短波大气噪声的数值计算方法

    0 引言

    在设计短波通信线路方案、评估短波通信质量或分析短波超视距雷达的噪声环境时，自然界的噪声尤其是大气无线电噪声（简称大气噪声）是计算接收信噪比必须要考虑的因素。大气噪声主要由雷电引起，其传播受电离层影响很大，其强度随频率、时间、季节、地理位置及气候的改变而变化。因此，在工程应用中通常都是以统计形式取其季时段中值来进行计算。

    当前，工程上计算大气噪声的主要方法和依据是CCIR322 报告及 ITU P.372-8 推荐书所提供的一套全球大气噪声分布图，通过人工查图的方式估算出大气噪声计算公式中的各种参数[1-2]，这种方法的计算效率显然极其低下且容易出错。因此，实现大气噪声的编程计算一直是工程上需要解决的问题。当前，关于这个问题的研究文献所见甚少，文献[3]简单地给出了短波大气噪声若干系数的计算公式，没有给出详细的计算过程和结果。

    根据美国国家电信和信息管理局（NTIA）85-173 报告所提供的大量数据[4]，采用傅里叶正弦级数和多项式插值的数值方法来计算任意地点、季节和时间段内的大气噪声中值，并开发出相应的计算程序，极大地提高了大气噪声的计算效率和准确度，具有重要的工程应用价值。

    1 大气噪声的工程计算方法

    大气噪声功率nP （dBW）的计算公式为[1]：

10lg 204n aP = F + B− ， （1）

    式(1)中，B为接收机的有效噪声带宽，单位为Hz；aF 为天线接收的有效大气噪声系数，单位为dB，是计算大气噪声的关键所在，aF 可表示为：

    其中，amF 为aF 的时区中值，表示在50％的时间范围内aF 不大于amF ，随频率变化而变化；uD 为aF 上十分值和amF 的差值，表示在90％的时间范围内aF 不大于am uF + D；Famσ 和Duσ 分别为amF 和uD 的标准偏差，反映了amF 和uD 随机变化的情况。式（2）计算所得的aF ，实际是指90％的时间内可能出现的有效天线噪声系数的最大值。文献[5]给出了上述各参数的详细推导过程。

    以人工查图方式计算大气噪声时主要是根据地点、季节和时间从全球大气噪声分布图上估算出amF 、uD 、Famσ 和Duσ 的值后再代入式（2）进行计算。全球大气噪声分布图是用统一的标准仪器（参考天线是一个理想导电面上的短垂直单极子），在全球建立的 27 个观测站测量的大气噪声数据基础上，考虑长期气象、气候及雷电活动规律，于世界地图上绘制的amF 等值线分布图，由四个季节、六个时间段（从零时起每四小时为一个时间段），共 72 张算图组成，每 3 张图为一组，分别为( )am1 MHzF 的全球分布图、amF 的频率分布图和uD 、Famσ 和Duσ 等参数的频率分布图，反映一个季节、一个时间段内的大气噪声状况，其中，am(1 MHz)F 表示“以 1 MHz为参考频率的有效天线噪声系数中值”，用于估算amF ，实现am(1 MHz)F 的数值计算是计算大气噪声的基础和关键。