大氣噪聲信號基本特征分析

王伯松　溫東　劉翠海

摘要：甚低頻通信因其傳播距離遠、不易受干擾、穿透海水能力強等優(yōu)良特性，在航海通信與導(dǎo)航、空間環(huán)境探測等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而甚低頻通信疊加的噪聲成分主要是雷電產(chǎn)生的大氣噪聲。本文主要分析大氣噪聲產(chǎn)生的基本機理及噪聲信號的基本特征，并給出了大氣噪聲的簡單統(tǒng)計特性。

關(guān)鍵詞：大氣噪聲;基本特征;統(tǒng)計特性

中圖分類號：TNO11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0038-02

0 引言

甚低頻（VLF）通信也稱為甚長波通信，是指利用波長為100km至10km（頻率為3-30kHz）的電磁波進行的無線電通信[1]。由于該波段的無線電波具有傳播距離遠、隱蔽性好、信號穩(wěn)定等優(yōu)點，因而甚低頻通信在遠距離導(dǎo)航、地球物理學研究等軍用和民用領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。另外，由于其具有一定海水穿透能力，因此成為各國海軍進行海上遠距離通信和水下通信的重要手段。

甚低頻波段通信易受噪聲影響，其主要來源是自然界雷暴產(chǎn)生的大氣噪聲。

1 大氣噪聲的定義和分布

甚低頻通信中的大氣噪聲主要是由全球雷電的瞬時放電引起的，就其特征而言，它是由世界范圍內(nèi)的雷電瞬時放電并相互疊加產(chǎn)生的高斯白噪聲背景下的脈沖型噪聲[2]。它可視為由兩部分組成：低幅度的背景噪聲（可視為服從高斯分布）和高幅度的突發(fā)性脈沖噪聲。前者主要包括分布于全世界范圍內(nèi)的大量雷暴產(chǎn)生的噪聲疊加而成，后者則是信號接收機附近的脈沖噪聲疊加形成，這些脈沖噪聲聚集了絕大多數(shù)的噪聲能量。

大氣噪聲分布是一種統(tǒng)計分布，其往往呈現(xiàn)比較復(fù)雜的時間、地點和頻率規(guī)律。就氣候條件來看，赤道一帶、東南亞、中美南美是世界三大雷電活動中心，可視為全球大氣噪聲的主要發(fā)源地。下面從時間、地理位置、頻率三個角度分析噪聲強度的影響因素。

時間因素影響雷雨活動性的變化以及雷電噪聲源和信號接收機之間的位置，進而引起噪聲幅度變化。CCIR（International Radio Consultative Committee）報告中指出，通常夏季雷雨天氣較為頻繁，噪聲電平相對較大，冬季噪聲電平較小[3]。對同一地點而言，晝夜不同噪聲幅度大小也會有變化，有的地點晝夜變化可存在10-20dB的差異;就頻率而言，在同一地理位置，噪聲幅度隨頻率起伏較大，這是因為隨著信號頻率的變化，噪聲的衰減率、激勵模式以及傳播路徑都會有所變化。

2 大氣噪聲的產(chǎn)生機理

分析大氣噪聲的產(chǎn)生機理，有必要了解雷電的產(chǎn)生原因以及放電的過程。閃電是自然界大氣中云與云之間、云與地之間或者云體內(nèi)各部位之間的強烈放電現(xiàn)象[4]。當云內(nèi)電荷聚集達到一定數(shù)量時，云內(nèi)不同部分間或是云與地面之間就會形成很強的電場，云內(nèi)外的大氣層將被擊穿，激發(fā)出耀眼的光芒，閃電因此產(chǎn)生。每次閃電過程，放電電流峰值大約在幾百安至幾千安之間，高峰時可達一兆安[5]。

雷電現(xiàn)象放電的全過程可簡單概括為以下幾個階段：（1）在積雨云中產(chǎn)生帶有正負電荷的靜電，形成電荷中心;（2）預(yù)放電（先導(dǎo)放電），持續(xù)時間約為0.005至0.01秒;（3）主放電階段，又稱返回擊穿，在主放電中，大地與雷云之間聚集起來的大量電荷將通過先導(dǎo)放電階段開辟出來的狹小電離通道產(chǎn)生劇烈的電荷中和，產(chǎn)生強烈的光和熱。在這一階段，雷擊點有高強度電流經(jīng)過，過程很短;（4）多次擊穿，平均放電數(shù)目為二至三次;（5）有時在兩次擊穿之間會有連續(xù)小電流存在，強度為500-1000A，這種電流持續(xù)時間非常短;（6）余輝放電階段，在主放電階段結(jié)束后，雷云中剩余的少量電荷將繼續(xù)沿著主放電通道下移并流入大地，通道連續(xù)存在一定余輝。這一過程的放電電流僅數(shù)百安，持續(xù)時間相比其它過程較長，可達0.03-0.05s[6]。

3 大氣噪聲信號的統(tǒng)計特性

前文的分析中提到，大氣噪聲由背景高斯白噪聲和脈沖噪聲疊加形成，甚低頻通信系統(tǒng)接收機收到的噪聲信號由全球分布的雷電放電疊加而成。盡管無法給出大氣噪聲隨時域和地域變化的準確數(shù)學表達式，但噪聲信號場強的變化存在統(tǒng)計特性，可以通過實測各地不同時間的噪聲統(tǒng)計數(shù)據(jù)，借助得到其幅度分布特性，并進一步建立大氣噪聲模型。這里僅從理論上加以分析。

大氣噪聲由背景高斯白噪聲和脈沖噪聲相加得來，因此，可以將大氣噪聲視為兩個獨立的隨機過程之和[7]。可以用下式來表示：

式中，n（t）是總的大氣噪聲，w（t）是大氣噪聲中背景高斯白噪聲成分，其均值為零，主要包括：（1）各地的閃電相互疊加構(gòu)成的背景噪聲;（2）甚低頻接收機內(nèi)部各部分電路產(chǎn)生的噪聲;對較為特殊的潛艇甚低頻收信（軍用）而言，還包括：（3）潛艇行駛過程中天線與地面電磁場產(chǎn)生的噪聲;（4）電力線噪聲及潛艇內(nèi)部機械噪聲等。這些所有分量的疊加構(gòu)成背景噪聲。p（t）為尖峰脈沖噪聲，是接收機附近雷電產(chǎn)生的無窮多個窄脈沖的疊加，可以表示為：

式中，……為脈沖噪聲的隨機振幅，……為隨機時延，序列與n（t）相互獨立。

由于篇幅所限，對大氣噪聲的統(tǒng)計分布規(guī)律不再具體展開分析。

4 結(jié)語

大氣噪聲是由世界各地雷電現(xiàn)象引起的以高斯噪聲為背景的尖峰脈沖噪聲，它是影響甚低頻通信的重要因素。本文介紹了大氣噪聲的特征以及影響大氣噪聲的幾個因素，詳細分析了大氣噪聲的產(chǎn)生機理及噪聲信號的基本特征，為進一步研究大氣噪聲抑制方法，提高甚低頻通信可靠性奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 劉翠海，溫東，史偉.潛艇通信[M].海潮出版社，2013.

[2] 施意.張爽.張昕.大氣噪聲對甚低頻通信系統(tǒng)干擾仿真分析[J].通信技術(shù)，2013（09）：32-34.

[3] CCIR. World Distribution and Characteristics of Atmospheric Radio Noise[R]. International Telecommunications Union， Geneva，Switzerland，Report 322-3，1986.

[4] 羅霞.雷暴云電結(jié)構(gòu)和氣象參數(shù)及衛(wèi)星雷達資料與閃電關(guān)系初探[D].南京信息工程大學大氣物理學與大氣環(huán)境專業(yè)，2006.

[5] 許玲，靳致文，王西乾.SLF/ULF大氣噪聲譜密度全球分布預(yù)測[J].電波科學學報，2010（4）：773-778+814.

[6] 蔣宇中，應(yīng)文威，張曙霞，等.超低頻非高斯噪聲模型及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014：6.

[7] 張文娟，王永斌，付天暉.甚低頻/低頻通信中大氣噪聲仿真研究[J].艦船電子工程，2006，26（6）：123-126.