低電離層舒曼諧振觀測

曹丙霞 喬曉林(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

②(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息工程研究所 威海 264209)

低電離層舒曼諧振觀測

曹丙霞①喬曉林②
①(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

②(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息工程研究所 威海 264209)

舒曼諧振與大氣溫度變化及地震電磁前兆密切相關(guān)，該文針對地面直接觀測受環(huán)境制約嚴重的問題，提出了一種新的舒曼諧振監(jiān)測方法，即人工向電離層發(fā)射高頻(HF)電磁波，與舒曼諧振產(chǎn)生電離層交叉調(diào)制，通過解調(diào)HF波獲得舒曼諧振。基于大氣晴天電場作用下HF電磁波與舒曼諧振在低電離層的非線性調(diào)制模型，論證了該方法的可行性；利用我國首個舒曼諧振觀測臺站，接收短波授時信號BPM，并在其解調(diào)譜圖上得到了分別位于7 Hz，14 Hz，20 Hz，26 Hz的舒曼諧振前4階諧振峰。理論及實驗表明在HF的解調(diào)譜上獲取低電離層舒曼諧振，是一種可行的舒曼諧振觀測方式。

舒曼諧振；地-電離層波導(dǎo)；極低頻；電離層非線性

1 引言

地球和電離層構(gòu)成一個諧振腔體，其諧振頻率由地球的尺寸決定[1]。在全球雷暴和閃電活動的激勵下，產(chǎn)生了可繞地球傳播的舒曼諧振(Schumann Resonance，SR)。1962年Balser和Wagner等在觀測自然背景噪聲時，發(fā)現(xiàn)了位于7.8 Hz，14.2 Hz，19.6 Hz，25.9 Hz和32 Hz的SR波譜峰。此后，國際上開展了大量的舒曼諧振觀測研究[2,3]，發(fā)現(xiàn)其參數(shù)變化與大氣溫度的改變[4]和地震活動[4-10]都有關(guān)。目前的觀測主要依賴地面的感應(yīng)式磁力儀等裝置進行，這種方法的主要缺點是受觀測環(huán)境制約嚴重，必須選擇人為噪聲小的偏僻地方建站，這大大局限了觀測臺站的布置。本文的 SR觀測方法基于電離層交叉調(diào)制原理，對環(huán)境的背景噪聲要求相對要低很多。

1972年Alpert[11]提出雷暴活動產(chǎn)生的自然電磁波的強度足以在D層電離層產(chǎn)生非線性效應(yīng)。而舒曼諧振腔體的上邊界正是電離層D層的底部，即電離層白天高度50 km -60 km晚上80 km -90 km位置。如果該非線性確實存在，SR波將使電子溫度升高，改變碰撞頻率和吸收系數(shù)等參數(shù)，經(jīng)過該區(qū)域的HF電磁波的因傳播條件被改變而受到調(diào)制。接收電離層反射的 HF信號，應(yīng)該在其解調(diào)后頻譜上得到SR波的譜峰。Yampolski等人[12]利用烏克蘭的無線電天文觀測中心的 UTR-2射電望遠鏡天線接收俄羅斯的時間-頻率服務(wù)臺信號 RWS(Roundthe World Signals)，觀測到了調(diào)制在RWS上的SR波譜，驗證了上述理論的正確性。

Yampolski等人的實驗是在高緯度地區(qū)進行的，地-電離層波導(dǎo)空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有明顯的晝夜過渡效應(yīng)和緯度效應(yīng)，其高度具有明顯的甚至急劇的空間變化；在地磁場影響下，其電特性呈現(xiàn)各向異性[13]。這些都會影響到空腔中傳播的 SR信號，因此，在不同緯度區(qū)長期觀測該現(xiàn)象，有助于研究ELF電磁波在地-電離層波導(dǎo)中的傳播特性，揭示地球物理作用機制，促進人類對地球空間的進一步認識。我國大部分地區(qū)處于中低緯度區(qū)，因此，對中低緯度地區(qū)的電離層非線性現(xiàn)象進行研究，具有非常重要的意義。

為了深入研究 SR與大氣溫度和地震活動的關(guān)系，哈工大在我國中緯度東部沿海地區(qū)建立了我國第一個專用的SR波觀測站。該站的HF信號接收解調(diào)系統(tǒng)，天線遠比UTR-2簡單得多，本文利用其觀測數(shù)據(jù)，最終得到了我國的BPM授時信號被SR調(diào)制的結(jié)果。

2 HF電磁波與SR波的非線性作用模型

按照電離層熱非線性作用理論，低電離層非線性作用的出現(xiàn)，是由于電子受到加熱，溫度升高引起的。電子溫度Te與中子、分子溫度T之差即為電子溫度的升高值ΔT，根據(jù) Gruevich[14]的研究，初等理論條件下(δ、ve與Te無關(guān))，加熱效率取決于加熱場的能量，即

這里，Eh為加熱場，Ep為等離子體場[14]，定義為Ep=[3kT(m/e2)δ(ω2+v2) ]1/2。

式中，k為波爾茲曼常數(shù)，m,e分別為電子的質(zhì)量和電荷，δ≈ 2m/M是電子和重粒子(質(zhì)量為M)碰撞引起的能量傳遞系數(shù)，ω是加熱場的頻率，v為有效電子碰撞頻率。顯然，Ep由T(z)、δ(z)、v(z)隨高度z的分布決定。

為了估算SR與HF電磁波的非線性作用深度，我們首先利用 Gurevich[14]所提供的參數(shù)得到Ep≈0.3V/m。電離層 D層作用的高度上，還存在晴天大氣電場E0。正常情況下，地面附近晴天大氣電場約有120 V/m，在D層高度，E0≈ 0 .3 V/m 。而地表附件ES≈ 3 × 1 0-4V/m ，因此ES?E0?？紤]到E0的存在，加熱場Eh=E0+ES，得到=(E0+ES)2≈+ 2E0ES，是直流項，代表了平均的電子加熱程度；而2E0ES則代表了由SR波加熱引起的非線性效應(yīng)；因此可得

該式中ΔTs與ES是線性比例關(guān)系，因此，由此得到的Te(ω)的譜將重復(fù)ES(ω)的譜。

由式(6)可知，SR信號ES(t)對HF電磁波的幅度進行了調(diào)制，調(diào)制度與ES(t)成正比，因此，對接收的的HF電磁波信號進行頻譜分析，可得到ES(ω)的譜。

3 測量分析

本系統(tǒng)接收來自陜西蒲城國家授時中心發(fā)播的BPM授時信號，載波頻率10 MHz，接收機的頻率穩(wěn)定度為 2 ×10-8/日 。BPM每隔25 min發(fā)播5 min的連續(xù)波(CW)信號，譜分析就是利用這些 CW 信號進行的。系統(tǒng)的接收采用交叉偶極子天線，架設(shè)在某小山坡頂部。天線兩個拉桿的距離約30 m，包括高度15 m的5 MHz和高度8 m的10 MHz交叉偶極子水平極化天線；同時系統(tǒng)還包括了一根長15 m的垂直極化鞭形天線。

一般說來，對于2000 km以內(nèi)的短波通信線路，1F模式對接收點的場強起主要貢獻作用[15]。1F傳播模式下，取電離層虛高取150 km。BPM發(fā)射中心蒲城距離接收站約1160 km，SR在電離層的厚度為10 km。按照三角形計算估算得L≈74 km，取ω≈ 1 0 × 2 ×π× 1 06s-1， 代 入 公 式(6)得μ=4.20×1 0-4；考慮到其他傳播模式的作用，調(diào)制深度μ應(yīng)該略大于該值。這與Yampolski等[12]的結(jié)論在數(shù)量級上是一致的。

4 信號譜分析

接收BPM信號后，在靠近載波f0= 1 0 MHz的50 Hz帶寬范圍內(nèi)，進行了BPM幅度譜A(ω)的分析：

圖1中SR第1階本征頻率(7 Hz左右)、第2階本征頻率(14 Hz左右)、第 3階本征頻率(20 Hz左右)以及第4階本征頻率(26 Hz左右)對應(yīng)的譜峰在 BPM 信號解調(diào)后的譜圖中都比較明顯，但各譜峰對應(yīng)頻率和大小的具體值都被信號上的毛刺模糊了。因此，對上述的頻域數(shù)據(jù)進行均值平滑處理如下：

圖1 BPM解調(diào)后得到的SR譜圖

其中n=B·N/fs，B是我們感興趣的帶寬，例如我們只關(guān)心40 Hz以內(nèi)的信號，則取B=40，N是A的長度，fs是采樣頻率。經(jīng)過多次平滑處理后的結(jié)果如圖2所示。

圖2 平滑處理后的SR譜圖

數(shù)據(jù)作平滑處理后，得到的 SR各階譜峰的頻率和幅度特性都較前面的圖更清楚。根據(jù) HF電磁波與SR波的非線性作用模型，SR對電子加熱是由其電場分量ESR引起的；而根據(jù)式(6)，解調(diào)后的各譜峰對應(yīng)了 SR在低電離層位置的電場ESR的各階譜的特性。地面測量可以直接得到地面附近的 SR波電場和磁場分量，結(jié)合兩者作定量分析，或許是進一步研究 ELF的地-電離層波導(dǎo)傳播特性的有效方法之一。而要得到ESR的絕對值，還需要對系統(tǒng)進一步標定，得到輸入天線的載波電場實際值和載波與SR電場的比值即μ，從而可以對SR在低電離層的電場測量進行量化分析。

5 結(jié)束語

本文基于大氣電場作用下SR信號與HF電磁波的非線性作用模型，理論上估算了該研究的可行性；并利用我國首個專用的舒曼諧振觀測臺站，在短波授時信號BPM解調(diào)后的頻譜中得到了位于7 Hz，14 Hz，20 Hz，26 Hz的譜峰，進一步驗證了理論模型的正確性。本文雖然得到了各譜峰的頻率和相對幅度特性。但要對ESR的實際幅度進行量化分析，還要進行系統(tǒng)標定，得到輸入天線的載波電場實際值和載波與SR電場的比值，即調(diào)制度μ。

本文接收系統(tǒng)的短波天線相比UTR-2射電望遠鏡天線，結(jié)構(gòu)簡單，方便監(jiān)測臺站的建設(shè)；實驗結(jié)果證明，解調(diào)與SR非線性作用后的HF信號，也是一種可行的SR監(jiān)測方式，這對我國未來在SR監(jiān)測及電離層探測等領(lǐng)域的研究也是一種新的啟發(fā)。

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Observations on Schumann Resonance in Low Ionosphere

Cao Bing-Xia①Q(mào)iao Xiao-Lin②
①(School of Electronics and Information Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)
②(School of Information Engineering,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai264209,China)

Schumann Resonance (SR) is closely related with atmospheric temperature changes and electromagnetic precursors of earthquakes. In this paper, a new method to monitor SR is proposed as the heavy environment constraints in the ground-based observing. That is to transmit High Frequency (HF) electromagnetic waves into the ionosphere, where the HF signals will be cross-modulated with SR. So it can be obtained by de-modulating the HF waves. The feasibility of the experiment is verified based on the nonlinear modulation model of HF waves and SR in the lower ionosphere，in which the fair weather electric filed is taken into account. The first 4 peaks of Schumann resonance respectively at 7 Hz, 14 Hz, 20 Hz, 26 Hz are obtained in demodulation spectra of short wave timing signal BPM at the first Schumann Resonance observatory of China. The theoretical and experimental results show that it is feasible to get SR signals in the lower ionosphere from the HF demodulation spectra.

Schumann Resonance (SR); Earth-ionosphere wave guide; Extra-low frequency; Ionosphere nonlinearity

TN98

A

1009-5896(2010)08-2002-04

10.3724/SP.J.1146.2009.01535

2009-12-10收到，2010-04-16改回

國家科技支撐計劃項目(2008BAC35B00)資助課題

曹丙霞 jchdd1980@163.com

曹丙霞： 女，1980年生，博士生，從事電離層非線性及地震電磁異常等研究.

喬曉林： 男，1948年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向主要包括極化雷達信號處理、電子對抗和反對抗技術(shù)等，電離層非線性及地震電磁監(jiān)測等.