NWC甚低频信号基础上日出效应的观测研究甚低频(VLF,VeryLowFrequency)波主要是指频率在3～30kHz的电磁波,这类波的波长范围为100～10km.甚低频波主要来源于两个方面:(1)自然界中一些自然现象辐射出的甚低频波,比如闪电放电(Parrotetal.,2008)、地磁暴和亚暴(Zhimaetal.,2014;Goldenetal.,2009)等;(2)人工发射台站发射的电磁波.甚低频波具有传播损耗小、传播距离远的特点,能够在由地球表面(海水、陆地)和低电离层构成的地球-电离层波导中实现长距离传播,同时甚低频波对海水、地表有着相对较高的趋肤深度,所以它被广泛用于航海导航、对潜通信等领域.除此之外,甚低频波还能产生明显的波粒相互作用效应(Nietal.,2008,2013,2019;Huaetal.,2020;Maetal.,2020);在经过电离层的反射后,甚低频波的幅度和相位会在一定程度上发生变化,通过对接收信号的解调便可以获得与电离层相关的参数,所以,甚低频信号也被广泛用于研究那些对电离层产生扰动的自然现象,比如太阳耀斑(KumarandKumar,2018;Šulietćal.,2016)、地震(YamaguchiandHayakawa,2015)、日食(Mauryaetal.,2014;Chakrabartietal.,2018)等.可见,研究甚低频信号对研究不同自然现象下电离层的变化情况具有十分重要的意义.日出是一种十分常见的自然现象,夜晚到白天的转变并非瞬间完成,而是存在一个特殊的过渡区域,在该区域内电离层的特殊变化会对甚低频信号的幅度和相位产生特定影响,使其呈现出一定的规律性和特点.前人对日出期间甚低频信号在幅度上的变化和特点已经展开了一定的研究.Crombie(1964)研究了NPM(19.8kHz)、NBA(18.0kHz)甚低频信号在地球-电离层波导中沿两条不同长路径(5400km与9099km)传播的情况,结果表明,在日出期间,当晨线经过传播路径时,甚低频信号的幅度会出现极小值点,这是因为日出期间电离层高度发生了变化,电离层中存在的不连续性区域导致不同阶的模发生干涉,从而产生幅度极小值;在此基础上他提出了电离层假设模型:在过渡区域,白天侧只存在一阶模,而夜晚侧同时存在一阶模、二阶模,并且晨线在传播路径上的移动会使接收信号的幅度产生周期性的变化.Walker(1965)同时利用固定站和移动站接收NBA(18kHz)的信号,实验结果进一步验证了Crombie所提模型的有效性.Ries(1967)在西-东传播方向上研究了NBA(18kHz,24kHz)、NSS(21.4kHz)的信号特点,他认为通过波导模理论可以解释信号幅度减小的现象:这是由于一阶模和转换产生的二阶模发生干涉所致,且频率越低二阶模转换效应越弱,日出效应的影响也相应减弱.Lynn(1967)发现NLK(18.6kHz)甚低频信号在沿着跨越赤道的长路径(13.42Mm)传播时,幅度曲线上会出现极小值点,并且它们的出现具有一定的季节依赖性,比如南半球冬季的衰减深度明显高于夏季,这种季节的依赖性与晨昏线和传播路径之间的夹角有所关联.Pappert和Snyder(1972)提出了4阶模假设,但是研究结果表明,晨线夜晚侧的3阶模、4阶模在转换成白天侧的1阶模时只具有较弱的转换效果,这在侧面证明了Crombie的2阶模型的合理性.Muraoka(1982)在8.04Mm的传播距离上接收NLK的甚低频信号,在分析1974—1977年的数据后他发现在日出期间信号幅度出现周期性的极小值;他认为在长路径传播时,由于高阶模具有更大的衰减,所以在晨昏线与传播路径相交时,白天侧只存在一阶模,而夜晚侧一阶模与二阶模共存,且白天侧过渡到夜晚侧时一阶模主要转换成一阶模与二阶模,不同阶的模之间发生的干涉效应产生幅度极小值.Yoshida等(2008)利用波跳理论方法研究了甚低频波在小于2000km的路径上传播的情况,他们的分析结果表明晨线与传播路径相交时出现极小值的原因是地波和天波之间发生了干涉,在此基础上他们还探究了电离层高度变化和极小值出现时间的关系.Samanes和Raulin(2011)以南美VLF网络(SAVNET)为发射站,分析了4年内在两条西-东向平行长路径上的接收数据,发现了日出期间甚低频信号的幅度变化,并利用Crombie提出的模转换和干涉模型对这一现象加以解释.Clilverd等(2017)以NAA(17.8kHz/24.0kHz)为发射站、南极洲哈雷站为接收站,利用1971—2016年的数据研究了17.8kHz、24.0kHz的甚低频信号传播的特点,同时借助LWPC(Long-WavelengthPropagationCapability)模型模拟了NAA发射信号的幅度随距离的变化曲线,研究结果表明,当信号的幅度曲线突然靠近传播路径时幅度曲线上便会产生相应的极小值点,而且极小值点出现的位置随着频率的不同有所差异.Korsakov等(2020)分析了2009—2017年在雅库茨克接收的新西伯利亚发射的甚低频信号,他们指出甚低频接收信号出现的幅度极小值呈现日变化,这是由于日出期间太阳光线以不同角度照射电离层,导致电离层电离程度有所不同,由此产生的地球-电离层波导变化使甚低频波发生干涉;另外,电离层D层的电子浓度分布具有季节不对称性,这会导致甚低频信号的幅度变化呈现出一定的季节性.除此之外,还有大批学者研究了日出期间甚低频信号沿不同路径传播时的规律和特点并给出了一定的解释和说明(Thompsonetal.,1963;SteeleandCrombie,1967;Wait,1968;Samanesetal.,2015;ChandandKumar,2016,2017).在甚低频信号长距离传播时的日出效应方面,前人已经积累了一定的数据与分析结果,但为了更深入的理解日出期间甚低频信号的响应和机理,还需要积累更多的数据和分析结果.前人在研究甚低频在日出期间的响应时大多以东-西、西-东走向的传播路径为主,而采用地理南-北走向的研究相对较少.本文利用武汉大学自主研发的甚低频接收机,在以澳大利亚西北角的NWC(NorthWestCape)为发射站,武汉为接收站的南-北传播路径上,收集和积累了2018年4月23日—2020年7月22日期间的观测数据.基于该观测数据分析了日出期间NWC信号出现幅度极小值的现象和特点,并根据幅度极小值的个数不同将极小值结构分为两种典型类型;采用时序叠加的方法对特定时间段内的幅度响应展开分析,并探讨了极小值出现时间的波动情况;接着,本文对幅度极小值的分布特点,及其与发射站和接收站日出曲线的关系展开分析,验证了两者之间存在的关联性;最后,本文分别以月份、春秋分交替周期为时间基准对全年极小值的出现进行概率统计分析,得到了两种极小值结构在出现时间上的一些规律和特点.1、仪器与数据武汉大学自主研发的数字甚低频接收机可以用于人工台站、自然界辐射的ELF/VLF无线电磁波信号的监测(Chenetal.,2016,2017).该接收机的硬件部分主要包括接收天线、低噪模拟前端和数字接收机三部分,其中接收天线由南北、东西方向两路正交的等腰直角三角形磁环天线构成,该接收机能以250kHz的采样率连续接收频率范围在1～50kHz的电磁波信号.利用该接收机,武汉大学已经在武汉、随州、乐山、漠河等多个中低纬度地区完成布站,并基于接收数据开展了一系列的分析和研究(易娟等,2019;陈隆等,2020;Zhouetal.,2020;Yietal.,2020),其可行性与可靠性已经通过实验分析结果得到充分验证.本文采用位于武汉(30.54°N,114.37°E)的甚低频接收机接收来自NWC(21.82°S,114.12°E)的甚低频台站信号,NWC发射站和武汉接收站位置及传播路径示意图如图1所示,图中黑色菱形表示NWC发射站、黑色圆圈表示武汉接收站、灰色线条表示由NWC到武汉的传播路径,长度约为6.0Mm.NWC发射站恰好位于武汉接收站的地理正南方向,传播方向角(传播路径与正北方向夹角)可近似为0°,根据天线相关理论可知,在此传播路径上,南北方向的磁环天线所接收的信号质量明显高于东西方向的天线,为此,尽管本文使用的甚低频接收机可以同时接收到南北、东西两个方向的NWC台站信号,但是考虑到信号强度和质量问题,本文在后续的工作中,选取和处理的数据均来自于南北方向的磁环天线.本文使用了2018年4月23日—2020年7月22日期间的观测数据,在进行极小值判读处理之前,本文先对原始数据进行预处理,将数据时间分辨率降至1min,处理流程简述如下:(1)一个时长1s的标准采样数据文件大小为977KB,数据文件大小在977KB以下的文件均可视为无效文件,将其全部剔除;(2)利用程序从(1)所得的有效数据文件中提取出每分钟的第一个数据文件,并从该文件中抽取出第1秒的数据,在对这1秒的数据进行解调、平均处理后得到相应的信号幅度值,然后以这1秒的幅度平均值表示一分钟的幅度值,如此可得到时间分辨率为1min的幅度数据;(3)基于第(2)步处理得到的幅度数据,通过程序自动绘制每天的幅度曲线,核验幅度曲线结果,进一步剔除信号质量较差的数据和无效数据,最终得到可用于极小值判断的有效数据.完成上述数据的预处理后,采用滑动平均、10点比较求最小的方式判断和获取数据中可能的极小值点,并记录各个极小值出现的时间信息.通过对数据处理结果的验证,绝大多数判断结果满足后续分析处理的要求;此外,为进一步减小其他因素对极小值分析结果的影响,本文利用人工判读和矫正的方式对一些偏差较大的和异常的极小值点进行矫正和剔除,从而得到极小值判断的最终结果.图1NWC发射站和武汉接收站位置及信号传播路径示意图2、日出效应的观测与分析2.1日出期间甚低频信号的响应电离层的状态在白天和夜晚存在较大差异,白天时段可分为D层、E层、F1层、F2层,但是到了夜晚,电离层D层消失,E层高度抬升,F1层、F2层合并(刘选谋,1987),电离层状态的变化会导致甚低频信号的幅度响应出现明显不同.图2a给出了2019年3月2日NWC甚低频信号幅度响应的典型TypeI结构.通过24小时内幅度的变化曲线可以看出,在夜间时间段00∶00—09∶00、16∶00—24∶00甚低频信号幅度波动较大,这是因为电离层在夜间会呈现出一种多变化状态(阿尔别尔特,1981),导致甚低频信号在不同状态下的电离层发生反射;而在白天时间段09∶00—16∶00甚低频信号的幅度波动较小,基本保持在同一水平,这是因为白天时间段内的电离层状态相对稳定,甚低频信号发生反射时的电离层状态基本相似.另外,从该图中可以明显看出,在06∶00—09∶00、16∶00—18∶00时间段,即黑夜-白天、白天-黑夜的过渡阶段,信号幅度出现了非常大的波动,并且出现了明显的极小值点,如图中虚线矩形框所示,在该区域内幅度曲线出现了2个极小值点,该时间段内甚低频信号的幅度响应正是本文研究的重点.图2b中给出了2019年12月26日的NWC甚低频信号幅度响应的典型TypeII结构,在该图中也可以明显观察到与图2a极为相似的现象,但是在大概14∶00的位置,幅度响应曲线出现了突然的上升和下降,这可能是电离层受到突然扰动所致.此外,在图2b中的虚线矩形框区域内出现了3个极小值点,这区别于图2a中的两个极小值结构.根据日出期间甚低频信号幅度响应曲线中出现的极小值数目的不同,本文将极小值结构简单划分为两种不同的结构类型:2极小值结构(TypeI)与3极小值结构(TypeII),图2中用箭头标示出了第一个极小值(SR1)、第二个极小值(SR2)、第三个极小值(SR3)出现的位置.显见,图2a中SR1的幅度衰减深度明显高于SR2的衰减,而图2b中SR1的衰减深度最大,SR2次之,SR3最小.极小值衰减深度不同是因为长距离传播路径时,。