单模传播模式下电离层侧向散射特性研究

郭文玲，蔚 娜，李 雪，李吉宁，鲁转侠

（中国电波传播研究所青岛分所，山东青岛 266107）

单模传播模式下电离层侧向散射特性研究

郭文玲，蔚 娜，李 雪，李吉宁，鲁转侠

（中国电波传播研究所青岛分所，山东青岛 266107）

针对电离层侧向散射探测布站问题，对特定收发方位布站的单模传播模式下不同接收天线主指向、不同收发地面距离的侧向散射进行了仿真，结果表明，当接收主指向为60°（与正北方向夹角）时扫频图会出现与返回散射不同的特性，在低频处前沿变化非常的缓慢，还会出现群距离不连续的现象，随着收发距离的增大这种特性越明显，同时主指向角度减小这种特性也会越明显；当收发站距离和接收主指向达到一定条件时，接收站没有回波信号；同时还对同一主指向、不同距离情况下最小时延线，以及最小时延线上地面散射单元夹角的变化规律进行了分析，这些特性对开展电离层侧向散射布站具有重要的指导意义。

返回散射；电离层探测；侧向散射；电离图

0 引 言

电离层是天波超视距传播系统的传输媒质，因此电离层的研究对天波超视距传播的研究具有重要的意义。目前，对电离层比较成熟的探测手段有垂直探测、斜向探测和返回散射探测［1－3］，垂直探测是探测垂测站上空的电离层状态，斜向探测是实现收发站间的电离层探测，返回散射可以实现点对面的探测，这三种探测技术各有特点，对电离层的研究有着不可替代的作用，为认识电离层的特性提供了有效的途径。但是电离层特性复杂，侧向散射探测作为一种新的电离层探测手段，为电离层的进一步研究开辟了新的途径。

侧向散射可以看作广义的返回散射。返回散射的接收发射可以看作是同一点，但是侧向散射的接收点没有这样的约束。侧向散射的实现过程为发射站发出的无线电波经电离层反射到远方地（海）面，后经地（海）面散射，发生非后向散射的“侧向”传播，再次经电离层反射到达远离发射站的地方被接收到［4－6］。

目前，国内外关于侧向散射方面的研究报道还比较少，主要研究有合成侧向散射电离图［7］；文献［8］开展侧向散射探测试验，并在国内首次获得了侧向散射信号的群距离－多普勒谱图、侧向散射扫频电离图；文献［6］利用三维数字射线追踪技术，合成了多模传播模式下不同接收波束指向下的侧向散射扫频电离图，分析了最小时延线、不同地面距离最大可用频率（MUF）等参数的变化规律。侧向散射对电离层的研究具有重要的意义，欲对其深入研究，实际试验是必不可少的。因此对收发站的布站仿真研究是必须的。

研究中对F层传播模式下，发射天线全向，不同接收天线主指向、不同收发地面距离的侧向散射进行了仿真，并对侧向特性进行了分析，为实际开展电离层侧向散射的实验研究的布站提供了重要的参考依据。

1 仿真方法

1.1 电离层模型与射线追踪

电离层模型比较复杂，考虑到对侧向散射的研究还处在初步阶段，先对某一层的特性进行详细的研究，进而推广到多层特性的研究中。在研究中，采用分段准抛物（QPS）电离层模型，只考虑一层电离层（F层）的情况，设电离层的参数为临频为6MHz，底高180 km，半厚80 km。

射线追踪是研究高频电波在电离层中传播的重要手段之一，主要包括解析射线追踪和数字射线追踪。解析射线追踪虽然计算速度快，但忽略了地磁场的影响，并且一般只考虑电离层球形对称的情况，而数字射线追踪不存在该问题［10，11］。研究中射线追踪采用数字射线追踪。

射线追踪详细实现方式可参考文献［6－11］。

1.2 回波能量

侧向散射中，接收信号包括收发站间的斜测信号和侧向散射信号两部分［6］。

侧向散射相对复杂一些，侧向散射信号信噪比SNRss为

式中，Pav为平均发射功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；λ为无线电波波长；R1为发射站到散射单元的几何距离；La1为相应路径电离层吸收损耗；R2为散射单元到接收站的几何距离；La2为相应路径电离层吸收损耗；La为电离层吸收损耗；Ls为系统损耗；k为玻尔兹曼常数；T0为接收站等效噪声温度；Fa为噪声因子；kT0Fa为每赫兹外噪声功率；B为信号带宽；τ为线性调频脉冲宽度，M为相干积累次数。

电离层吸收损耗公式的计算［6］，考虑时间为2011年6月某天上午9点（北京时），仿真中需要的参数取值为太阳黑子数12个月的流动平均值R12＝53，太阳视赤纬月中值Sx＝－0.035 5，世界时ty＝1，磁旋频率fH＝1MHz。

2 特性分析

2.1 接收天线指向对电离图的影响

发射站在接收站北偏东约41°方向上，收发站相距RT＝1 496 km，发射功率为Pav＝50 kW，发射天线为全向天线，Gt＝11.5 dB。接收天线增益为某天线的实测数据，天线增益随方位角和仰角的变化而变化，在方位上以180°成对称分布。

接收天线主波束宽度为20°，分别对主波束指向60°、90°、120°、150°、180°和221°（以正北方向为基准，顺时针旋转）的进行仿真，侧向散射扫频图如图1所示。

由图1可知，来波覆盖区先增大后减小，在接收天线主指向为110°时，来波覆盖区达到最大。随着接收波束指向的增大最小时延线与最大功率线（每个频率上能量最大的群距离连线）逐渐靠近。在接收波束指向为221°（即在收发连线上，但是背向发射站）时最小时延线与最大功率线几乎重合。

图1 不同主指向下的侧向扫频电离图

不同主指向时最小时延线与最小时延线上散射单元对应夹角（散射单元到收发站之间的夹角，简称“夹角”）的变化情况，如图2所示。从图中可以看出：频率在5～8.6 MHz时，最小时延线上的群距离随着主指向角度的增大而增大，同一接收天线主指向下，最小时延线上的群距离随着频率的增大呈递增趋势，主指向为60°时群距离变化比较缓慢；同时，最小时延线上散射单元对应夹角随着主指向的增大而减小，随着频率的增大呈递减趋势，主指向为60°时，变化比较平稳。当频率大于8.6MHz时最小时延线上的群距离和最小时延线上散射单元对应夹角在主指向为60°时会出现陡变现象，其他主指向时为缓慢变化。

2.2 收发站间距对电离图的影响

收发站方位不变，发射站位置不变，接收站位置改变，使收发距离为0.5RT和2RT（RT表示收发站间的距离），接收天线主指向为60°、120°和180°时的侧向散射扫频电离图如图3所示。

从图中可以看出，主指向180°，收发距离2RT时没有回波。这是由于收发距离比较大，在接受波束范围内没有到达接收点的回波，这些特性对侧向散射实际试验的布站具有很重要的指导意义。接收天线主指向相同时，随着收发站距离的增大，群距离覆盖范减小，相应群距离上的信号能量变弱。

接收天线指向相同，收发站距离不同时最小时延线比较如图4所示，可以看出，当主指向为60°时，不同地面距离的最小时延线，在起始频率处都比较平稳，收发距离越远这种现象越明显，有这种现象的最大频率也越来越大。当主指向为120°时，最小时延线除了起始位置不同外，曲线变化非常类似。在高频处不同主指向的最小时延线重合。

图2 最小时延线与最小时延线上散射单元对应夹角

图3 不同收发距离不同天线指向侧向散射扫频电离图比较

不同指向、不同收发距离的最小时延线散射单元夹角比较如图5所示，主指向为60°时，在开始频率时，夹角比较大，达到某一频率后迅速下降，收发地面距离越大，陡变时的频率就越大，这与侧向散射的特有特性相关。由图可知，同一主指向下，最小时延线散射单元夹角都随着距离的增大而增大，不同主指向下有各自的变化规律。

图4 不同主指向不同收发距离时的最小时延线比较

图5 不同主指向不同收发距离时的最小时延线散射单元对应夹角

2.3 特殊现象成因分析

由图1和图3可知，在本研究假设的仿真条件不同距离情况下，接收天线主指向为60°时扫频电离图与其他主指向在低频处是有差别的。不同距离情况下接收天线60°指向时的侧向散射扫频图如图8所示。

由图6可知在低频处扫频图前沿有一定的平坦区域并且变化缓慢，还会出现在某些频率上群距离不连续的现象，频点上的群距离随着频率的增大由连续变为不连续后又连续。在距离为0.5RT和RT时高频处与返回散射有相似的前沿变化趋，而收发站为2RT时与返回散射存在明显不同。上述两种现象都是返回散射所不具有的特性。

图6 各个距离下60°指向时的扫频图

下文根据扫频图上的特殊频点的散射点分布对上述现象进行分析。侧向散射的扫频范围是5～21.6 MHz，根据不同距离情况下的扫频图特性，在每个扫频图上选取了4个特殊频点，表1。不同收发间距的侧向散射扫频图特殊频点上的散射点分布，如图7所示，其中，接收天线主指向为60°；接收波束宽度为20°；横坐标为经度，纵坐标为纬度；上面的点表示发射点，下面的点表示接收点。

表1 不同收发间距扫频图上特殊频点取值

第一个频点为扫频的初始频率5 MHz，由于接收波束宽度相同，同时不受收发站盲区的影响，此时，不同收发间距上的散射区域形状类似。

第二个频点选取扫频图平坦区域的频点。散射点分布相比于第一个频点区域减小，这是由于在此频点下，收发站的盲区足够大到影响散射点区域。随着频率的增大收发站的盲区也不断增大。

研究中设收发两站的电离层参数相同，所以盲区大小相同。

第三个频点是侧向散射扫频图上群距离不连续的频点；在此频点下，散射点区域不连续。可见在此仿真条件下，射区域不连续时扫频图上的群距离也会不连续。

图7 不同收发站距离扫频图特殊频点的散射点分布图

第四个频点选取的是群距离经过不连续频点后，又连续的频点。根据获取的扫频图的特点，收发距离为0.5RT和RT时的扫频图选取的是前沿与返回散射有相似变化趋势的频点，2RT时选取的是扫频图平坦区域尾部的频点。

在第四个频点上，散射区域连续但不同距离上散射区域的位置与收发站间的关系不同。0.5RT和RT距离时散射点区域靠近发射点，远离接收站，散射区域不受接收站点盲区扩大的影响，只受发射点盲区扩大的影响，此时形成的扫频电离图的变化趋势与返回散射类似。在2RT距离时散射区域在收发站连线间偏右下方。散射区域同时受收发两站盲区的扩大的影响，此时形成的扫频电离图的变化趋势与返回散射扫频电离图不同，是比较平坦的前沿的延伸。

由各个距离上的第四个频点和2RT距离时的第三个频点可知，不同区域的散射点在扫频图上表现的特性是不同的。由图（7a）和（7b）的第四个频点可以看出，随着频率的增大，当散射区域只受发射点盲区扩大的影响时，形成的扫频电离图与返回散射类似；由图7（c）的第四个频点可以看出，当散射区域受收发两站的盲区扩大影响，但是散射区域在收发站之间时，形成的扫频图群距离较小，前沿变化很缓慢，在这些散射区域的散射点到接收站和发射站的地面距离有相交区域。

3 结 语

研究中对单模传播模式下不同接收天线主指向、不同收发地面距离的电离层侧向散射扫频图进行了仿真。对同一接收天线主指向，不同距离情况下最小时延线，以及最小时延线对应的地面散射单元夹角的变化规律进行了分析。当收发站距离为2RT且接收主指向为180°时，接收站没有回波信号。当接收主指向为60°时扫频图会出现与返回散射不同的特性即在低频处前沿变化非常缓慢，随着收发距离的增大这种特性越明显，而且还会出现某一频率下群距离不连续的现象，这些现象都是由于散射区域与收发站的说位置区域决定的，当散射区域受收发两站的影响时就会出现前沿变化缓慢的现象，当散射区域不连续时就会出现群距离不连续的现象，如果散射区域只受发射站的影响，则扫频图变化与返回散射相似。侧向散射探测作为近几年新兴的电离层探测技术，国内外研究还比较少，研究也只对特定的假设仿真条件下的扫频特性进行了分析，得出一些有借鉴性的参数变化规律，这些特性对开展侧向散射实际试验的布站具有一定的指导意义。

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郭文玲（1986—），女，山东人，工程师，主要研究方向为电离层电波传播、雷达信号处理等；

E+mail：wenling_869＠126.com

蔚 娜（1981—），女，山东人，博士，高级工程师，主要研究方向为雷达信号处理和电波传播；

李 雪（1981—），男，黑龙江人，博士／高级工程师，主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理、电波传播等工作；

李吉宁（1982—），男，山东人，工程师，目前主要研究方向为高频超视距雷达、雷达信号处理和电波传播；

鲁转侠（1978—），女，陕西兴平人，工程师，主要研究方向为天波斜向探测电离层图数值分析、模拟、判读和电离层回波信号处理等。

The Characteristics Analysis of Scattering Side Ionosphere in Single-M ode Propagation M ode

GUOWen+ling，WEINa，LIXue，LI Ji+ning，LU Zhuan+xia
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Shandong Qingdao 266107，China）

In order to study the ionosphere side scatter distribution station problems，a simulation is carried out.Forthe station distribution in specific orientation of transceiver，an angle+mode propagation mode and side scatter simulations are carried out in different receiving antenna main point and different transceiver ground distance.The results show that when the main point of the receiving antenna is 60°（angle from true north direction），The side scatter diagram will appear different characteristics with backscatter.At low frequencies the change of forefront is slow.The discontinuity of group distance will appear.This feature becomesmore obvious as the receiving distance increasing，or themain point angle decreasing.There is no echo signal in receive station，when the transceiver distance and themain point reach a certain conditions.The variation of theminimum delay line and the scattering angle in the ground line of the minimum delay in the same main point and different transceiver station are analyzed. These characteristics are of great significance in guiding the conduct ionospheric side scatter distribution station.

backbcatter；ionosphericsounding；side scatter；ionogram

TN011

：A

：1673+5692（2014）06+629+06

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.015

2014+10+13

2014+11+15

国家自然科学基金（61032011，61302006）；国防技术基础（H132013D003）；中国电子科技集团公司创新基金（JJ+QN+2013+28）。