人工扰动电离层对电波传播的影响研究*

黄士飞，黄勇

(中国人民解放军 92728部队， 上海　200436)



人工扰动电离层对电波传播的影响研究*

黄士飞，黄勇

(中国人民解放军 92728部队， 上海200436)

摘要：根据三维数字射线追踪法，研究了扰动后的电离层对不同波段的电磁波传播的影响，结果表明：利用人工手段扰动电离层可以显著影响无线电波的传播，受扰电离层可以引导甚低频波(VLF)进行“哨声模式”传播，进而实现对潜通信；使得短波(HF)传播轨迹发生偏转、逃逸、聚焦和散焦，进而实现短波干扰；降低卫星通信频率，进而利用新波段实现卫星保密通信，同时还能产生透镜效应，对实现卫星通信的甚高频波(VHF)产生额外增益，增强通信效果。

关键词：电离层；人工扰动；电波传播

0引言

现今的社会被称为信息社会，与之相应的军事时代是信息兵器时代。在信息化战场上，信息兵器体现在先进的指挥、控制、通信、监测、侦察和情报等方面，这又涉及到综合电子信息系统的各个主要方面：通信、导航与定位、信息进攻能、信息防护能力、军事状态评估及指挥。而在上述各个方面中电离层均扮演着重要的中介角色，它作为电波传播的通道和载体，决定着无线电信号的优劣，对信息战的作用非常重要。早在20世纪70年代，美国科学家无意发现大型火箭升空时，电离层环境受到很大的改变，比如美国天空实验室(SKYLAB)在发射期间，电离层中形成了一个直径达1 000 km的电离层电子密度耗空区域，使得大西洋广大地区上空的短波通信中断[1]。此后，前苏联、欧美国家逐渐意识到开展人工主动改变电离层等离子体环境的研究，可以促进新体制短波通信、卫星通信和导航技术的突破发展[2-3]，而在军事上的应用需求也是不言而喻的。我国在此方面的研究起步较晚，目前只对人工扰动电离层技术进行了理论方面的研究[4-8]，大型的空间实验研究较少。而在应用方面研究较浅，深入系统地以人工扰动电离层技术为基础，加以改变和控制电波传播的研究还未见报道。

1人工扰动电离层技术简介

人工扰动电离层较常用的方法有化学释放法[4-6]和电离层加热法[7-8]。相较而言，前者理论上更清晰，实现起来难度较小，主要是以航天飞船、人造卫星等为载体，在空间释放不同种类的化学物质，使得电离层等离子体密度发生改变。空间释放的化学物质可分为2类：一类是使电离层电子密度增加的物质，如钡等碱金属原子，这类物质在太阳紫外光的照射下，非常容易发生光致电离而失去电子，使释放化学物质的电离层空间在极短的时间内电子密度大大增加，形成人工电离层“电子稠团”；另外一类是使电子密度降低的中性气体分子，如H2，CO2等，主要作用于电离层的F层。其原理是，在F层中占绝对多数的O+与电子的复合系数约为1012cm3/s，在电离层中释放一定的中性气体分子，很容易将原子性的O+转变为分子性的离子，而分子性的离子与电子的复合系数一般可以达到109cm3/s甚至更大，因此F层的电子复合大大加快，相应的电子密度就有可能大大减少，从而形成人工电离层“电子空洞”。通常第1类化学物质产生的电离层扰动时间短、区域小，因为在电离层中局部高密高压的“电子稠团”会在很短的时间通过扩散以及输运过程而衰减到与背景相同，另外它们也容易被氧化，还没来得及扩散到较远的空间就被大大消耗。因此，对于空间主动扰动实验而言，第2类物质被广泛使用。

2受扰电离层对电波传播的影响

2.1对VLF波传播的影响

3～30 kHz频段的VLF(very low frequency)电波传播主要以地——电离层波导模式传播。由于VLF电波频率较低，不能穿透电离层，在低电离层的下边缘即被反射回地面，因此在传播时以低电离层下边缘和地面为两壁，构成了同心球壳形波导，VLF电波在其中以较小的衰减绕过弯曲地面进行传播。

当在电离层中释放中性气体物质减少电离层电子密度，此时部分VLF可以穿透电离层底部边缘，化学物质释放后电离层电子密度损耗区域类似一个供VLF传播的“通道”，此时电波可以在电离层外空间“通道”中传播。当电波的传播方向垂直于电离层时，电波进入地球大气进而被地面接收机所接收，这种传播方式通常称之为哨声模式传播(whistler mode propagation)[9]，其传播方式如图1所示。

图1　VLF电波哨声模式传播示意图Fig.1　Diagram of VLF waves propagate　　　in whistler mode

2.2对HF波传播的影响

3～30 MHz的HF(high frequency)电波主要以天波的方式进行传播。HF波的频率较高，能够进入电离层，在电离层中电波的传播方向会发生改变，出现折射。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会拐回地面。电离层受扰后，首先会改变HF波在电离层中传播的截止频率和最高使用频率，同时随着电离层扰动区域电子密度梯度的改变， HF波的传播轨迹也会发生改变，将会出现HF波的偏折、逃逸、反向传播、聚焦和散焦等现象。图2是利用三维数字射线追踪法[10]计算得出的HF波在电离层受扰前、后的传播轨迹，图中虚线位置表示扰动中心位置。计算条件如下，电波频率f=6 MHz，电波发射角α=n×6°,n=1,2,…，15。扰动电离层选择在北京地区上空275 km高度释放1 000 mol的H2，受扰后的电离层在释放中心处电子密度下降到4%，扰动区域达到90 km×100 km(前者径向，后者纵向)。

图2　电离层受扰前后HF波传播轨迹的变化Fig.2　Ray trajectories of radio waves through artificially disturbed ionosphere

2.3对VHF及更高频率的电波的传播影响

频率从30～300 MHz的无线电波，称为VHF(very high frequency)无线电波。当电波频率高于30 MHz时，电离层介质对电波的折射效应明显减弱；而电波频率高于100 MHz时，电波轨迹几乎不会发生弯曲，此时利用电离层反射方式实现两点通信不可能发生。此波段的电波最常见的用途是卫星与地面之间的通讯。

VHF电波穿过电离层电子密度扰动区域后，电波的相位和极化都会发生改变，但最显著的特点是电波振幅增大，此现象与文献[11]研究得到的结果(如图3所示)类似，只是振幅提高的幅度略小。其原因是对于频率较大的VHF电波，电离层“电子空洞”可以看成为“电波透镜”，其对能够穿透的电波具有一定的汇聚作用[11]。

图3　电离层“电子空洞”对电波的会聚作用Fig.3　Focusing of VHF by electron hole

VHF电波穿透电离层“电子空洞”后，其振幅增益表示为[12]

(1)

式中：f为电波频率；c为光速；h为电离层“电子空洞”中心位置所在的高度；r为“电子空洞”的径向半径；ε为电波穿过“电子空洞”后的相位变化。

ε与电离层电子损耗总量相关，具体关系为[12]

(2)

式中：ΔI为电离层的电子损耗总量。

因此，假设电离层“电子空洞”的中心位置在300 km高度，径向半径r=20 km，电子损耗量ΔI=6×1016，电波频率f=140 MHz，则电波穿过电离层扰动区域后振幅获得增益G=1.1，即0.8 dB。

3军事应用探讨

3.1对潜通讯

潜于水下的潜艇接收基地的指令时存在的主要困难是：通常用于远距离通讯的无线电短波不能穿透海水，因而不能为水下的潜艇接收。当然，潜艇可以拖曳一个浮在水面的天线，用来接收短波信号。但这样的天线极易暴露潜艇的行踪，因而不是最佳方案。

释放中性气体物质产生扰动后的电离层可以引导VLF波以哨声模式传播，这样在潜艇需要通讯时，根据要求选择化学物质释放地点即可实现对潜通讯。另外，可以借助空间卫星作为中转站。电离层电子密度减小到一定程度时可以穿透波长更长、频率更低的极低频(extremely low frequency,ELF)电磁波，以至于实现超低频(ultra low frequency,ULF)电磁波通讯。这样低频率的电磁波可以达到水下更深的深度，实现真正意义上的海底潜艇通讯，无需潜艇拖曳浮在水面的天线，用来接收短波信号，这将更有利于潜艇的潜伏。

3.2短波通讯干扰

在电离层人工释放中性气体物质期间，电离层等离子体密度减小，局部区域形成“电子空洞”，使得原先可以发生反射的电磁波透过电离层，进而在特定区域内发生通讯中断。另外，选择合适的位置，电离层“电子空洞”对短波具有散焦作用，可以显著干扰短波通讯的质量。同时，电离层“电子空洞”对短波具有聚焦作用，这样也可以提高通讯质量。另外，从上文计算结果可知，扰动电离层可以使得正常传播的电磁波发生偏折、逃逸和反向传播等，因此也会使得电波信号传播中断或失真。在具体应用操作时，应根据需要设计释放地点、时间等参数，进而达到预期效果，这将是下一步研究的重点。

电离层人工化学物质释放所形成的“稠团”和“空洞”，不仅可以形成电离层不均匀性也可以消除已存在的电离层不均匀性，这样对于利用电离层不均匀性的散射通讯来说，通讯介质消失，造成散射通讯被阻断。

3.3卫星通讯

对于利用透射原理进行的星—地或地—星链路通讯来说，释放金属气体产生的“电子稠团” 使得电离层等离子体频率提高，部分频率(用于星—地或地—星通讯)的电波将无法穿透电离层，导致星—地或地—星通讯阻断。

通过电离层人工释放化学物质，可以使得电离层局部电子密度有一定甚至很大程度的降低，因此电离层扰动区域的电磁波透过频率降低。电离层“空洞”持续时间与释放气体的种类有关，这样可以选择适当的气体控制电离层扰动时间。在此期间利用较低的频率进行卫星通讯，或者以空间卫星作为通讯中转站进行地面通讯。此种通信方式人工机动性强，并且大大提高了卫星通讯的隐蔽性。

4结束语

现代战争对信息的依赖程度越来越高，其体现在指挥、控制、情报、通讯等方面中，而这些几乎全部要借助于通信来准确无误的传递。电离层作为电波传播的通道和载体，决定着无线电信号传播的优劣，对现代战争的作用越来越重要。从本文研究结果可知，人工扰动后的电离层可以引导VLF电波在电离层中传播，使得HF电波传播产生偏折、反向、逃逸、聚焦和散焦等异常效应，改变VHF电波传播振幅。而上述现象可以有效促进军用新体制无线电波通信的突破发展，对国家空间信息基础平台和国防建设具有现实的科学意义和实际的应用价值。

参考文献：

[1]MENDILLO M. A Sudden Vanishing of the Ionospheric F Region Due to the Launch of Skylab[J].J. Geophys. Res., 1975, 50(16):2217-2228.

[2]HOLMGREN G, MARKLUND G, ELIASSON L, et al. Ionospheric Response to Chemical Releases in the High Latitude E and F Region[J].Adv. Space Res., 1988,8(1):79-83.

[3]CHOUERI E Y, ORAEVSKY V N, DOKUKIN V S, et al. Observations and Modeling of Neutral Gas Releases From the APEX Satellite[J].J. Geophys. Res., 2001，106(A10):25673-25681.

[4]黄勇，时家明，袁忠才. 释放化学物质耗空电离层电子密度的研究[J]. 地球物理学报，2011，54(1):1-5.

HUANG Yong, SHI Jia-ming, YUAN Zhong-cai. Ionosphere Electron Density Depletion Caused by Chemical Release[J]. Chin. J. Geophys, 2011，54(1):1-5.

[5]HUANG Yong, SHI Jia-ming, YUAN Zhong-cai.Numerical Simulation of Ionospheric Electron Concentration Depletion by Rocket Exhaust[J]. Plasma Science and Technology，2011，13(4):446-450.

[6]黄勇，时家明，袁忠才. 释放不同化学物质对电离层的扰动比较[J]. 空间科学学报,2012，32 (1):33-39.

HUANG Yong, SHI Jia-ming, YUAN Zhong-cai. Comparison of Ionospheric Modification by Different Chemicals Release[J].Chin. J. Space Sci., 2012，32 (1):33-39.

[7]黄文耿，古士芬.大功率无线电波与低电离层的相互作用[J]. 空间科学学报，2003，23(3):181-188.

HUANG Wen-geng, GU Shi-fen. Interaction of the Powerful High-Frequency Radio Wave with the Lower Terrestrial Ionosphere[J]. Chin. J. Space Sci., 2003，23(3):181-188.

[8]黄文耿，古士芬，龚建村. 大功率高频无线电波加热电离层[J]. 电波科学学报，2004，19(3):296-301.

HUANG Wen-geng, GU Shi-fen, GONG Jian-cun. Ionospheric Heating by Powerful High-Frequency Radio Waves[J].Chin. J. Radio Sci., 2004，19(3):296-301.

[9]HELLIWELL R A. Whistlers and Related Ionospheric Phenomena[M]. Stanford, California:Stanford University Press, 1965

[10]柳文，焦培南，王俊江，等. 电离层短波三维射线追踪及其应用研究[J]. 电波科学学报，2008, 23(1):41-48.

LIU Wen, JIAO Pei-nan, WANG Jun-jiang, et al. Short Wave Ray Tracing in the Ionosphere and Its Application[J]. Chin. J. Radio Sci., 2008, 23(1):41-48.

[11]BERNHARDT P A, ROSA D A. A Refracting Radio Telescope[J].Radio Sci., 1977, 12(2): 327-336.

[12]BERNHARDT P A. The Response of Ionosphere to the Injection of Chemically Reactive Vapors[R]. Stanford University Tech. Rept. No.17, SU-SEL-76-009, 1976.

Influence on Communication of Radio Wave through Artificial Disturbed Lonosphere

HUANG Shi-fei,HUANG Yong

(PLA,No.92728 Troop, Shanghai 200436, China)

Abstract:In terms of 3-D ray tracing method, the propagation of radio waves through artificially disturbed ionosphere is investigated. The results show that, the disturbed ionosphere can affect different ranges of radio wave propagate obviously, the ray trajectory changes of HF(high frequency) waves through the perturbed ionosphere include focusing, defocusing, multipath fading, or leakage of the signal out of the ionosphere. In addition, the disturbed areas may act as guides for VLF(very low frequency) waves propagate in whistler mode through the ionosphere, and at VHF(very high frequency), the signals propagating from satellites to the ground and the ionospheric hole produces slight focusing. Also, the practical applications in communication countermeasure by artificial disturbed ionosphere are discussed.

Key words:ionosphere; artifical disturb; radio wave propagation

中图分类号：P352

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-01-0066-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.011

通信地址：200436上海市闸北区场中路3300弄120号E-mail：huangshf63@126.com

作者简介：黄士飞(1963-)，男，江苏盐城人。高工，硕士，主要研究方向为航空电子技术。

收稿日期：2013-12-01；
修回日期：2014-01-22