向散射掃頻電離圖比較

不同指向、不同收發(fā)距離的最小時延線散射單元夾角比較如圖5所示，主指向為60°時，在開始頻率時，夾角比較大，達(dá)到某一頻率后迅速下降，收發(fā)地面距離越大，陡變時的頻率就越大，這與側(cè)向散射的特有特性相關(guān)。由圖可知，同一主指向下，最小時延線散射單元夾角都隨著距離的增大而增大，不同主指向下有各自的變化規(guī)律。

圖4 不同主指向不同收發(fā)距離時的最小時延線比較

圖5 不同主指向不同收發(fā)距離時的最小時延線散射單元對應(yīng)夾角

2.3 特殊現(xiàn)象成因分析

由圖1和圖3可知，在本研究假設(shè)的仿真條件不同距離情況下，接收天線主指向為60°時掃頻電離圖與其他主指向在低頻處是有差別的。不同距離情況下接收天線60°指向時的側(cè)向散射掃頻圖如圖8所示。

由圖6可知在低頻處掃頻圖前沿有一定的平坦區(qū)域并且變化緩慢，還會出現(xiàn)在某些頻率上群距離不連續(xù)的現(xiàn)象，頻點上的群距離隨著頻率的增大由連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)后又連續(xù)。在距離為0.5RT和RT時高頻處與返回散射有相似的前沿變化趨，而收發(fā)站為2RT時與返回散射存在明顯不同。上述兩種現(xiàn)象都是返回散射所不具有的特性。

圖6 各個距離下60°指向時的掃頻圖

下文根據(jù)掃頻圖上的特殊頻點的散射點分布對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析。側(cè)向散射的掃頻范圍是5～21.6 MHz，根據(jù)不同距離情況下的掃頻圖特性，在每個掃頻圖上選取了4個特殊頻點，表1。不同收發(fā)間距的側(cè)向散射掃頻圖特殊頻點上的散射點分布，如圖7所示，其中，接收天線主指向為60°；接收波束寬度為20°；橫坐標(biāo)為經(jīng)度，縱坐標(biāo)為緯度；上面的點表示發(fā)射點，下面的點表示接收點。

表1 不同收發(fā)間距掃頻圖上特殊頻點取值

第一個頻點為掃頻的初始頻率5 MHz，由于接收波束寬度相同，同時不受收發(fā)站盲區(qū)的影響，此時，不同收發(fā)間距上的散射區(qū)域形狀類似。

第二個頻點選取掃頻圖平坦區(qū)域的頻點。散射點分布相比于第一個頻點區(qū)域減小，這是由于在此頻點下，收發(fā)站的盲區(qū)足夠大到影響散射點區(qū)域。隨著頻率的增大收發(fā)站的盲區(qū)也不斷增大。

研究中設(shè)收發(fā)兩站的電離層參數(shù)相同，所以盲區(qū)大小相同。

第三個頻點是側(cè)向散射掃頻圖上群距離不連續(xù)的頻點；在此頻點下，散射點區(qū)域不連續(xù)?？梢娫诖朔抡鏃l件下，射區(qū)域不連續(xù)時掃頻圖上的群距離也會不連續(xù)。

圖7 不同收發(fā)站距離掃頻圖特殊頻點的散射點分布圖

第四個頻點選取的是群距離經(jīng)過不連續(xù)頻點后，又連續(xù)的頻點。根據(jù)獲取的掃頻圖的特點，收發(fā)距離為0.5RT和RT時的掃頻圖選取的是前沿與返回散射有相似變化趨勢的頻點，2RT時選取的是掃頻圖平坦區(qū)域尾部的頻點。

在第四個頻點上，散射區(qū)域連續(xù)但不同距離上散射區(qū)域的位置與收發(fā)站間的關(guān)系不同。0.5RT和RT距離時散射點區(qū)域靠近發(fā)射點，遠(yuǎn)離接收站，散射區(qū)域不受接收站點盲區(qū)擴大的影響，只受發(fā)射點盲區(qū)擴大的影響，此時形成的掃頻電離圖的變化趨勢與返回散射類似。在2RT距離時散射區(qū)域在收發(fā)站連線間偏右下方。散射區(qū)域同時受收發(fā)兩站盲區(qū)的擴大的影響，此時形成的掃頻電離圖的變化趨勢與返回散射掃頻電離圖不同，是比較平坦的前沿的延伸。

由各個距離上的第四個頻點和2RT距離時的第三個頻點可知，不同區(qū)域的散射點在掃頻圖上表現(xiàn)的特性是不同的。由圖（7a）和（7b）的第四個頻點可以看出，隨著頻率的增大，當(dāng)散射區(qū)域只受發(fā)射點盲區(qū)擴大的影響時，形成的掃頻電離圖與返回散射類似；由圖7（c）的第四個頻點可以看出，當(dāng)散射區(qū)域受收發(fā)兩站的盲區(qū)擴大影響，但是散射區(qū)域在收發(fā)站之間時，形成的掃頻圖群距離較小，前沿變化很緩慢，在這些散射區(qū)域的散射點到接收站和發(fā)射站的地面距離有相交區(qū)域。

3 結(jié) 語

研究中對單模傳播模式下不同接收天線主指向、不同收發(fā)地面距離的電離層側(cè)向散射掃頻圖進(jìn)行了仿真。對同一接收天線主指向，不同距離情況下最小時延線，以及最小時延線對應(yīng)的地面散射單元夾角的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。當(dāng)收發(fā)站距離為2RT且接收主指向為180°時，接收站沒有回波信號。當(dāng)接收主指向為60°時掃頻圖會出現(xiàn)與返回散射不同的特性即在低頻處前沿變化非常緩慢，隨著收發(fā)距離的增大這種特性越明顯，而且還會出現(xiàn)某一頻率下群距離不連續(xù)的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都是由于散射區(qū)域與收發(fā)站的說位置區(qū)域決定的，當(dāng)散射區(qū)域受收發(fā)兩站的影響時就會出現(xiàn)前沿變化緩慢的現(xiàn)象，當(dāng)散射區(qū)域不連續(xù)時就會出現(xiàn)群距離不連續(xù)的現(xiàn)象，如果散射區(qū)域只受發(fā)射站的影響，則掃頻圖變化與返回散射相似。側(cè)向散射探測作為近幾年新興的電離層探測技術(shù)，國內(nèi)外研究還比較少，研究也只對特定的假設(shè)仿真條件下的掃頻特性進(jìn)行了分析，得出一些有借鑒性的參數(shù)變化規(guī)律，這些特性對開展側(cè)向散射實際試驗的布站具有一定的指導(dǎo)意義。

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郭文玲（1986—），女，山東人，工程師，主要研究方向為電離層電波傳播、雷達(dá)信號處理等；

E+mail：wenling_869＠126.com

蔚 娜（1981—），女，山東人，博士，高級工程師，主要研究方向為雷達(dá)信號處理和電波傳播；

李 雪（1981—），男，黑龍江人，博士／高級工程師，主要研究方向為電離層回波信號處理、雷達(dá)信號處理、電波傳播等工作；

李吉寧（1982—），男，山東人，工程師，目前主要研究方向為高頻超視距雷達(dá)、雷達(dá)信號處理和電波傳播；

魯轉(zhuǎn)俠（1978—），女，陜西興平人，工程師，主要研究方向為天波斜向探測電離層圖數(shù)值分析、模擬、判讀和電離層回波信號處理等。

The Characteristics Analysis of Scattering Side Ionosphere in Single-M ode Propagation M ode

GUOWen+ling，WEINa，LIXue，LI Ji+ning，LU Zhuan+xia
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China）

In order to study the ionosphere side scatter distribution station problems，a simulation is carried out.Forthe station distribution in specific orientation of transceiver，an angle+mode propagation mode and side scatter simulations are carried out in different receiving antenna main point and different transceiver ground distance.The results show that when the main point of the receiving antenna is 60°（angle from true north direction），The side scatter diagram will appear different characteristics with backscatter.At low frequencies the change of forefront is slow.The discontinuity of group distance will appear.This feature becomesmore obvious as the receiving distance increasing，or themain point angle decreasing.There is no echo signal in receive station，when the transceiver distance and themain point reach a certain conditions.The variation of theminimum delay line and the scattering angle in the ground line of the minimum delay in the same main point and different transceiver station are analyzed. These characteristics are of great significance in guiding the conduct ionospheric side scatter distribution station.

backbcatter；ionosphericsounding；side scatter；ionogram

TN011

：A

：1673+5692（2014）06+629+06

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.015

2014+10+13

2014+11+15

國家自然科學(xué)基金（61032011，61302006）；國防技術(shù)基礎(chǔ)（H132013D003）；中國電子科技集團(tuán)公司創(chuàng)新基金（JJ+QN+2013+28）。