一階海雜波電離層多普勒頻移和展寬

李 寧，趙正予

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047； 2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

0 引言

高頻電波傾斜投射到電離層時，經(jīng)電離層反射到達遠方地球表面，因地球表面的不平坦和電氣不均勻特性而產(chǎn)生散射作用，使得一部分電波能量沿著原路徑返回而被接收到，這種無線電波傳播過程稱為天波后向散射傳播[1]。

天波超視距雷達利用天波后向散射傳播機制來實現(xiàn)空中和海面目標的遠程超視距探測，單跳最大探測距離超過3 500 km，受2次電離層傳輸?shù)挠绊?，其回波信號會產(chǎn)生多普勒頻移和展寬，嚴重影響海面艦船目標的探測性能[2-4]。一方面，電離層多普勒頻移會影響目標速度的估計精度，還會進一步影響目標跟蹤性能；另一方面，天波超視距雷達信號經(jīng)過2次電離層傳輸之后會使海雜波展寬，嚴重的時候會導(dǎo)致目標回波信號淹沒在海雜波當中，無法被檢測出來。因此，研究電離層多普勒頻移和展寬的變化規(guī)律對提升天波超視距雷達海面目標的檢測和跟蹤能力具有重要意義。

電離層斜向返回探測設(shè)備利用天波后向散射傳播機制來實現(xiàn)對遠距離、大范圍的電離層狀態(tài)進行實時監(jiān)測，是天波超視距雷達頻率管理系統(tǒng)的重要組成部分[5-6]。從電離層斜向返回探測地面散射回波的功率譜中可以提取電離層多普勒頻移和展寬，并且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電離層物理方面的研究工作[7-15]。本文從電離層斜向返回探測海面散射回波的功率譜中提取出電離層多普勒頻移和展寬，并分別對寧靜地磁條件和磁暴期間F層和Es層數(shù)據(jù)做了對比分析，從而得到了不同電離層傳播模式下以及磁暴發(fā)生期間天波超視距雷達一階海雜波電離層多普勒頻移和展寬的變化規(guī)律。

1 一階海雜波的電離層多普勒頻移和展寬

電波通過電離層傳播時，由于傳播路徑或路徑介質(zhì)性質(zhì)的變化，會出現(xiàn)電波頻率的漂移，這一現(xiàn)象稱為電離層的多普勒效應(yīng)，多普勒頻移的表達式為[16]：

式中，f為電波頻率；c為真空中光速；P為電波相路徑；μ為折射指數(shù)；α為電波射線方向與波矢量方向之間的夾角，在忽略地磁場的情況下，α=0；s為電波傳播路徑。在忽略地磁場和粒子碰撞的情況下，折射指數(shù)的表達式為：

式中，N為電離層電子濃度。因此，當電離層電子濃度增加時，折射指數(shù)和相路徑都減小，電離層多普勒頻移fd>0；當電離層電子濃度減小時，折射指數(shù)和相路徑都增加，電離層多普勒頻移fd<0。

當高頻電波通過電離層反射到達海面時，由特定波長的海浪與高頻電波產(chǎn)生諧振而形成的一階海雜波是一對布拉格峰[17-24]。關(guān)于零多普勒對稱的2個布拉格峰在洋流和電離層的共同作用下會產(chǎn)生附加的多普勒頻移，表層海流徑向速度引起的多普勒頻移與電離層多普勒頻移相比可忽略不計。因此，電離層多普勒頻移的近似計算公式為:

式中，fd為電離層多普勒頻移；f1和f2為2個布拉格峰的頻率。電離層多普勒展寬Δf通過讀取單個布拉格峰的3 dB帶寬得到。

電離層斜向返回探測海雜波功率譜如圖1所示。通過電離層斜向返回探測來獲取電離層多普勒頻移和展寬數(shù)據(jù)，從群距離2 500 km處的F層回波中提取電離層多普勒頻移和展寬作為F層傳播的研究數(shù)據(jù)，從群距離1 200 km處的Es層回波中提取電離層多普勒頻移和展寬作為Es層傳播的研究數(shù)據(jù)，探測頻率都是20.6 MHz。

圖1 電離層斜向返回探測海雜波功率譜

2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1 寧靜地磁條件

2015年10月28-30日Kp指數(shù)和Dst指數(shù)的變化情況如圖2所示。Kp≤3，-17nT≤Dst≤18nT，屬于寧靜地磁條件(Kp指數(shù)數(shù)據(jù)來自GFZ German Research Centre for Geosciences；Dst指數(shù)數(shù)據(jù)來自World Data Center for Geomagnetism，Kyoto)。2015年10月29日08：28LT-18：20LT期間F層多普勒頻移和展寬的變化情況如圖3所示。從圖3可以看出，在08：28LT-10：12LT期間，太陽遠紫外和X射線輻射增強，電離層電子濃度增加，F(xiàn)層多普勒頻移大于零；在10：12LT-11：22LT期間，電離層電子濃度下降，F(xiàn)層多普勒頻移由0.31 Hz下降到-0.43 Hz；在11：47LT-14：20LT期間，電離層電子濃度變化趨于平穩(wěn)，F(xiàn)層多普勒頻移接近為零；14：20LT之后，電離層電子濃度下降，F(xiàn)層多普勒頻移小于零；日落時分，電離層電子濃度下降迅速，在16：40LT-18：20LT期間，F(xiàn)層多普勒頻移由-0.06 Hz快速下降至-1.03 Hz，多普勒展寬由0.4 Hz快速增加至1.11 Hz。

圖2 2015年10月28-30日Kp指數(shù)和Dst指數(shù)

圖3 2015年10月29日F層多普勒頻移和展寬

2015年7月15-17日Kp指數(shù)和Dst指數(shù)的變化情況如圖4所示。Kp≤3，-23nT≤Dst≤-1nT，屬于寧靜地磁條件。2015年7月16日09：21LT-18：27LT期間Es層多普勒頻移和展寬的變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，Es層多普勒頻移不具有像F層那樣的日變化特性(上午為正，中午為零，下午為負)；日落時分，Es層多普勒頻移和展寬沒有出現(xiàn)劇烈變化。

圖4 2015年7月15-17日期間Kp指數(shù)和Dst指數(shù)

圖5 2015年7月16日Es層多普勒頻移和展寬

寧靜地磁條件下F層和Es層多普勒頻移的對比數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出，F(xiàn)層多普勒頻移絕對值的平均值是Es層的2.07倍，F(xiàn)層多普勒頻移絕對值的最大值是Es層的3.68倍，F(xiàn)層多普勒頻移的方差是Es層的21.57倍。

表1 寧靜地磁條件下F層和Es層多普勒頻移的對比數(shù)據(jù)

寧靜地磁條件下F層和Es層多普勒展寬的對比數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以看出，F(xiàn)層多普勒展寬的平均值是Es層的1.11倍，F(xiàn)層多普勒展寬的最大值是Es層的1.5倍，F(xiàn)層多普勒展寬的方差是Es層的3倍。

表2 寧靜地磁條件下F層和Es層多普勒展寬的對比數(shù)據(jù)

表1和表2數(shù)據(jù)表明，在寧靜地磁條件下，F(xiàn)層電子濃度的變化速度大于Es層，因此電離層斜向返回探測信號經(jīng)過F層傳播產(chǎn)生的多普勒頻移絕對值和多普勒展寬均大于Es層，F(xiàn)層多普勒頻移和展寬也遠不如Es層穩(wěn)定。

2.2 磁暴的影響

2.2.1 磁暴對F層多普勒頻移和展寬的影響

2015年10月7日，受重現(xiàn)性冕洞高速流影響，太陽風(fēng)速度最高達到845 km/s，引發(fā)了此次強磁暴。10月6-8日Kp指數(shù)和Dst指數(shù)的變化情況如圖6所示，Kp指數(shù)在10月7日11：00LT上升至6，在10月8日02：00LT達到最大值7；Dst指數(shù)在10月7日11：00LT開始下降，18：00LT下降至-93nT之后開始上升，22：00LT上升至-38nT之后又開始下降，10月8日07：00LT下降至最小值-124nT之后，逐漸恢復(fù)至正常水平。

圖6 2015年10月6-8日Kp指數(shù)和Dst指數(shù)

2015年10月6日09：07LT-17：17LT期間F層多普勒頻移和展寬的變化情況如圖7(a)所示；10月7日08：47LT-18：36LT期間F層多普勒頻移和展寬的變化情況如圖7(b)所示。從圖7可以看出，10月6日，F(xiàn)層多普勒頻移在-0.36～0.39 Hz間緩慢變化；10月7日，在08：47LT-15：20LT期間，F(xiàn)層多普勒頻移由0.24 Hz緩慢變化至-0.21 Hz，在15：20LT-17：40LT期間，發(fā)生了劇烈變化，先從-0.21 Hz快速下降至-1.63 Hz，然后快速上升至0.46 Hz。

圖7 2015年10月6日和7日F層多普勒頻移和展寬

2015年10月6日和7日F層多普勒頻移的對比數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出，10月7日F層多普勒頻移絕對值的平均值是10月6日的1.82倍，10月7日F層多普勒頻移絕對值的最大值是10月6日的4.18倍，10月7日F層多普勒頻移的方差是10月6日的4.86倍。

表3 2015年10月6日和7日F層多普勒頻移的對比數(shù)據(jù)

多普勒頻移10月6日10月7日絕對值的平均值/Hz0.220.40絕對值的最大值/Hz0.391.63方差0.070.34

2015年10月6日和7日F層多普勒展寬的對比數(shù)據(jù)如表4所示。從表4可以看出，10月7日F層多普勒展寬的平均值是10月6日的1.18倍，10月7日F層多普勒展寬的最大值是10月6日的1.1倍，10月7日F層多普勒展寬的方差是10月6日的1.25倍。

表4 2015年10月6日和7日F層多普勒展寬的對比數(shù)據(jù)

多普勒展寬10月6日10月7日平均值/Hz0.3800.450最大值/Hz0.4900.540方差0.0040.005

表3和表4數(shù)據(jù)表明，磁暴發(fā)生后F層電子濃度發(fā)生了劇烈變化，造成電離層斜向返回探測信號經(jīng)過F層傳播產(chǎn)生的多普勒頻移絕對值顯著增加，多普勒展寬略有增加，并且還造成多普勒頻移和展寬的不穩(wěn)定度增加。

2.2.2 磁暴對Es層多普勒頻移和展寬的影響

2015年6月21-22日，太陽活動區(qū)連續(xù)爆發(fā)了多個M級耀斑，并伴隨全暈日冕物質(zhì)拋射(CME)，來自CME的高速太陽風(fēng)碰撞地球磁場，CME尾部磁場與地球磁場發(fā)生強烈的耦合，引發(fā)了此次超強磁暴。6月21-30日Kp指數(shù)和Dst指數(shù)的變化情況如圖8所示，Kp指數(shù)在6月22日20：00LT上升至5，在23日02：00LT達到最大值8，26日之后逐漸恢復(fù)正常；Dst指數(shù)在6月22日03：00LT開始下降，在23日18：00LT下降至最小值-203 nT，26日之后逐漸恢復(fù)正常。

圖8 2015年6月21-30日期間Kp指數(shù)和Dst指數(shù)

6月22-30日的Es層多普勒頻移和展寬變化情況如圖9所示，其中25日和26日2天未開展電離層斜向返回探測。從圖9可以看出，在22-24日期間，磁暴造成Es層擾動劇烈，進而導(dǎo)致Es層多普勒頻移絕對值和多普勒展寬都偏大，多普勒頻移絕對值最大達到0.81 Hz，多普勒展寬最大達到0.85 Hz；27-30日，地磁恢復(fù)寧靜狀態(tài)，多普勒頻移絕對值下降到0.28 Hz以下，多普勒展寬也不超過0.56 Hz。

圖9 2015年6月22-30日期間Es層多普勒頻移和展寬

2015年6月22-24日、27-30日Es層多普勒頻移的對比數(shù)據(jù)如表5所示。從表5可以看出，6月22-24日期間Es層多普勒頻移絕對值的平均值是6月27-30日期間的3.46倍，6月22-24日期間Es層多普勒頻移絕對值的最大值是6月27-30日期間的2.89倍，6月22-24日期間Es層多普勒頻移的方差是6月27-30日期間的5倍。

表5 2015年6月22-24日、27-30日Es層多普勒頻移的對比數(shù)據(jù)

2015年6月22-24日、27-30日Es層多普勒展寬的對比數(shù)據(jù)如表6所示。從表6可以看出，6月22-24日期間Es層多普勒展寬的平均值是6月27-30日期間的1.16倍，6月22-24日期間Es層多普勒展寬的最大值是6月27-30日期間的1.52倍，6月22-24日期間Es層多普勒展寬的方差是6月27-30日期間的5倍。

表6 2015年6月22-24日、27-30日Es層多普勒展寬的對比數(shù)據(jù)

表5和表6數(shù)據(jù)表明，磁暴發(fā)生后Es層電子濃度發(fā)生了劇烈變化，造成電離層斜向返回探測信號經(jīng)過Es層傳播產(chǎn)生的多普勒頻移絕對值顯著增加，多普勒展寬略有增加，同時還造成多普勒頻移和展寬的不穩(wěn)定度顯著增加。

3 結(jié)束語

對寧靜地磁條件下和磁暴發(fā)生期間的電離層斜向返回探測數(shù)據(jù)分析之后，可以得出天波超視距雷達一階海雜波的電離層多普勒頻移和展寬具有以下特點：① 寧靜地磁條件下，F(xiàn)層多普勒頻移大致呈現(xiàn)出上午大于零、中午接近為零和下午小于零的特點，而Es層多普勒頻移不具有這樣的特點；② 寧靜地磁條件下，F(xiàn)層多普勒頻移絕對值和多普勒展寬在日落時分會迅速增加，而Es層多普勒頻移絕對值和多普勒展寬在日落時分沒有明顯變化；③ 寧靜地磁條件下，F(xiàn)層多普勒頻移絕對值和多普勒展寬均比Es層大，并且Es層多普勒頻移和展寬也遠比F層穩(wěn)定；④ 磁暴發(fā)生期間，F(xiàn)層多普勒頻移絕對值及其不穩(wěn)定度都顯著增加，多普勒展寬及其不穩(wěn)定度都略有增加；⑤ 磁暴發(fā)生期間，Es層多普勒頻移絕對值顯著增加，多普勒展寬略有增加，同時還造成多普勒頻移和展寬的不穩(wěn)定度顯著增加。

綜合以上特點，寧靜地磁條件下，Es層傳播比F層傳播更有利于天波超視距雷達對海面艦船目標進行檢測和跟蹤；磁暴發(fā)生期間，天波超視距雷達對海面艦船目標的檢測和跟蹤能力會有所下降。