地震短波传播及频率
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1短波通信
短波通信是指利用波长为100m～10m(频率3MHz～30MHz)的电磁波进行的无线电通信。实际上,在许多无线通信技术人员心目中,也把中波的高端(1.5MHz～3MHz)归到短波段中去,所以现有的许多通信设备,其波段范围往往扩展到1.5MHz～30MHz。短波通信之所以能广泛地用于传送信息,最基本的原因是除在进行远距离通信时仅需不大的发射功率和不多的设备外,而且它有不易摧毁的“中继系统”——电离层。辽宁省的地震监测预报及地震科研工作,是以分布在省内各地震观测台站提供观测数据和地震信息资料为基础的,而将地震观测台站这些离散、种类繁多的地震信息及时可靠地传递到省乃至国家地震分析预报部门,供地震专家们分析判断和进行地震科学领域的研究,则是至关重要环节。辽宁省地震信息传递的通信网信道选择了短波信道,也是基于短波通信与其它无线通信相比具有设备简单、建网成本低廉等优点,很适于地震台站台位分散且多分布在偏远山区的特点。辽宁省区域地震通信网分布见图1。人们在建设短波通信网时期,往往忽略网络内通信主台与子台之间电波传播特性与最佳可用频率选择的研究、计算,而仅满足于实际的可通性。辽宁省区域地震通信网的建设也是在时间紧、任务重、经费有限情况下匆匆上马的,因此,在没有来得及仔细计算研究网络短波传播特性和频率选择情况下,以拉距试验及实际联系沟通为依据,进行省内各子台建设,给以后通信网络的运行造成了后患。主要有两方面的问题,一是对发起通信方来说,对电磁波传播特性很不了解,或若明若暗,不知如何取舍电波传播方式而选用频率,导致通信失败;二是在频率选择上,由于没有预测、计算,常常是固定使用一个频率,使在季节变化、磁暴等电离层变化了的时候,不知如何更换选择频率为好,而导致通信失败。鉴于这种情况,在短波通信线路确定以后,如何选用合适的频率,以确保短波数据通信的质量,显得尤为重要。
2辽宁区域地震短波通信网传播方式
辽宁区域地震短波通信网是限定在1.5MHz～30MHz的频率范围的,它的传播方式可以有两种,即靠地波和电离层反射(天波)来传播。这两种传播方式具有各自的频率范围和传播距离,当采用合适的通信设备时,都可以获得满意的信息传输。
2.1地波传播方式
一般说来,利用地波传播方式的频率范围大致在1.5MHz～5MHz范围内。为了适应地波传播,通常都采用各种型式的辐射垂直极化波的垂直天线。地波的衰减随着频率的增高而增大(见图2)。资料表明[1],地波传播时,即使用1000W功率的发射机,陆地上的传播距离也仅为100km左右,所以这种传播方式不宜用作远距离通信。此外,传播距离在很大程度上还和传播路径上媒介的电性参数密切相关。由此可见,辽宁区域地震短波通信网络内,中心台与图1中所列的沈阳、辽阳、鞍山、本溪、抚顺子台通信,基本上是靠地波传播来完成的,而盘锦、营口、阜新子台也可能部份的地波传播方式。通信网几年来的运行实践也证明,这种传播方式受传播路径上的介质电性参数变化影响较大。在与上述几个子台通信时我们体会到,在路径上出现阴雨天气,空气湿度较大,或者连续降雨过后地面潮湿,通信效果都不太好,而相对比较起来,传播路径上平坦地形比山区要好。同时,在地波传播通信时,在选择频率上的经验是应尽量向低端靠近,目的也是使发射场强在传播中的衰减损耗小些,使到达接收点的场强尽量提高。
2.2天波传播方式
对于短波路径来讲,天波传播较地波传播具有更重要的意义。这不仅仅是因为天波传播可以进行远距离通信,可以不受地形、地物、电性参数影响,而且也可以在地波传播宣告无效情况下建立无线电通信。这是由于天波传播方式是依靠不易摧毁的“中继系统”——电离层反射无线电波来完成通信的。辽宁区域地震通信网络中,中心台与大部份子台的通信都是由天波传播方式来完成的。因此,研究清楚天波传播依赖的电离层以及其变化规律特点,对从事短波无线通信人员来说是十分必要的。
2.3电离层及其划分与特点
环绕地球的大气层,在太阳辐射的紫外线作用下发生电离,形成电离层。正是由于电离层的存在,使得一定频率范围的电磁波(短波)射线遇到它时可以产生反射,从而加长了电磁波的传播距离,远距离通信才成为可能。对电离层的研究表明[2],大气层的电离在大气层上缘至距地球60km左右处发生,一般以电离的电子密度来描述电离程度。而电离作用在白天至少有四个最大值,因此,一般将电离层划分为四层,分别称为D层、E层、F1层和F2层。如图3所示。D层是最低层,出现在地球上空60km～90km的高度处,最大电子密度发生在80km处。D层出现在太阳升起时,而消失在太阳降落后,所以在夜间不再对短波通信产生影响。D层的电离密度不足以反射短波,所以短波以天波传播时,将穿过D层,不过穿过D层时,电波将遭受严重的衰减,频率越低,衰减越大,而且在D层的衰减量远大于E、F层,所以也称D层为吸收层。据最近研究表明[3],D层在白天有可能反射频率为2MHz～5MHz的短波。E层出现在地球上空100km～120km的高度处。最大电子密度在110km处。在白天认为基本不变,在通信线路设计和计算时,通常就以110km作为E层高度。和D层一样,E层出现在太阳升起时,而且在中午电离达最大值,尔后就逐渐瓦解。在太阳降落后,E层实际上对电波传播已不起任何作用。在电离开始后,E层可以反射高于1.5MHz频率的电波。值得指出的是在E层存在称为Es层的偶发E层,它是偶而发生在地球上空120km高度处。Es层虽然是偶而存在,但是由于它具有很高的电子密度,甚至允许高于短波波段的频率反射回来,因而目前在短波通信中,许多人都希望能选用它来作为反射层。当然选用Es层,它也有可能使通信中断。F层对短波通信来讲是最重要的,在一般情况下,远距离短波通信都选用F层作反射层。这是由于和其它导电层相比它具有最高的高度,因而可以允许传播最远的距离。所以习惯上也称F层为反射层,一般把它分为F1和F2两层。出了在非骚动条件下,电离层各层的高度和电子密度的典型值。在白天电离层包含有D、E、F1和F2层。而在夜间,只存在F2层。也就是说在白天F层有两层,F1层位于地球上空170km～220km高度处,F2层位于地球上空225km～450km高度处。它们的高度在不同季节和一天内不同的时刻是不同的。对F2层来讲,其高度在冬季的白天最低,而夏季的白天最高。F2层和其它层不同,日落以后并没有完全消失,仍保持有剩余的电离。其原因可能是在夜间由于F2层的低电子密度,复合的速度减慢,以及粒子辐射仍然存在。夜间剩余电离的存在,虽然此时F2层的电子密度较白天降低了一个数量级,但已经足以反射短波波段某一频段的电波。当然夜间能反射的频率将远低于白天。由此可以粗略看出,若要保持昼夜短波通信,则工作频率昼夜必须更换,而且一般情况下夜间工作频率远低于白天频率。这是因为高的频率,只能在高电离密度的导电层反射,而穿过低电离密度的导电层。所以若昼夜不改变工作频率,例如夜间仍用白天的频率,其结果是使电波穿出电离层,通信中断。
3辽宁区域地震短波通信工作频率选择
从前面的分析可以看出,辽宁区域地震短波通信网无论是地波或是天波传播方式,都是与工作频率相联系的,从这个意义上讲,工作频率的选择是短波通信能否成功的生命线。在实际工作中,为了获得频率预测与选择,常常把条件理想化,即假设地面和电离层都是理想的平面,来进行各种参数的计算。
3.1最高可用频率的确定
最高可用频率Fm(MaximumUsableFrequency),是指在实际通信中,能被电离层反射回地面的电波的最高频率。若选用的最高频率超过它,则电波穿出电离层,不能返回地面(如图5所示),所以,确定通信网的Fm,是必须首先进行的。在远距离的通信中,电波都是斜射至电离层,若令Fv为临界投设频率,则在已知通信距离和反射点高度。
3.2最佳工作频率选择
通过电离层的无线电波频率越高,能量吸收损失越小。所以在所给瞬间从能量损失最小的观点(在接收点电场强度最大)来看,能被电离层反射回地面来的最高频率就是最有利频率。Fm是电波能返回地面和穿出电离层的临界值,当选用的Fm高于实际的Fm时,电波就穿出电离层,不再返回地面,通信将被破坏,考虑到电离层的结构随时间的变化和保证获得长期稳定的接收,在确定线路的工作频率时,不是取预报的Fm值,而是选择适当的频率,使它至少低于最高可用频率的10～20%。这个频率通常称为最佳工作频率Fo(frequenceOptimaledetrafic)Fo=0.85Fm(2)选用Fo后能保证通信时间90%的沟通率,但付出的代价也是很大的,由于工作频率较Fm下降了15%,接收点的场强较工作在Fm时,损失了10～20dB。但从保证沟通率的观点,这种最佳工作频率选择是必要的。综合辽宁区域地震短波通信网最高工作频率预测计算结果和最佳工作频率选择原则,笔者建议由图7所示FD线段选择网络工作频率是合理可行的。
4几点结论
通过上述分析探讨,我们不难得出以下结论:(1)Fm是指给定辽宁区域地震短波通信网络中通信距离下的最高可用频率,若通信距离改变了,显然计算所得将发生变化。而且Fm和反射层的电离电子密度有关,所以,凡影响电离电子密度的诸因素都将影响Fm的数值;(2)当通信电波传播选择Fm为工作频率时,由于只有一条传播路径,所以,在一般情况下,可以获得较佳的接收可能性;(3)Fm是电波能返回地面和穿出电离层的临界值,考虑到电离层的结构随时间、季节、太阳黑子活动变化,在确定网络工作频率时,不应以预报计算的Fm值为唯一选择依据,而是应考虑选择Fo;(4)实际工作中,在中心台与某一子台通信时不需要频繁地改变工作频率,白天选用1个较高的频率,夜间选用1～2个较低频率就可以保证沟通。