地震短波傳播及頻率

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1短波通信

短波通信是指利用波長為100m～10m(頻率3MHz～30MHz)的電磁波進(jìn)行的無線電通信。實際上,在許多無線通信技術(shù)人員心目中,也把中波的高端(1.5MHz～3MHz)歸到短波段中去,所以現(xiàn)有的許多通信設(shè)備,其波段范圍往往擴(kuò)展到1.5MHz～30MHz。短波通信之所以能廣泛地用于傳送信息,最基本的原因是除在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時僅需不大的發(fā)射功率和不多的設(shè)備外,而且它有不易摧毀的“中繼系統(tǒng)”——電離層。遼寧省的地震監(jiān)測預(yù)報及地震科研工作,是以分布在省內(nèi)各地震觀測臺站提供觀測數(shù)據(jù)和地震信息資料為基礎(chǔ)的,而將地震觀測臺站這些離散、種類繁多的地震信息及時可靠地傳遞到省乃至國家地震分析預(yù)報部門,供地震專家們分析判斷和進(jìn)行地震科學(xué)領(lǐng)域的研究,則是至關(guān)重要環(huán)節(jié)。遼寧省地震信息傳遞的通信網(wǎng)信道選擇了短波信道,也是基于短波通信與其它無線通信相比具有設(shè)備簡單、建網(wǎng)成本低廉等優(yōu)點,很適于地震臺站臺位分散且多分布在偏遠(yuǎn)山區(qū)的特點。遼寧省區(qū)域地震通信網(wǎng)分布見圖1。人們在建設(shè)短波通信網(wǎng)時期,往往忽略網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信主臺與子臺之間電波傳播特性與最佳可用頻率選擇的研究、計算,而僅滿足于實際的可通性。遼寧省區(qū)域地震通信網(wǎng)的建設(shè)也是在時間緊、任務(wù)重、經(jīng)費有限情況下匆匆上馬的,因此,在沒有來得及仔細(xì)計算研究網(wǎng)絡(luò)短波傳播特性和頻率選擇情況下,以拉距試驗及實際聯(lián)系溝通為依據(jù),進(jìn)行省內(nèi)各子臺建設(shè),給以后通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行造成了后患。主要有兩方面的問題,一是對發(fā)起通信方來說,對電磁波傳播特性很不了解,或若明若暗,不知如何取舍電波傳播方式而選用頻率,導(dǎo)致通信失敗;二是在頻率選擇上,由于沒有預(yù)測、計算,常常是固定使用一個頻率,使在季節(jié)變化、磁暴等電離層變化了的時候,不知如何更換選擇頻率為好,而導(dǎo)致通信失敗。鑒于這種情況,在短波通信線路確定以后,如何選用合適的頻率,以確保短波數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量,顯得尤為重要。

2遼寧區(qū)域地震短波通信網(wǎng)傳播方式

遼寧區(qū)域地震短波通信網(wǎng)是限定在1.5MHz～30MHz的頻率范圍的,它的傳播方式可以有兩種,即靠地波和電離層反射(天波)來傳播。這兩種傳播方式具有各自的頻率范圍和傳播距離,當(dāng)采用合適的通信設(shè)備時,都可以獲得滿意的信息傳輸。

2.1地波傳播方式

一般說來,利用地波傳播方式的頻率范圍大致在1.5MHz～5MHz范圍內(nèi)。為了適應(yīng)地波傳播,通常都采用各種型式的輻射垂直極化波的垂直天線。地波的衰減隨著頻率的增高而增大(見圖2)。資料表明[1],地波傳播時,即使用1000W功率的發(fā)射機(jī),陸地上的傳播距離也僅為100km左右,所以這種傳播方式不宜用作遠(yuǎn)距離通信。此外,傳播距離在很大程度上還和傳播路徑上媒介的電性參數(shù)密切相關(guān)。由此可見,遼寧區(qū)域地震短波通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi),中心臺與圖1中所列的沈陽、遼陽、鞍山、本溪、撫順子臺通信,基本上是靠地波傳播來完成的,而盤錦、營口、阜新子臺也可能部份的地波傳播方式。通信網(wǎng)幾年來的運(yùn)行實踐也證明,這種傳播方式受傳播路徑上的介質(zhì)電性參數(shù)變化影響較大。在與上述幾個子臺通信時我們體會到,在路徑上出現(xiàn)陰雨天氣,空氣濕度較大,或者連續(xù)降雨過后地面潮濕,通信效果都不太好,而相對比較起來,傳播路徑上平坦地形比山區(qū)要好。同時,在地波傳播通信時,在選擇頻率上的經(jīng)驗是應(yīng)盡量向低端靠近,目的也是使發(fā)射場強(qiáng)在傳播中的衰減損耗小些,使到達(dá)接收點的場強(qiáng)盡量提高。

2.2天波傳播方式

對于短波路徑來講,天波傳播較地波傳播具有更重要的意義。這不僅僅是因為天波傳播可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信,可以不受地形、地物、電性參數(shù)影響,而且也可以在地波傳播宣告無效情況下建立無線電通信。這是由于天波傳播方式是依靠不易摧毀的“中繼系統(tǒng)”——電離層反射無線電波來完成通信的。遼寧區(qū)域地震通信網(wǎng)絡(luò)中,中心臺與大部份子臺的通信都是由天波傳播方式來完成的。因此,研究清楚天波傳播依賴的電離層以及其變化規(guī)律特點,對從事短波無線通信人員來說是十分必要的。

2.3電離層及其劃分與特點

環(huán)繞地球的大氣層,在太陽輻射的紫外線作用下發(fā)生電離,形成電離層。正是由于電離層的存在,使得一定頻率范圍的電磁波(短波)射線遇到它時可以產(chǎn)生反射,從而加長了電磁波的傳播距離,遠(yuǎn)距離通信才成為可能。對電離層的研究表明[2],大氣層的電離在大氣層上緣至距地球60km左右處發(fā)生,一般以電離的電子密度來描述電離程度。而電離作用在白天至少有四個最大值,因此,一般將電離層劃分為四層,分別稱為D層、E層、F1層和F2層。如圖3所示。D層是最低層,出現(xiàn)在地球上空60km～90km的高度處,最大電子密度發(fā)生在80km處。D層出現(xiàn)在太陽升起時,而消失在太陽降落后,所以在夜間不再對短波通信產(chǎn)生影響。D層的電離密度不足以反射短波,所以短波以天波傳播時,將穿過D層,不過穿過D層時,電波將遭受嚴(yán)重的衰減,頻率越低,衰減越大,而且在D層的衰減量遠(yuǎn)大于E、F層,所以也稱D層為吸收層。據(jù)最近研究表明[3],D層在白天有可能反射頻率為2MHz～5MHz的短波。E層出現(xiàn)在地球上空100km～120km的高度處。最大電子密度在110km處。在白天認(rèn)為基本不變,在通信線路設(shè)計和計算時,通常就以110km作為E層高度。和D層一樣,E層出現(xiàn)在太陽升起時,而且在中午電離達(dá)最大值,爾后就逐漸瓦解。在太陽降落后,E層實際上對電波傳播已不起任何作用。在電離開始后,E層可以反射高于1.5MHz頻率的電波。值得指出的是在E層存在稱為Es層的偶發(fā)E層,它是偶而發(fā)生在地球上空120km高度處。Es層雖然是偶而存在,但是由于它具有很高的電子密度,甚至允許高于短波波段的頻率反射回來,因而目前在短波通信中,許多人都希望能選用它來作為反射層。當(dāng)然選用Es層,它也有可能使通信中斷。F層對短波通信來講是最重要的,在一般情況下,遠(yuǎn)距離短波通信都選用F層作反射層。這是由于和其它導(dǎo)電層相比它具有最高的高度,因而可以允許傳播最遠(yuǎn)的距離。所以習(xí)慣上也稱F層為反射層,一般把它分為F1和F2兩層。出了在非騷動條件下,電離層各層的高度和電子密度的典型值。在白天電離層包含有D、E、F1和F2層。而在夜間,只存在F2層。也就是說在白天F層有兩層,F1層位于地球上空170km～220km高度處,F2層位于地球上空225km～450km高度處。它們的高度在不同季節(jié)和一天內(nèi)不同的時刻是不同的。對F2層來講,其高度在冬季的白天最低,而夏季的白天最高。F2層和其它層不同,日落以后并沒有完全消失,仍保持有剩余的電離。其原因可能是在夜間由于F2層的低電子密度,復(fù)合的速度減慢,以及粒子輻射仍然存在。夜間剩余電離的存在,雖然此時F2層的電子密度較白天降低了一個數(shù)量級,但已經(jīng)足以反射短波波段某一頻段的電波。當(dāng)然夜間能反射的頻率將遠(yuǎn)低于白天。由此可以粗略看出,若要保持晝夜短波通信,則工作頻率晝夜必須更換,而且一般情況下夜間工作頻率遠(yuǎn)低于白天頻率。這是因為高的頻率,只能在高電離密度的導(dǎo)電層反射,而穿過低電離密度的導(dǎo)電層。所以若晝夜不改變工作頻率,例如夜間仍用白天的頻率,其結(jié)果是使電波穿出電離層,通信中斷。

3遼寧區(qū)域地震短波通信工作頻率選擇

從前面的分析可以看出,遼寧區(qū)域地震短波通信網(wǎng)無論是地波或是天波傳播方式,都是與工作頻率相聯(lián)系的,從這個意義上講,工作頻率的選擇是短波通信能否成功的生命線。在實際工作中,為了獲得頻率預(yù)測與選擇,常常把條件理想化,即假設(shè)地面和電離層都是理想的平面,來進(jìn)行各種參數(shù)的計算。

3.1最高可用頻率的確定

最高可用頻率Fm(MaximumUsableFrequency),是指在實際通信中,能被電離層反射回地面的電波的最高頻率。若選用的最高頻率超過它,則電波穿出電離層,不能返回地面(如圖5所示),所以,確定通信網(wǎng)的Fm,是必須首先進(jìn)行的。在遠(yuǎn)距離的通信中,電波都是斜射至電離層,若令Fv為臨界投設(shè)頻率,則在已知通信距離和反射點高度。

3.2最佳工作頻率選擇

通過電離層的無線電波頻率越高,能量吸收損失越小。所以在所給瞬間從能量損失最小的觀點(在接收點電場強(qiáng)度最大)來看,能被電離層反射回地面來的最高頻率就是最有利頻率。Fm是電波能返回地面和穿出電離層的臨界值,當(dāng)選用的Fm高于實際的Fm時,電波就穿出電離層,不再返回地面,通信將被破壞,考慮到電離層的結(jié)構(gòu)隨時間的變化和保證獲得長期穩(wěn)定的接收,在確定線路的工作頻率時,不是取預(yù)報的Fm值,而是選擇適當(dāng)?shù)念l率,使它至少低于最高可用頻率的10～20%。這個頻率通常稱為最佳工作頻率Fo(frequenceOptimaledetrafic)Fo=0.85Fm(2)選用Fo后能保證通信時間90%的溝通率,但付出的代價也是很大的,由于工作頻率較Fm下降了15%,接收點的場強(qiáng)較工作在Fm時,損失了10～20dB。但從保證溝通率的觀點,這種最佳工作頻率選擇是必要的。綜合遼寧區(qū)域地震短波通信網(wǎng)最高工作頻率預(yù)測計算結(jié)果和最佳工作頻率選擇原則,筆者建議由圖7所示FD線段選擇網(wǎng)絡(luò)工作頻率是合理可行的。

4幾點結(jié)論

通過上述分析探討,我們不難得出以下結(jié)論:(1)Fm是指給定遼寧區(qū)域地震短波通信網(wǎng)絡(luò)中通信距離下的最高可用頻率,若通信距離改變了,顯然計算所得將發(fā)生變化。而且Fm和反射層的電離電子密度有關(guān),所以,凡影響電離電子密度的諸因素都將影響Fm的數(shù)值;(2)當(dāng)通信電波傳播選擇Fm為工作頻率時,由于只有一條傳播路徑,所以,在一般情況下,可以獲得較佳的接收可能性;(3)Fm是電波能返回地面和穿出電離層的臨界值,考慮到電離層的結(jié)構(gòu)隨時間、季節(jié)、太陽黑子活動變化,在確定網(wǎng)絡(luò)工作頻率時,不應(yīng)以預(yù)報計算的Fm值為唯一選擇依據(jù),而是應(yīng)考慮選擇Fo;(4)實際工作中,在中心臺與某一子臺通信時不需要頻繁地改變工作頻率,白天選用1個較高的頻率,夜間選用1～2個較低頻率就可以保證溝通。