王伯松　溫東　劉翠海

摘要：甚低頻通信因其傳播距離遠(yuǎn)、不易受干擾、穿透海水能力強(qiáng)等優(yōu)良特性，在航海通信與導(dǎo)航、空間環(huán)境探測(cè)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(jī)理及噪聲信號(hào)的基本特征，并給出了大氣噪聲的簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)特性。

關(guān)鍵詞：大氣噪聲;基本特征;統(tǒng)計(jì)特性

中圖分類號(hào)：TNO11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0038-02

0 引言

甚低頻（VLF）通信也稱為甚長(zhǎng)波通信，是指利用波長(zhǎng)為100km至10km（頻率為3-30kHz）的電磁波進(jìn)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(yuǎn)、隱蔽性好、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而甚低頻通信在遠(yuǎn)距離導(dǎo)航、地球物理學(xué)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(guó)海軍進(jìn)行海上遠(yuǎn)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(shí)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(shí)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(hào)接收機(jī)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(jì)分布，其往往呈現(xiàn)比較復(fù)雜的時(shí)間、地點(diǎn)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(dòng)中心，可視為全球大氣噪聲的主要發(fā)源地。下面從時(shí)間、地理位置、頻率三個(gè)角度分析噪聲強(qiáng)度的影響因素。

時(shí)間因素影響雷雨活動(dòng)性的變化以及雷電噪聲源和信號(hào)接收機(jī)之間的位置，進(jìn)而引起噪聲幅度變化。CCIR（International Radio Consultative Committee）報(bào)告中指出，通常夏季雷雨天氣較為頻繁，噪聲電平相對(duì)較大，冬季噪聲電平較小[3]。對(duì)同一地點(diǎn)而言，晝夜不同噪聲幅度大小也會(huì)有變化，有的地點(diǎn)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?yàn)殡S著信號(hào)頻率的變化，噪聲的衰減率、激勵(lì)模式以及傳播路徑都會(huì)有所變化。

2 大氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理

分析大氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)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(qiáng)烈放電現(xiàn)象[4]。當(dāng)云內(nèi)電荷聚集達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，云內(nèi)不同部分間或是云與地面之間就會(huì)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，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(shí)可達(dá)一兆安[5]。

雷電現(xiàn)象放電的全過程可簡(jiǎn)單概括為以下幾個(gè)階段：（1）在積雨云中產(chǎn)生帶有正負(fù)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(shí)間約為0.005至0.01秒;（3）主放電階段，又稱返回?fù)舸谥鞣烹娭?，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(qiáng)烈的光和熱。在這一階段，雷擊點(diǎn)有高強(qiáng)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(shí)在兩次擊穿之間會(huì)有連續(xù)小電流存在，強(qiáng)度為500-1000A，這種電流持續(xù)時(shí)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(shí)間相比其它過程較長(zhǎng)，可達(dá)0.03-0.05s[6]。

3 大氣噪聲信號(hào)的統(tǒng)計(jì)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(jī)收到的噪聲信號(hào)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(shí)域和地域變化的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)式，但噪聲信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的變化存在統(tǒng)計(jì)特性，可以通過實(shí)測(cè)各地不同時(shí)間的噪聲統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，借助得到其幅度分布特性，并進(jìn)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(gè)獨(dú)立的隨機(jī)過程之和[7]?？梢杂孟率絹肀硎荆?/p>

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(jī)內(nèi)部各部分電路產(chǎn)生的噪聲;對(duì)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(chǎng)產(chǎn)生的噪聲;（4）電力線噪聲及潛艇內(nèi)部機(jī)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(jī)附近雷電產(chǎn)生的無窮多個(gè)窄脈沖的疊加，可以表示為：

式中，……為脈沖噪聲的隨機(jī)振幅，……為隨機(jī)時(shí)延，序列與n（t）相互獨(dú)立。

由于篇幅所限，對(duì)大氣噪聲的統(tǒng)計(jì)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(gè)因素，詳細(xì)分析了大氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及噪聲信號(hào)的基本特征，為進(jìn)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(xiàn)

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[4] 羅霞.雷暴云電結(jié)構(gòu)和氣象參數(shù)及衛(wèi)星雷達(dá)資料與閃電關(guān)系初探[D].南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)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(cè)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：773-778+814.

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[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.