短波大氣噪聲的數值計算方法

胡繪斌， 陳建忠

（①總參第六十三研究所，江蘇 南京 210007；②中國人民解放軍94860部隊，江蘇 南京 210018）

0 引言

在設計短波通信線路方案、評估短波通信質量或分析短波超視距雷達的噪聲環境時，自然界的噪聲尤其是大氣無線電噪聲（簡稱大氣噪聲）是計算接收信噪比必須要考慮的因素。大氣噪聲主要由雷電引起，其傳播受電離層影響很大，其強度隨頻率、時間、季節、地理位置及氣候的改變而變化。因此，在工程應用中通常都是以統計形式取其季時段中值來進行計算。

當前，工程上計算大氣噪聲的主要方法和依據是CCIR322報告及ITU P.372-8推薦書所提供的一套全球大氣噪聲分布圖，通過人工查圖的方式估算出大氣噪聲計算公式中的各種參數[1-2]，這種方法的計算效率顯然極其低下且容易出錯。因此，實現大氣噪聲的編程計算一直是工程上需要解決的問題。當前，關于這個問題的研究文獻所見甚少，文獻[3]簡單地給出了短波大氣噪聲若干系數的計算公式，沒有給出詳細的計算過程和結果。

根據美國國家電信和信息管理局（NTIA）85-173報告所提供的大量數據[4]，采用傅里葉正弦級數和多項式插值的數值方法來計算任意地點、季節和時間段內的大氣噪聲中值，并開發出相應的計算程序，極大地提高了大氣噪聲的計算效率和準確度，具有重要的工程應用價值。

1 大氣噪聲的工程計算方法

大氣噪聲功率nP（dBW）的計算公式為[1]：

式(1)中，B為接收機的有效噪聲帶寬，單位為Hz；aF為天線接收的有效大氣噪聲系數，單位為dB，是計算大氣噪聲的關鍵所在，aF可表示為：

其中，Fam為 Fa的時區中值，表示在50%的時間范圍內 Fa不大于 Fam，隨頻率變化而變化； Du為 Fa上十分值和 Fam的差值，表示在90%的時間范圍內 Fa不大于 Fam+Du；σFam和σDu分別為 Fam和 Du的標準偏差，反映了 Fam和 Du隨機變化的情況。式（2）計算所得的 Fa，實際是指90%的時間內可能出現的有效天線噪聲系數的最大值。文獻[5]給出了上述各參數的詳細推導過程。

以人工查圖方式計算大氣噪聲時主要是根據地點、季節和時間從全球大氣噪聲分布圖上估算出Fam、Du、σFam和σDu的值后再代入式（2）進行計算。全球大氣噪聲分布圖是用統一的標準儀器（參考天線是一個理想導電面上的短垂直單極子），在全球建立的27個觀測站測量的大氣噪聲數據基礎上，考慮長期氣象、氣候及雷電活動規律，于世界地圖上繪制的 Fam等值線分布圖，由四個季節、六個時間段（從零時起每四小時為一個時間段），共72張算圖組成，每3張圖為一組，分別為 Fam（1MHz）的全球分布圖、 Fam的頻率分布圖和Du、σFam和σDu等參數的頻率分布圖，反映一個季節、一個時間段內的大氣噪聲狀況，其中，Fam（1MHz）表示“以1 MHz為參考頻率的有效天線噪聲系數中值”，用于估算 Fam，實現Fam（1MHz）的數值計算是計算大氣噪聲的基礎和關鍵。

2 Fa m （1 M Hz） 的數值計算方法

根據NTIA 85-173報告所提供的大量數據,采用傅里葉正弦級數和多項式插值相結合的方法來計算 Fam（1MHz）,即：

式中：

圖1顯示了用該方法計算的秋季23時全球 Fam（1MHz）等值線分布圖，與 ITU P.372-8推薦書所提供的同時段Fam（1MHz）全球分布圖（包含了地球大陸輪廓線）[6]相比，二者相當吻合，精度完全可以滿足工程應用要求。

3 有效大氣噪聲系數 amF 的數值計算方法

對于實際工作的短波頻率 f （ M H z）來說，通過式（6）計算接收天線的有效噪聲系數 Fam：

圖1 計算的全球Fa m （1 M Hz ） 等值線分布圖

式中， Ai（z） = Bi,1+ Bi,2z ，z為任意地點、季節和時間的為NTIA Report 85-173提供的系數，與季節和時間段相對應，共計336個。

按上述方法，以0.1 MHz為間隔計算了1.0～30 MHz共291個頻點在12月（冬季）3時（時區1）不同Fam（1MHz）所對應的 Fam值，如圖2所示。為便于和ITU P.372-8推薦書所提供的 Fam值比較，圖2中 Fam＜ 1 0dB的部分曲線未予顯示，二者是相當吻合的。

圖2 計算的 amF 值

4 uD、Famσ和Duσ的數值計算方法

Du、σFam和σDu采用以下多項式計算：

式（7）中， lgx f= ，iA為NTIA Report 85-173提供的系數，與季節和時間段相對應，三種參數的iA系數共有360個。

按上述方法，同樣計算了頻率從1.0～30 MHz共291個頻點在3月（春季）15時（時區4）的uD、Famσ和Duσ值分布，如圖3所示，和ITU P.372-8推薦書所提供的同時間三種參數的計算值相比，二者同樣相當吻合，精度完全可以滿足工程應用要求。

圖3 計算的三種參數值

5 短波大氣噪聲的數值計算流程

根據以上計算過程，給出短波大氣噪聲的計算流程如圖4所示。

圖4 短波大氣噪聲的數值計算流程

6 結語

采用數值方法實現了短波大氣噪聲主要參數的程序計算，計算結果表明了該方法的正確性。這種方法大大提高了傳統人工查圖法估算短波大氣噪聲的計算效率，在短波遠距離通信線路設計、短波通信質量評估及短波超視距雷達環境噪聲計算等工程上具有顯著的應用價值。

[1] 焦培南,張忠治.雷達環境與電播傳播特性[M].北京：電子工業出版社,2007： 320-398.

[2] 曲貴成,王睿.大氣噪聲條件下海上短波通信可通性研究[J].艦船電子工程,2009,29(01)：92-95.

[3] 黃崇敬,楊祖萍.短波通信性能評估計算機高級編程算法概要[C]. 中國：中國通信學會,2008： 767-777.

[4] SPAULDING A D, WASHBURN J S. Atmospheric Radio Noise： Worldwide Levels and Other Characteristics[R].USA：NTIA,1985.

[5] LAWRENCE D C. CCIR Report 322： Noise Variation Parameters[R].Geneva： ITU,1995.

[6] ITU Radiocommunication Assembly. ITU Report 372-8： Radio Noise[R]. Geneva： ITU, 2003.