2009年7月22日日食期间VLF信号相位和场强的观测和分析

张世田，陈林如，王元新



2009年7月22日日食期间VLF信号相位和场强的观测和分析

张世田，陈林如，王元新

（中国电波传播研究所青岛分所，青岛 266071）

2009年7月22日日食期间，分别在重庆、桂林和青岛利用阿尔法场强与相位监测仪观测了来自俄罗斯阿尔法导航系统位于Novosibirsk、Krasnodar和Khabarovsk 的3个发射台3个频率的甚低频信号，并对实验数据进行了分析。通过建立日食期间的电离层模型，结合实际传播路径地面电磁参数，推测全食区低电离层的等效高度；给出经不同路径传播的VLF（甚低频）信号相位突变与日食发生时刻的关系及原因；分析了日食期间经不同路径传播的VLF信号的场强起伏变化，发现场强变化滞后于相位变化这一现象。

甚低频(VLF)异常传播；日食；传播相位；阿尔法导航系统

日食期间是进行某些科学观测的绝好时机。基于日食期间的观测，可以进行日地关系方面的课题研究，包括太阳对电离层的控制作用的研究。2009年7月22日，在我国西起西藏、东至浙江的广泛区域出现了日全食。此次日全食在我国覆盖范围广、可观测时间长，除了全食带，我国很多地区处于偏食区。国内很多单位在日食期间组织安排了相关观测。

为了深入研究日食对电离层的影响，中国电波传播研究所对此次日食进行了较大规模的电离层加密观测。作者课题组承担了利用阿尔法场强与相位监测仪分别在重庆（106.26oN，29.68oE），桂林（109.94oN，25.39oE）及青岛（120.31oN，36.13oE）监测来自俄罗斯阿尔法导航系统位于新西伯利亚发射台（Novosibirsk，俗称主台，84.43oE，55.75oN），克拉斯诺达尔发射台（Krasnodar，俗称西副台，38.16oE，45.41oN）和哈巴罗夫斯克发射台（Khabarovsk，俗称东副台，136.61oE，50.07oN）这3个台的3个频率的VLF（甚低频）导航信号在日食期间相位和场强变化的任务，获得了完整的实测数据。据此数据分析了日食期间我国上空低电离层的等效高度的变化；研究了日食发生与VLF信号相位变化的关系及其原因；还分析了日食期间VLF信号场强起伏量及场强变化与日食的关系。

1 信号传播路径及导航信号发射顺序

2009年7月22日我国见食区、发射台、观测站分布和信号传播路径等情况如图1所示。

图1 日食带、发射台、观测站分布和信号传播路径

日食刚发生时，太阳光照强度减弱，当地上空低电离层电子密度降低，低电离层等效高度升高。当日全食发生时，光照被完全遮蔽，低电离层等效高度上升到最大高度，生光后低电离层等效高度连续下降，直至回到正常高度为止。日食期间信号传播路径和低电离层等效高度示意于图2。

为了全面地研究日食期间传播的甚低频（VLF）信号相位和场强的变化，选取重庆、桂林和青岛3地作为观测点，每个观测点可以接收3条电波传播路径上各3个频率的甚低频信号。发射台到重庆观测点的电波传播路径穿过偏食区止于全食带；发射台到桂林观测点的电波传播路径穿过偏食区及全食带后止于偏食区；发射台到青岛观测点的电波传播路径仅位于偏食区内。

实测所用的甚低频信号场强和相位接收设备为“CJA-1阿尔法场强与相位监测仪”，该设备可同时接收3个发射台发射的3个频率的电波信号，具有较高的相位测量和场强测量的精度。

图2 日食期间信号传播路径和低电离层等效高度示意图

3个发射台（主台、东副台、西副台）的信号发射顺序（发射周期3.6 s）如图3所示。

图3 信号发射顺序

注：1=11.905 kHz，2=12.649 kHz，3=14.881 kHz

在每个观测点利用阿尔法场强与相位监测仪可以同时观测东副台、主台和西副台发射的3个频率信号的相位和场强。

2 VLF电波传播原理

当不考虑沿路径上可能发生的“模转换”影响时[1-2]，VLF电波传播路径上的电场强度分量[3]可以表示为

式（2）中，

由于低电离层等效高度的变化，场强将产生起伏，场强起伏标准偏差估计[4]公式

式（4）中

3 实验数据分析

3.1 主台到观测点的相位变化

各观测点及主台的见食时刻如表1所示，表中时间为北京时间。主台至各观测点的传播路径的初亏时刻就是各观测点初亏时刻，日食复圆时，日食阴影已完全扫过整条传播路径。图4，图5和图6分别为在重庆、桂林和青岛3地接收到的主台信号的相位变化曲线，其相位初亏时刻、相位复原时刻、最大相位突变时刻和相位最大突变量总结于表2中。

表1 观测点及主台见食时刻 （hh:mm）

图5 主台—桂林传播信号的相位（信号频率12.649 kHz）

图6 主台—青岛传播信号的相位（信号频率12.649 kHz）

表2 日食期间主台信号相位变化情况

对比表1和表2，可以看出（以观测点重庆为例）：相位初亏时刻08:30迟于光学初亏时刻08:07，但早于光学食甚时刻09:15；相位复原时刻10:20早于光学复圆时刻10:32；最大相位突变时刻09:22出现在光学食甚（或生光）之后。在桂林和青岛的观测也得出了类似的结果。

相位初亏迟于观测点光学初亏，这主要是：当各观测点发生光学初亏时，电离层变化比较缓慢，对相位的影响比较小，随着时间的推移，电离层变化加剧，等效高度明显升高，此时，传播相位发生明显变化，出现相位初亏。

相位复原早于观测点光学复圆时刻，这主要是各观测点光学复圆时，日食阴影已完全扫过整条传播路径。在接近各观测点光学复圆时刻时，电离层对传播相位的影响渐渐恢复正常，传播相位基本恢复正常，相位复原。

3.2 东副台到观测点的相位变化

各观测点及东副台的见食时刻如表3所示。就东副台而言，各观测点初亏时刻即为东副台至各观测点的传播路径的初亏时刻，但观测点日食复圆时，日食阴影并没有完全扫过整条传播路径，东副台仍位于日食阴影中。图7和图8分别是在重庆和桂林接收到的东副台信号的相位变化曲线，其相位初亏时刻、相位复原时刻、最大相位突变时刻和相位最大突变量总结于表4。

表3 观测点及东副台见食表 （hh:mm）

图8 东副台—桂林传播信号的相位（信号频率11.905 kHz）

表4 日食期间东副台相位变化情况

对比表3、表4可以看出（以重庆为例，其他观测点得到类似的观测结果）：相位初亏时刻08:40迟于光学初亏时刻08:07，相位复原时刻10:37早于日食阴影扫过东副台时刻10:53，最大相位突变时刻09:37出现在光学食甚（或生光）时刻09:15之后，这与主台到各观测点相位突变现象一致，其原因亦相同。

3.3 西副台到观测点的相位变化

西副台到各观测点的传播路径较长（大于6 060 km），且大部分的路径都在日食区内。各观测点初亏时刻基本上亦是各传播路径的初亏时刻，日食复圆时，日食阴影已完全扫过传播路径。图9，图10和图11分别为在重庆、桂林及青岛接收到的西副台信号的相位变化曲线，其相位初亏时刻，相位复原时刻，最大相位突变时刻和相位最大突变量总结于表5。

图9 西副台—重庆传播信号的相位（信号频率12.649 kHz）

图10 西副台—桂林传播信号的相位（信号频率12.649 kHz）

图11 西副台—青岛传播信号的相位（信号频率12.649 kHz）

表5 日食期间西副台信号相位变化情况

由图9至图11可以看出，日食期间相位发生变化，但由于传播路径较长，各阶波模中主要是基模起作用，故相位只是缓变。

对比表1、表5可以看出（以重庆为例，其他观测点得到类似结果）：相位初亏时刻06:54远早于光学初亏时刻08:07，提前2 h左右；相位复原时刻12:00远迟于光学复圆时刻10:32，滞后1.5 h左右，这一现象的原因有待进一步分析研究。

3.4 主台到观测点场强的变化

日食期间场强的起伏变化及场强变化时刻与日食时刻的关系在理论上很难给出，以前的日食观测也没有进行这方面的研究[5-6]。为了研究日食期间场强的变化，对其进行了观测，日食期间在桂林和青岛接收到的主台信号的场强变化情况分别如图12和图13所示。

图12 主台—桂林传播信号的场强（信号频率14.881 kHz）

图13 主台—青岛传播信号的场强（信号频率12.649 kHz）

由图12可以看出：在初亏时刻08:10之后，场强幅度逐渐增大；在复圆时刻10:36前后，场强幅度出现“快速日出”现象（场强迅速减小，继而增大）；场强在16:39迅速减小，出现“快速日落”现象（场强急剧减小到正常值）。

由图13可以看出：在初亏时刻08:22场强幅度没有明显变化，至10:51场强幅度有所增加；在复圆时刻10:57前后，场强幅度出现“快速日出”现象；场强在16:51迅速减小，出现“快速日落”现象。

日食期间各观测点接收到的东副台和西副台的信号场强变化不明显，基本上无变化。

3.5 日食对传播相位的影响分析

当传播路径比较短时，由于接收点与发射台的距离较近，除了基模以外还存在其他波模，因而日食期间会有明显的相位突变发生，但是相位突变与日食发生时刻并不一致。

当传播路径较长时，由于各阶波模中主要是基模起作用，所以相位变化较缓不发生突变。相位变化的时刻与日食发生的时刻相差比较大，这主要是因为整条传播路径低电离层等效高度发生变化需要较长时间所致。

为切实合理推测日食期间低电离层等效高度，本文采取了以下几项措施：

1）结合中国电波传播研究所地面导电率数据库[7]计算相速、激励因子相位等传播参数；

2）考虑激励因子相位的影响；

表6 日食期间低电离层等效高度和相位变化量的推算结果

3.6 日食对场强的影响分析

由图12和图13可以看出：日食期间场强变化不是很明显，但是恰在日食复圆时刻会出现“快速日出”现象，继而场强迅速增加，此时场强起伏标准偏差可以达到30~40 dB，而正常情况下，由（4）式推算可知场强起伏标准偏差为十几个dB，日食期间场强起伏标准偏差可达30~40 dB的现象将持续6h左右，此后恢复正常。通过对比图6和图13也可发现：电离层复原对传播相位的影响与对场强的影响并不一致，对场强的影响往往要晚一些、持续的时间更长一些，造成这一现象的原因不能简单地从低电离层等效高度变化方面解释，有待于进一步分析研究。

4 结语

由以上实验数据和分析得出以下结论：

1）日食对VLF传播相位的影响程度与传播路径有关：当传播路径比较短时，相位将发生突变；当传播路径较长时，相位缓慢变化不发生突变。相位的变化与日食带和传播路径交点处的初亏、食甚、复圆并不同步，路径越长现象越明显。这次实验中，日食期间相位变化量在1.52~7.12μs之间。

2）日食期间低电离层等效高度会明显升高，但是并不会升高到夜晚低电离层的等效高度，全食带低电离层等效高度为78 km左右，较白天低电离层等效高度（70 km左右）升高8 km左右。

3）当传播路径较短时，日食对甚低频信号场强影响明显，有30~40dB的起伏，但场强明显增大的时刻迟于日食复圆时刻，其变化与相位变化亦不同步，造成这一现象的原因有待进一步研究。

[1] WATT A D. VLF Radio Engineering[M]. New York: Pergamon Press in Oxford, 1967.

[2] 潘威炎. 长波超长波极长波传播[M]. 成都: 电子科技大学出版社, 2004.

[3] 田育庶, 潘威炎, 余远超. 甚低频(VLF)无线电系统电波场强与相位计算方法[S].

[4] 张世田, 陈恩平, 王元新, 等. 甚低频在多模干涉区的场强起伏标准偏差估计[J] . 电波科学学报, 2011, 26(2): 286-290.

[5] 赵协中.日食期间的甚低频传播效应[J]. 电波科学学报, 1990, 1(5): 23-31.

[6] 刘万通. VLF相位突然异常与太阳x射线事件相关性的分析[J]. 空间科学学报, 1987, 3(7): 185-189.

[7] ITU-R.ITU-R Rec. 832. World atlas of ground conductivities[S].USA: National Telecommunications and International Administration, 1982.

Observation and analysis of VLF phase/amplitudeduring a solar eclipse of July 22, 2009

ZHANG Shi-tian, CHEN Lin-ru, WANG Yuan-xin

(Qingdao Branch, Chinese Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266071, China)

The phase and field strength of VLF signals at three frequencies, which were transmitted from Novosibirsk, Krasnodar and Khabarovs stations of the Russian alpha hyperbolic navigational system, were measured with the alpha phase/field-strength monitor in Chongqing, Guilin and Qingdao respectively during a solar eclipse of July 22, 2009, and the measurements were analyzed. The ionospheric equivalent height in the total eclipse regions was derived by establishing the ionospheric model and considering the electromagnetic parameters for the propagation path. The relation between the sudden change in phase of VLF signal and the time when the solar eclipse took place were obtained for different propagation paths, and the cause of the relation were analyzed. Besides, the amplitude changes occurred during the solar eclipse for different propagation paths were analyzed and it was found that the phase change occurred earlier than the amplitude change.

VLF(very low frequency) abnormal propagation; eclipse; phase of propagation; Alpha navigation system

TN011

A

1674-0637(2011)01-0066-11

2010-11-13

国家重点实验室基金资助项目（9140C080405100C08）

张世田，男，硕士，高级工程师，主要从事电波传播、电磁散射与逆散射等研究。