大气噪声信号基本特征分析
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摘要：甚低频通信因其传播距离远、不易受干扰、穿透海水能力强等优良特性，在航海通信与导航、空间环境探测等诸多领域得到了广泛应用。而甚低频通信叠加的噪声成分主要是雷电产生的大气噪声。本文主要分析大气噪声产生的基本机理及噪声信号的基本特征，并给出了大气噪声的简单统计特性。
关键词：大气噪声;基本特征;统计特性
中图分类号：TNO11 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）05-0038-02
0 引言
甚低频（VLF）通信也称为甚长波通信，是指利用波长为100km至10km（频率为3-30kHz）的电磁波进行的无线电通信[1]。由于该波段的无线电波具有传播距离远、隐蔽性好、信号稳定等优点，因而甚低频通信在远距离导航、地球物理学研究等军用和民用领域应用较为广泛。另外，由于其具有一定海水穿透能力，因此成为各国海军进行海上远距离通信和水下通信的重要手段。
甚低频波段通信易受噪声影响，其主要来源是自然界雷暴产生的大气噪声。
1 大气噪声的定义和分布
甚低频通信中的大气噪声主要是由全球雷电的瞬时放电引起的，就其特征而言，它是由世界范围内的雷电瞬时放电并相互叠加产生的高斯白噪声背景下的脉冲型噪声[2]。它可视为由两部分组成：低幅度的背景噪声（可视为服从高斯分布）和高幅度的突发性脉冲噪声。前者主要包括分布于全世界范围内的大量雷暴产生的噪声叠加而成，后者则是信号接收机附近的脉冲噪声叠加形成，这些脉冲噪声聚集了绝大多数的噪聲能量。
大气噪声分布是一种统计分布，其往往呈现比较复杂的时间、地点和频率规律。就气候条件来看，赤道一带、东南亚、中美南美是世界三大雷电活动中心，可视为全球大气噪声的主要发源地。下面从时间、地理位置、频率三个角度分析噪声强度的影响因素。
时间因素影响雷雨活动性的变化以及雷电噪声源和信号接收机之间的位置，进而引起噪声幅度变化。CCIR（International Radio Consultative Committee）报告中指出，通常夏季雷雨天气较为频繁，噪声电平相对较大，冬季噪声电平较小[3]。对同一地点而言，昼夜不同噪声幅度大小也会有变化，有的地点昼夜变化可存在10-20dB的差异;就频率而言，在同一地理位置，噪声幅度随频率起伏较大，这是因为随着信号频率的变化，噪声的衰减率、激励模式以及传播路径都会有所变化。
2 大气噪声的产生机理
分析大气噪声的产生机理，有必要了解雷电的产生原因以及放电的过程。闪电是自然界大气中云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象[4]。当云内电荷聚集达到一定数量时，云内不同部分间或是云与地面之间就会形成很强的电场，云内外的大气层将被击穿，激发出耀眼的光芒，闪电因此产生。每次闪电过程，放电电流峰值大约在几百安至几千安之间，高峰时可达一兆安[5]。
雷电现象放电的全过程可简单概括为以下几个阶段：（1）在积雨云中产生带有正负电荷的静电，形成电荷中心;（2）预放电（先导放电），持续时间约为0.005至0.01秒;（3）主放电阶段，又称返回击穿，在主放电中，大地与雷云之间聚集起来的大量电荷将通过先导放电阶段开辟出来的狭小电离通道产生剧烈的电荷中和，产生强烈的光和热。在这一阶段，雷击点有高强度电流经过，过程很短;（4）多次击穿，平均放电数目为二至三次;（5）有时在两次击穿之间会有连续小电流存在，强度为500-1000A，这种电流持续时间非常短;（6）余辉放电阶段，在主放电阶段结束后，雷云中剩余的少量电荷将继续沿着主放电通道下移并流入大地，通道连续存在一定余辉。这一过程的放电电流仅数百安，持续时间相比其它过程较长，可达0.03-0.05s[6]。
3 大气噪声信号的统计特性
前文的分析中提到，大气噪声由背景高斯白噪声和脉冲噪声叠加形成，甚低频通信系统接收机收到的噪声信号由全球分布的雷电放电叠加而成。尽管无法给出大气噪声随时域和地域变化的准确数学表达式，但噪声信号场强的变化存在统计特性，可以通过实测各地不同时间的噪声统计数据，借助得到其幅度分布特性，并进一步建立大气噪声模型。这里仅从理论上加以分析。
大气噪声由背景高斯白噪声和脉冲噪声相加得来，因此，可以将大气噪声视为两个独立的随机过程之和[7]。可以用下式来表示：
式中，n（t）是总的大气噪声，w（t）是大气噪声中背景高斯白噪声成分，其均值为零，主要包括：（1）各地的闪电相互叠加构成的背景噪声;（2）甚低频接收机内部各部分电路产生的噪声;对较为特殊的潜艇甚低频收信（军用）而言，还包括：（3）潜艇行驶过程中天线与地面电磁场产生的噪声;（4）电力线噪声及潜艇内部机械噪声等。这些所有分量的叠加构成背景噪声。p（t）为尖峰脉冲噪声，是接收机附近雷电产生的无穷多个窄脉冲的叠加，可以表示为：
式中，……为脉冲噪声的随机振幅，……为随机时延，序列与n（t）相互独立。
由于篇幅所限，对大气噪声的统计分布规律不再具体展开分析。
4 结语
大气噪声是由世界各地雷电现象引起的以高斯噪声为背景的尖峰脉冲噪声，它是影响甚低频通信的重要因素。本文介绍了大气噪声的特征以及影响大气噪声的几个因素，详细分析了大气噪声的产生机理及噪声信号的基本特征，为进一步研究大气噪声抑制方法，提高甚低频通信可靠性奠定了基础。
参考文献
[1] 刘翠海，温东，史伟.潜艇通信[M].海潮出版社，2013.
[2] 施意.张爽.张昕.大气噪声对甚低频通信系统干扰仿真分析[J].通信技术，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] 罗霞.雷暴云电结构和气象参数及卫星雷达资料与闪电关系初探[D].南京信息工程大学大气物理学与大气环境专业，2006.
[5] 许玲，靳致文，王西乾.SLF/ULF大气噪声谱密度全球分布预测[J].电波科学学报，2010（4）：773-778+814.
[6] 蒋宇中，应文威，张曙霞，等.超低频非高斯噪声模型及应用[M].北京：国防工业出版社，2014：6.
[7] 张文娟，王永斌，付天晖.甚低频/低频通信中大气噪声仿真研究[J].舰船电子工程，2006，26（6）：123-126.
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