[科普中国]-电离层散射通信

电离层散射通信(ionospheric scatter commu-nication)无线电通信的一种方式，即利用电离层对电磁波的散射作用进行的远距离无线电通信。

电离层散射通信是利用85～100km高度的电离层作作散射通信，其特点是不受电离层扰动的影响，尤其适合高纬度和跨极光区的通信。可用频率为40～50MHz。通信容量类似短波通信，只能通一个话路。其设备十分庞大，费用昂贵，很少使用。

散射通信散射通信是指利用对流层及电离层中的不均匀性对电磁波产生的散射作用，进行的超视距通信。分电离层散射通信，对流层散射通信和流星余迹通信。经过散射的电波能量向多个方向发送，在超视距远方接收点的信号能量将很微弱并有衰落现象，因此在散射通信系统中需要大功率发射机、高增益天线和高灵敏度接收机，并采用分集接收方式。

历史20世纪50年代初，美国提出了建立对流层散射通信系统的设想，并于50年代中建立了对流层散射通信电路。中国于50年代中期开始研究对流层散射传播问题，60年代初研制模拟对流层散射设备，70年代开始研制数字对流层散射设备，并陆续建站投入使用。20世纪60年代初，美国建立了电离层散射通信电路。但由于电离层散射通信的容量很小，发射功率却要求很大，因而限制了它的发展和应用。

定义散射通信是一种超视距的通信手段，它利用空中介质对电磁波的散射作用，在两地间进行通信。对流层、电离层、流星余迹、人造散射物体等都具有散射电磁波的性质。如果发射机发出的电磁波辐射到这些地方，就会向各个方向散乱地辐射出去，其中朝斜前方向射去的电磁波能达很远的地方。远处的接收机，如果有足够高的灵敏度，就能将散射来的微弱电磁波接收下来，从而实现通信。

特点由于散射通信中电磁波传输损耗很大，到达接收端的信号很微弱，为了实现可靠的通信，一般要采用大功率发射机，高灵敏度接收机和高增益、窄波束的天线。

利用大气层中传播媒介的不均匀性对无线电波的散射作用进行的超视距通信。根据散射媒质的不同，散射通信一般分为对流层散射通信和电离层散射通信。通常所说的散射通信大多是指对流层散射通信。

在对流层中由于大气的湍流运动产生了具有各不相同的介电常数的湍流团，当无线电波照射到这些不均匀的湍流团时，就在每一个不均匀体上感应电流，成为二次辐射体，从而向各个方向发出该频率的二次辐射波，这就是散射现象。对流层散射通信就是利用这种现象而实现的超视距无线电通信。由于对流层散射现象在200～8000兆赫频段比较显著，所以对流层散射通信主要工作在这个频段内。

并且散射通信可以进行超视距通信，距离100～300km，容量为十数路至数十路；不受核爆炸、太阳黑子、磁暴和极光等影响。可跨越海湾、无人烟地区；保密性强，稳定可靠，具有一定抗毁性；便于机动应急架设。在军事通信中广泛应用。1

电离层电离层是地球大气层被太阳射线电离的部分，它是地球磁层的内界。由于它影响到无线电波的传播，它有非常重要的实际意义。

地球物理地球大气层最下面的一层是对流层，它从地面延伸到约10公里的高处。10公里以上为平流层，再向上为中间层。在约80公里以上的增温层大气已经非常稀薄，在这里阳光中的紫外线和X射线可以使得空气分子电离，自由的电子在与正电荷的离子合并前可以短暂地自由活动，这样在这个高度造成一个等离子体。在这里自由电子的数量足以影响电波的传播。

在电离层中阳光电离大气分子与离子重新捕获自由电子的过程平衡。一般来说高度越高，大气越稀薄，则电离过程越占上风。不过电离层的特性还随许多其它因素影响。

电离过程的主力是太阳活动。电离层内电离度主要由获得的太阳辐射所影响。因此电离层随周日和季节（冬季半球远离太阳，因此受到的辐射比较少）而变化。太阳活动主要随太阳黑子周期而变化。一般来说太阳表面黑子越多，太阳活动越强烈。除此以外随地球表面纬度的不同当地受到的太阳辐射强度也不同。耀斑和太阳风中的带电粒子可以与地球磁场相互作用，导致对电离层的扰乱。2

分层太阳辐射对不同高度不同成分的空气分子电离造成电离层不同的分层。

D层是电离层最低的一层，离地球表面50至100公里。这里主要是波长为121.5纳米的来曼-α氢光谱线的光电离一氧化氮。在太阳活动非常强烈时（超过50个黑子），硬X射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。夜间宇宙射线造成一个剩余电离。这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，从而它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒1000万次。10MHz以下的电波会被D层吸收，随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低，中午最高。日落后这个层减弱非常大。D层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。

E层是中层，在地面上100至150公里。这里的电离主要是软X射线和远紫外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于10MHz的电波，对频率高于10MHz的电波它有吸收的作用。E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。夜间E层开始消失，因为造成电离的辐射消失了，由于捕获在低处比较强，因此其高度开始上升。高空周日变化的风对E层也有一定影响。随着夜间E层的升高，电波可以被反射到更加远的地方。

ES层也被称为偶现E层。它是小的、强烈电离的云，它可以反射频率在25至225MHz之间的电波。偶现E层可以持续数分钟到数小时不等，其形成原因可能有多种，而且还在研究中。夏季偶现E层出现得比较多，持续时间一般也比冬季长。电波的反射距离一般为1000公里左右。

F层在地面以上150至超过500公里。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长10至100纳米）电离单原子氧。F层对于电波传播来说是最重要的层。夜间F层合并为一个层，白天分为F1和F2两个层。大多数无线电波天波传送是F层形成的。在白天F层是电离层反射率最高的层。

无线电应用电离层被用来反射和传送高频无线电信号。反射后的信号回到地球表面，可以再次被反射到电离层。

电波可以使得电离层里的自由电子以同样的频率振荡。若此时自由电子被捕获的话，则电波中的部分能量会消失。

假如电离层内自由电子的碰撞频率小于电波频率，且自由电子密度够高，则电波能够有全反射的现象。

当电波频率高于电离层内的等离子频率时，会因电子运动不够快而使得电波得以穿透电离层。在电波频率小于临界频率时，电离层可以垂直反射无线电波：

N是每立方厘米电子密度，fo是频率（单位为MHz）。

最高可用频率（MUF, Maximum Usable Frequency）是在一定时间内，可以在两点之间传送信号的频率上限。

I是波与水平线之间的角度。

其它应用近年台湾国立中央大学太空科学研究所刘正彦教授等人的研究显示，规模五以上的地震在发生前至少超过七成震中上空的电离层都曾突然变稀薄；规模六以上强烈地震更高达九成都会在震前出现电离层异常扰动。故如当下判断某区电离层突然变稀薄非由太阳黑子等外来活动引起时，则可能是由于地球板块挤压累积能量所致，故应可利用电离层异常扰动现象作为地震预警的重要参考，让政府为可能将到来的大地震预作准备，不过这样的论点仍有争议。3

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学