基于人工源的甚低頻電磁波空間傳播特征統(tǒng)計分析

徐維東， 張學(xué)民， 李忠， 趙庶凡， 張偉

1 防災(zāi)科技學(xué)院， 河北三河　065201 2 中國地震局地震預(yù)測研究所， 北京　100036

基于人工源的甚低頻電磁波空間傳播特征統(tǒng)計分析

徐維東1， 張學(xué)民2*， 李忠1， 趙庶凡2， 張偉1

1 防災(zāi)科技學(xué)院， 河北三河065201 2 中國地震局地震預(yù)測研究所， 北京100036

摘要利用2005年1月至2010年11月DEMETER衛(wèi)星記錄的NWC發(fā)射站的VLF電場功率譜數(shù)據(jù)，采用指數(shù)擬合的方法，分析了VLF電磁波在衛(wèi)星高度激發(fā)的電場空間分布和衰減特征．研究結(jié)果表明： (1) VLF電場在發(fā)射站上空及其磁共軛區(qū)有著很強的對應(yīng)關(guān)系，存在南、北2個強電場中心渦； (2) 相對于發(fā)射站的位置，VLF電場中心點具有經(jīng)度和緯度偏移，日側(cè)地磁經(jīng)度偏移均值大于夜側(cè)，而地磁緯度偏移均值則小于夜側(cè)； (3) 日側(cè)VLF電場強度呈現(xiàn)出周期性的年變化； (4) 在VLF電場中心10°范圍內(nèi)，電場強度隨距離快速衰減，衰減常數(shù)b在長達(dá)6年的時間內(nèi)保持穩(wěn)定．在以上研究結(jié)果基礎(chǔ)上初步構(gòu)建的衛(wèi)星高度人工源電磁波空間分布特征，將為研究地表-電離層電磁波傳播機理提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐．

關(guān)鍵詞甚低頻電場功率譜； 甚低頻電磁波傳播； DEMETER衛(wèi)星； 電離層； 指數(shù)擬合

1引言

甚低頻(VLF 3～30 kHz)電磁波在傳播中具有衰減低、穩(wěn)定性高、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點．目前世界上建立的地基VLF發(fā)射站超過40個，主要應(yīng)用在潛艇通訊、無線電導(dǎo)航、地球物理勘察等領(lǐng)域．有關(guān)VLF電磁波的研究，過去主要是研究雷電、流星活動、γ射線等誘導(dǎo)甚低頻信號擾動(Inan et al．，1996；Cummer，2000；Otsuyama et al．，2003；De et al．，2006)．自20世紀(jì)以來，人們開展了大量的地基VLF/LF(低頻)電磁波地震監(jiān)測應(yīng)用研究.結(jié)果表明，地震前VLF/LF電磁波在強度、相位方面出現(xiàn)異常擾動和相移等變化(Hayakawa et al．，1996；Molchanov et al．，1998；Rozhnoi et al．，2005；Biagi et al．，2008)．

隨著衛(wèi)星觀測技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)VLF/LF電磁波不僅僅限于在地-電離層波導(dǎo)中傳播，還可以穿透進(jìn)入電離層而被低軌衛(wèi)星記錄到(Gokhberg et al．，1983；Molchanov，1991)，這對地震電磁輻射在電離層傳播研究具有非常好的參考價值(Hayakawa et al．，1993；Parrot et al．，2009)．

越來越多的衛(wèi)星觀測證明了電離層電磁場擾動與地震相關(guān)性的存在．Cerisier等(1985)利用Aureol-3(408 km)衛(wèi)星觀測到高緯電離層F區(qū)電子密度和電場的異常擾動．Parrot和Mogilevsky(1989)對Aureol-3(408 km)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)地震引起電離層極低頻電磁波異常輻射．Intercosmos-Bulgaria-1300(825 km)衛(wèi)星觀測到地震前15 min水平磁場分量變化幅度達(dá)3 nT(Chmyrev et al．，1989)．Serebryakova等(1992)對COSMOS-1809(970 km)衛(wèi)星記錄的信號進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)在震區(qū)上空發(fā)生強烈的極低頻輻射．Molchanov等(1993)對Intercosmos-24(511 km)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)地震前12～14 h，震區(qū)上空超低頻和極低頻輻射都達(dá)到最大值．

近年來，多個研究者利用衛(wèi)星觀測的地面發(fā)射站的VLF電磁波信號來研究其與地震活動的關(guān)系．Molchanov等(2006)分析了DEMETER衛(wèi)星接收FTU發(fā)射站(18.3 kHz，法國)和DFY發(fā)射站(16.56 kHz，德國)的VLF信號，發(fā)現(xiàn)在地震發(fā)生前一段時間VLF波信號信噪比一直在降低；Rozhnoi等(2007，2010)分別利用俄羅斯堪察加半島的接收站和DEMETER衛(wèi)星來接收J(rèn)JY發(fā)射站(40 kHz，日本)、JJI發(fā)射站(22.2 kHz，日本)、NWC發(fā)射站(19.8 kHz，澳大利亞)、NPM發(fā)射站(21.4 kHz，夏威夷群島)的VLF信號，分析了信號振幅和相位的異常與地震的關(guān)系．地基與天基VLF電磁波觀測都是獨立的，信號來源可知且一致，因此天地聯(lián)合對比分析提高了地震擾動判識的可靠性．

以上研究利用天基電磁波觀測數(shù)據(jù)分析了地震電磁輻射引起的異常擾動現(xiàn)象，但并沒有分析在衛(wèi)星高度電磁波正常的傳播特性及其時空演化特征．本文收集2005—2010年法國DEMETER衛(wèi)星記錄的NWC發(fā)射站VLF信號數(shù)據(jù)，利用插值、擬合等數(shù)據(jù)處理方法，統(tǒng)計分析了人工源VLF信號在空間的時空分布與衰減特征．研究結(jié)果可為認(rèn)識空間電磁背景場提供理論支撐．

2數(shù)據(jù)選取

2.1DEMETER衛(wèi)星

衛(wèi)星對地觀測提供了一個從地面發(fā)射站發(fā)射信號來研究衛(wèi)星高度空間電磁波傳播特性的機會．DEMETER衛(wèi)星(Cussac et al．，2006)于2004年6月發(fā)射，其主要科學(xué)任務(wù)是研究與地震活動相關(guān)的電離層擾動．衛(wèi)星在軌期間記錄到了多次地震異?，F(xiàn)象(Parrot et al．，2006；張學(xué)民等，2009，2010；劉靜等，2011；澤仁志瑪?shù)龋?012)．DEMETER衛(wèi)星采用近圓形太陽同步軌道，一條完整的軌道分為升軌和降軌，升軌是指衛(wèi)星從南緯飛向北緯的軌道，對應(yīng)磁地方時MLT22∶30；降軌是指衛(wèi)星從北緯飛向南緯的軌道，對應(yīng)磁地方時MLT 10∶30．衛(wèi)星傾角為98°，衛(wèi)星高度最初為710 km，2005年11月調(diào)整為660 km．衛(wèi)星每天運行14個軌道，相鄰軌道相距約24°，重訪周期為16天，其工作區(qū)間在北緯65°至南緯65°．該衛(wèi)星有兩種工作模式：加密模式和巡查模式(Berthelier et al．，2006)．衛(wèi)星經(jīng)過全球地震活動帶上空時采用高采樣率加密模式，其他區(qū)域采用巡查模式進(jìn)行觀測．衛(wèi)星攜帶的科學(xué)荷載有：電場測量儀(ICE)、磁場測量儀(IMSC)、等離子體分析儀(IAP)、高能粒子探測儀(IDP)、朗繆爾探針(ISL)．本文研究對象是電場測量儀測量的VLF頻段電場數(shù)據(jù)，垂直于衛(wèi)星軌道面電場分量(E12)功率譜是在衛(wèi)星上計算的，采樣分辨率為19.5 Hz，頻率范圍是19.5 Hz～20 kHz，時間分辨率為2 s．

2.2NWC發(fā)射站

NWC發(fā)射站(21°48′59″S、114°09′56″E)位于澳大利亞西北海岸，該無線電發(fā)射站為部署在西太平洋和東印度洋的美國海軍和澳大利亞皇家海軍的戰(zhàn)艦和潛艇提供(VLF)無線電通信．VLF波的發(fā)射頻率是19.8 kHz，發(fā)射功率是1 MW，是南半球功率最大的無線電傳輸站．本文只考慮電場的測量數(shù)據(jù)，故采用DEMETER衛(wèi)星記錄(2005—2010年)來自澳大利亞NWC發(fā)射站發(fā)射的19.8 kHz處的電場功率譜密度數(shù)據(jù)．

3結(jié)果分析

3.1VLF電場空間分布

我們首先收集2005年1月—2010年11月DEMETER衛(wèi)星接收NWC發(fā)射站的信號，提取該衛(wèi)星在19.8 kHz處的電場強度數(shù)據(jù)，并采用空間插值法計算其地理坐標(biāo)、地磁坐標(biāo)、世界時等參數(shù)．圖1給出了2006年1月夜側(cè)(升軌)VLF電場功率譜密度全球分布，圖中橫坐標(biāo)是地磁經(jīng)度，縱坐標(biāo)是地磁緯度，色標(biāo)是電場強度，顏色從藍(lán)到紅的變化代表場強的逐漸變大，圖中黑色五角星代表NWC發(fā)射站在地磁坐標(biāo)的空間投影位置．

圖1　2006年1月19.8 kHz VLF電場功率譜全球分布圖(夜側(cè))Fig.1　The global spatial distribution of VLF electric field spectrogram at 19.8 kHz in January 2006 (nightside)

從圖1看出，VLF電場在南半球的工作站上空與北半球的磁共軛區(qū)有著很強的對應(yīng)關(guān)系，存在南、北2個強電場中心渦，輻射主要沿緯度方向擴展．南半球的VLF電場大致分布在赤道與南緯60°、經(jīng)度120°—240°．在南緯15°—40°內(nèi)存在一個強電場中心渦，場強較大且呈近似圓環(huán)的分布，Lehtinen和Inan(2009)認(rèn)為這是由地球-電離層波導(dǎo)中的VLF波導(dǎo)模式的干擾所致．VLF電場向南輻射的范圍逐漸增大，場強也隨之減小．北半球的VLF電場覆蓋范圍從赤道延伸到北緯50°附近，經(jīng)度在100°—240°．電場中心渦覆蓋范圍在北緯20°—40°，經(jīng)度在170°—210°．VLF電場場強從低緯度到高緯度逐漸增大，在北緯20°—40°范圍內(nèi)場強到達(dá)最大值，而在北緯50°附近電場沿磁殼指數(shù)L線分布，在北緯50°以上場強迅速減?。?/p>

3.2VLF電場中心點坐標(biāo)變化

為保證統(tǒng)計結(jié)果的有效性，本文選擇VLF電場場強最大值所在位置的10°范圍(1000 km)作為研究區(qū)域．在計算VLF電場中心點坐標(biāo)時，采用VLF電場強度前20位最大值的地磁經(jīng)緯度均值作為電場中心點坐標(biāo)．分別提取2005年1月到2010年11月日側(cè)和夜側(cè)的VLF電場數(shù)據(jù)，利用插值法和中值法計算出日側(cè)、夜側(cè)VLF電場中心點地磁坐標(biāo)，然后引用國際地磁參考模型(IGRF11)，計算出2005—2010年NWC發(fā)射站的地磁坐標(biāo)，再用VLF電場中心點地磁坐標(biāo)與NWC站點地磁坐標(biāo)作差值計算，就得到日側(cè)、夜側(cè)VLF電場中心點相對發(fā)射站地磁經(jīng)緯度的偏移量，其計算結(jié)果分別如圖2和圖3所示．由于2005年12月數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，2007年6月至2008年1月NWC發(fā)射站關(guān)閉，故此期間的數(shù)據(jù)做缺值處理．圖2和圖3中，居上的曲線是地磁經(jīng)度偏移值，居下的曲線是地磁緯度偏移值．

圖2　VLF電場中心點相對NWC發(fā)射站的地磁經(jīng)緯度偏移(日側(cè))Fig.2　The offset of geomagnetic coordinate of VLF electric field related to NWC station (dayside)

圖3　VLF電場中心點坐標(biāo)相對NWC發(fā)射站點的地磁經(jīng)緯度偏移(夜側(cè))Fig.3　The offset of geomagnetic coordinate of VLF electric field related to NWC station (nightside)

從圖2和圖3不難看出，日側(cè)和夜側(cè)VLF電場中心點地磁坐標(biāo)相對NWC發(fā)射站都發(fā)生了偏移．Pulinets和Ouzounov(2011)認(rèn)為偏移是由于電磁波沿著磁力線傳播的緣故．在日側(cè)，地磁經(jīng)度偏移均值是13.24°，最大值是14.34°，最小值是12.41°，二者相差1.93°；地磁緯度偏移的均值是3.20°，最大值是4.54°，最小值是2.73°，二者相差1.81°．在夜側(cè)，地磁經(jīng)度偏移的均值是12.73°，最大值是13.98°，最小值是11.27°，二者相差2.71°；地磁緯度偏移的均值是3.50°，最大值是4.30°，最小值是2.65°，二者相差1.65°．地磁緯度偏移是由于VLF電磁波群速度的方向所致(Lehtinen and Inan，2009)．VLF電場中心點偏移的范圍(經(jīng)向12°～14°，緯向2°～5°)與前人研究(Henderson et al．，1993；Němec F et al．，2009)電離層擾動所選的影響范圍(經(jīng)向±6°/±10°，緯向±2°/±5°)大致相同．比較日側(cè)和夜側(cè)的VLF電場中心點偏移量，日側(cè)地磁經(jīng)度偏移均值大于夜側(cè)，而地磁緯度偏移均值則小于夜側(cè)，這可能與日側(cè)電離層比夜側(cè)電離層所受太陽輻射的影響大有關(guān)．

圖4　2005—2010年VLF電場中心點功率譜強度變化Fig.4　Changes of PSD intensity in electric field at VLF center from 2005 to 2010

3.3VLF電場中心點強度隨時間變化

采用VLF電場強度前20位最大值的均值作為VLF電場中心點強度，分月計算出日側(cè)和夜側(cè)VLF電場中心點強度，計算結(jié)果如圖4所示．圖4中居上的曲線是2005年1月至2010年11月夜側(cè)VLF電場中心點強度變化，居下的曲線是2005年1月至2010年11月日側(cè)VLF電場中心點強度變化，圖中橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是電場功率譜強度．

通過圖4分析得出：日側(cè)，每年VLF電場都存在一個峰值，其出現(xiàn)的月份集中在6、7、8月，在年變趨勢上呈現(xiàn)出周期性的變化，電場強度最大值是3.89 μV2·m-2·Hz-1(2009年7月)，最小值是2.14 μV2·m-2·Hz-1(2006年10月)，均值是3.18 μV2·m-2·Hz-1．夜側(cè)，VLF電場強度最大值是5.31 μV2·m-2·Hz-1(2010年5月)，最小值是4.83 μV2·m-2·Hz-1(2009年6月)，均值是5.07 μV2·m-2·Hz-1．夜側(cè)VLF電場的均值比日側(cè)的大1.89 μV2·m-2·Hz-1，這可能與夜側(cè)電離層受太陽輻射較少而減少電離層吸收電磁波的能量有關(guān)．3.4VLF電場中心點強度隨距離變化

VLF電磁波在電離層傳播過程由于低電離層的反射和等離子體碰撞吸收會產(chǎn)生能量的衰減(Bell and Ngo，1990；Lehtinen and Inan，2009；趙庶凡等，2011)．以往的研究使用已知功率的發(fā)射站，利用衛(wèi)星觀測和地面觀測的電磁波對比來確定電離層電磁波傳播系數(shù)(Chapman et al．，1966；Tomko and Hepner，2001)．Devi等(2008)通過地-電離層波導(dǎo)模式分析了甚低頻(16 kHz)電磁波長距離(8 Mm)的傳播特性．本文利用衛(wèi)星觀測的VLF(19.8 kHz)電磁波，采用指數(shù)函數(shù)(y=aeb x)擬合的方法來分析VLF電磁波在空間的衰減特性．考慮到VLF電場中心點的分布特征，采用每一年VLF電場中心點強度前20位最大值的均值作為該年VLF電場中心點的場強，前20位最大值所對應(yīng)坐標(biāo)的均值作為該年VLF電場中心點坐標(biāo)，VLF電場(南半球)中心10°(1000 km)作為研究范圍．VLF電場10°范圍內(nèi)測點隨距離的分布如圖5所示(以2005年為例)，利用指數(shù)函數(shù)(y=aeb x)擬合測點隨距離的分布如圖6所示．

圖5給出了VLF電場10°范圍內(nèi)測點隨距離的分布，散點代表VLF電場中心點10°范圍內(nèi)的測點，橫坐標(biāo)是測點距VLF電場中心的距離，縱坐標(biāo)是測點的電場強度．圖6是利用指數(shù)函數(shù)(y=aeb x)對圖5中測點的特征曲線進(jìn)行擬合的結(jié)果.圖中空心點線是對測點進(jìn)行局部加權(quán)回歸散點平滑處理后的特征曲線，細(xì)線是用指數(shù)函數(shù)對特征曲線進(jìn)行擬合的線．2005—2010年VLF電場場強衰減指數(shù)擬合的相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1．

圖5　VLF電場10°范圍內(nèi)測點電場強度隨距離的分布Fig.5　The distribution of VLF electric field intensity at all observing points with the distance in the 10 degrees range

圖6　利用指數(shù)函數(shù)對特征值進(jìn)行擬合Fig.6　The exponential function is used to fit the eigenvalue

表1　2005—2010年電場衰減擬合參數(shù)

從指數(shù)函數(shù)的性質(zhì)來看，b值是指數(shù)函數(shù)變化速率的決定因素．從表1不難看出，衰減系數(shù)b值保持在一個平穩(wěn)變化的過程中，最大值為-0.00422，最小值為-0.00466，二者差值僅為-0.00044，也就是說2005—2010年VLF電場場強衰減速率穩(wěn)定．參數(shù)a代表著衛(wèi)星所在空間還存在著與人工電磁輻射無關(guān)的空間甚低頻電磁輻射的背景．它包含著來自衛(wèi)星上方磁層的甚低頻輻射和來自下方地面閃電產(chǎn)生的電磁輻射(Inan et al．，1996；Cao et al．，2005；Wei et al．，2007；Yang et al．，2008；Parrot et al．，2009；Zeren et al．，2013，2014)．

4結(jié)論與討論

本文利用DEMETER衛(wèi)星觀測的NWC發(fā)射站VLF頻段電場功率譜密度數(shù)據(jù)，對VLF電磁波的空間傳播特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析．研究結(jié)果概括如下：

(1) VLF電場在南半球的工作站上空及其磁共軛區(qū)有著很強的對應(yīng)關(guān)系，存在南、北2個強電場中心渦．南半球VLF電場中心渦場強較大且呈近似圓環(huán)分布，向南輻射的范圍逐漸增大．磁共軛區(qū)VLF電場中心渦覆蓋范圍從北緯20°延伸到北緯40°．電場場強從低緯度到高緯度逐漸增大，在北緯20°—40°范圍內(nèi)場強到達(dá)最大值，而在北緯50°附近電場沿磁殼指數(shù)L線分布．

(2) 日側(cè)和夜側(cè)VLF電場中心點地磁坐標(biāo)相對地面發(fā)射站NWC的地磁坐標(biāo)都發(fā)生了偏移．日側(cè)地磁經(jīng)度偏移均值大于夜側(cè)地磁經(jīng)度偏移均值，而地磁緯度偏移均值則小于夜側(cè)，這與日側(cè)軌道比夜側(cè)軌道所受太陽輻射的影響大有關(guān)，而地磁緯度偏移則是由于VLF電磁波群速度的方向所致．

(3) 日側(cè)，每年VLF電場都存在一個峰值，其出現(xiàn)的月份集中在6、7、8月，并呈現(xiàn)出周期性的年變化．夜側(cè)場強均值比日側(cè)的大1.89 μV2·m-2·Hz-1，這可能與夜側(cè)電離層受太陽輻射較少而減少電離層吸收電磁波的能量有關(guān)．

(4) 利用指數(shù)函數(shù)來擬合VLF電場場強衰減特性，2005—2010年衰減常數(shù)b保持在一個平穩(wěn)變化的過程中，VLF電場衰減速率基本穩(wěn)定．

本文在分析研究時只考慮了NWC發(fā)射站的VLF頻段數(shù)據(jù)，接下來將考慮多個站點的VLF頻段數(shù)據(jù)來進(jìn)行對比研究，同時對VLF電場強度衰減進(jìn)行定量的分析，為進(jìn)一步了解VLF電磁波在空間的傳播特征奠定基礎(chǔ)．

致謝感謝法國DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)，感謝審稿專家和編輯部對此研究工作提出的修改建議．

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(本文編輯胡素芳)

Statistical analysis of the propagation characteristics of VLF electromagnetic waves excited by the artificial transmitter

XU Wei-Dong1, ZHANG Xue-Min2*, LI Zhong1, ZHAO Shu-Fan2, ZHANG Wei1

1InstituteofDisasterPrevention,SanheHebei065201,China2InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China

AbstractBased on the data collection in VLF electric field power spectral density (PSD) recorded by DEMETER satellite during January 2005 to November 2011, the spatial distribution and attenuation features in electric field at topside ionosphere excited by NWC transmitter has been analyzed by using exponential fitting method.It is found that: (1) The VLF electric field exhibits strong relations in the ionosphere over the transmitter and its magnetic conjugate area, presenting two electric field vortex centers at southern and northern hemisphere respectively; (2) The longitude and latitude of VLF electric field center in ionosphere has an offset to the actual location of the transmitter, in which the averaged longitudinal deviationat dayside is greater than that at nightside, while the latitudinal deviation at dayside is less than that at nightside; (3) The annual periodis revealed in dayside VLF electric field intensity variations; (4) Within 10°scale around the VLF electric field center, the electric field intensity decreases quickly with the increase of distance, and the averaged fitted coefficient b values is steady in six years. The preliminary results in the space distribution characteristics at satellite altitude excited by the artificial VLF transmitter will provide basic technical support for the electromagnetic wave propagation mechanism from ground into the ionosphere.

KeywordsVLF electric power spectral; VLF radio wave propagation; DEMETER satellite; Ionosphere; Exponential fitting

基金項目科技部國際科技合作項目(2014DFR21280)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費研究生科技創(chuàng)新基金(ZY20150309)聯(lián)合資助．

作者簡介徐維東，男，1981年生，碩士研究生，主要從事地震電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析研究.E-mail：x_weidong@163.com *通訊作者張學(xué)民，女，1969年生，中國地震局地震預(yù)測研究所研究員，主要從事地震電磁衛(wèi)星研究.E-mail：zhangxm96@126.com

doi:10.6038/cjg20160503 中圖分類號P352

收稿日期2015-05-22，2015-12-15收修定稿

徐維東， 張學(xué)民， 李忠等. 2016. 基于人工源的甚低頻電磁波空間傳播特征統(tǒng)計分析.地球物理學(xué)報，59(5):1578-1584,doi:10.6038/cjg20160503.

Xu W D, Zhang X M, Li Z, et al. 2016. Statistical analysis of the propagation characteristics of VLF electromagnetic waves excited by the artificial transmitter.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(5):1578-1584,doi:10.6038/cjg20160503.