加热电离层生成不均匀体的理论及模拟研究

针对均匀和平面分层电离层背景,分别建立了描述大功率高频(HF)泵波加热电离层产生不均匀体的物理模型,从理论上解释了加热过程中不均匀体的生成主要是有质动力和热压力共同作用的结果.基于均匀电离层背景下加热电离层生成不均匀体的理论,通过数值模拟得到了加热导致电子密度不均匀体的空间分布.模拟结果表明,电子密度扰动在泵场方向上的特征长度为1km量级,在垂直于泵波电场方向上的特征长度为10～20m;这与电离层加热实验观测到的不均匀体纵向特征长度一般为千米量级、横向特征长度一般为10m量级的结论是相符的.另外,数值模拟得到的电子密度"空洞"和"稠团"的交替分布,可以解释加热过程产生的无线电波自聚焦效应.     

电离层背景状态对大功率短波加热电离层效应的影响

从电离层加热实验出发,模拟研究了低纬地区(Arecibo)和高纬地区(Troms?)加热效应.首先验证了该文计算的正确性,在此基础上研究了背景电离层电子密度梯度和泵波频率 HFf 与临界频率0F2f 比值对电离层加热效应的影响,结果表明:电子密度梯度越小,加热效果越强;过密加热时,加热效果随泵波频率与临界频率的比值增大而增强,但同时受电波反射高度影响,该比值较低时可能也会存在一个使加热效果增强的取值范围.最后分析了在不利的电离层背景状态下如何有效选择加热参数,以获得较为理想的加热效果.     

不同加热条件下加热电离层的效应研究

利用电离层欧姆加热的理论模型和数值分析模型,根据数值模拟结果,对高频电波加热电离层的一级空间效应(主要是电子密度和电子温度的改变)进行定量分析,给出在不同地域(高纬区和中低纬区)、不同加热功率、不同加热频率(包括过密和欠密情况)和不同高度范围内,地基高频无线电波加热电离层引起的电离层主要参量的时空演化规律,以获取加热条件或参数的改变对不同区域电离层的加热效果.并结合国外相近纬度区、相近加热参数条件下的实验结果进行对比分析,给出了初步结论.     

电离层加热激发受激布里渊散射研究

研究了电离层加热激发受激布里渊散射效应.利用受激布里渊散射匹配条件, 结合国际地磁场参考模型, 模拟计算了离子声波(Ion Acoustic, IA)与静电离子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron, EIC)频率随地理纬度、加热频率、波束指向、电子温度等参数变化特性, 并以我国海南与美国高频主动极光研究项目(High Frequency Active Auroral Research Program, HAARP)为例, 研究IA与EIC频率随纬度的变化.模拟结果表明:随着纬度的增加, IA与EIC频率增大; 与IA频率相比, EIC频率随加热频率、波束指向及电子温度的变化相对较小; 随加热频率的增加高纬地区IA频率增大, 而低纬地区基本不变; 随加热波束指向从南到北变化, 海南IA频率单调下降, HAARP则为先上升后下降的形态, EIC具有相反的变化; 电子温度越高, IA与EIC频率越大.本文模拟结果可为我国将来开展同类实验提供参考.     

高频电波加热电离层对波传播影响的研究

地基大功率高频电波加热电离层不仅会导致被加热区域等离子体参数的显著变化,同时会产生诸多空间效应,对通过被加热区域的电磁波产生影响.基于欧姆加热机制建立加热物理模型,研究高频电波加热电离层对波传播的作用,主要讨论在不同加热条件下,高频电波加热电离层对波相偏移的影响,通过数值模拟分析给出其定量关系,并利用EISCAT-TROMSO加热实验结果对数值模拟结果进行了验证比较.结果表明,诊断波的相位偏移和多普勒频移变化与加热条件、电离层变态状况存在关联.     

大功率高频无线电波加热电离层

利用大功率高频无线电波加热低电离层和高电离层的理论模型,选择不同的加热发射机参数,计算了电离层电子温度和电子密度的变化,模型计算结果与一些实验结果有着很好的一致性.在此基础上,具体讨论了不同的背景大气和背景电离层参数对加热效果的影响,最后简单地分析了对人工加热电离层的可能应用.     

溴化亚铜脉冲激光研究

本文应用电子温度、电子密度实验值,通过数值求解CuBr激光能级粒子数速率方程,得到了脉冲期间随时间变化的铜原子能级粒子数和激光脉冲功率,结果表明:计算的激光脉冲与实验观测基本相符;电子温度峰值和电子温度在较高能量区的滞留时间,是决定激光行为的两个重要因素。     

极区电离层加热能量吸收率的非相干散射测量

基于稳态电子能量和动量方程,结合2009年8月电离层加热实验中非相干散射雷达实测的电子密度、电子温度和离子温度对反射高度附近的电波能量吸收率进行了估算。根据计算结果,可得到显著的电波能量吸收率的空间分布结构,能量吸收基本呈近高斯分布,但结构在横向和纵向上并不沿能量吸收中心对称。0.6MHz附近,电波能量吸收率随频差变化的曲线存在锐边界,临界状态下时(两组加热机制的交界)才会取得最佳的加热效果,这对电波能量吸收率经验和半经验模型的建立有重要意义。     

样品温度对激光诱导黄铜等离子体辐射特性的影响

为了研究样品温度变化对激光诱导铜等离子体特征参数的影响,利用单脉冲激光诱导激发加热台上的样品形成等离子体, 改变样品温度获得相应的黄铜等离子体发射光谱。分析了样品温度变化时特征谱线强度的变化,并在局部热 平衡(Local thermodynamic equilibrium, LTE)条件下,利用Boltzman方程和Stark展宽计算并获得不同样品温度 条件下等离子体电子温度和电子密度随时间的演化规律,同时讨论了激光诱导金属等离子体光谱增强的原因。 实验结果表明,延迟时间相同时,样品温度越高,谱线强度越强,电子温度和电子密度越大。由此可见, 适当升高样品温度可以提高谱线强度。     

基于边缘加热的气冷钕玻璃放大器热波前畸变补偿

理论分析了基于边缘加热条件下气冷钕玻璃放大器的热致波前畸变,模拟计算了不同加热温度下钕玻璃片的温度分布和热波前畸变分布,并进行了实验验证。结果表明,数值模拟与实验结果能较好地吻合,在产热率为0.6 W/cm~3时,钕玻璃片产生的热波前畸变随着边缘温度的增加而减小,而当边缘温度达到90℃时,热波前畸变开始出现反转,随温度增加而增加。合理设计边缘加热结构和优化加热温度,能有效抑制气冷钕玻璃放大器的热波前畸变。     

电离层电急流的人工调制

由基本的磁离子理论出发,构造了大功率电波调制电离层电急流的自洽理论模型.利用此模型,计算了电离层D/E区高度上电子温度随加热时间的变化,以及不同高度上的加热时间和冷却时间.基于方波脉冲的入射方式,详细地研究了加热区电离层电导率和赤道电急流的振荡过程.计算结果表明,地面入射的大功率电波能有效地调制电离层中存在的大尺度直流电流,而且该调制电流可以作为ELF/VLF电波的辐射源.最后简单地分析了在未来实际工程应用中所需要解决的问题.     

电磁波在任意磁偏角等离子体中的传播

本文将电流密度卷积时域有限差分（Current Density Convolution Finite Difference Time Domain,JEC-FDTD）方法扩展到求解任意磁偏角电磁波在磁化等离子体中的传播和共振吸收问题.首先,验证数值算法正确性,分析了法拉第旋转角效应,以及任意磁偏角电磁波在等离子体中的传播特性.然后,求解电磁波在磁化等离子体中的等离子体朗缪尔共振、电子回旋共振、高频混杂共振吸收特性.结合在电离层加热中的应用,重点分析了等离子体高频混杂共振吸收特性,得到了高频混杂共振激发的频率匹配条件.数值结果表明,高频混杂共振吸收是电离层加热的有效方式,对于解释电离层加热机制具有重要意义.     

电离层中ELF辐射源向下传播衰减理论分析

利用大功率高频（HF）电波调制加热电离层可在电离层中有效形成辐射源,并用于辐射ELF电磁波.本文基于磁流体力学的基本方程通过对电离层中极低频（ELF）辐射源的辐射场分析,获得ELF电磁波在电离层中传播的色散关系式,建立电离层中的ELF辐射源向下传播衰减模型.并依据建立的传播衰减模型,分析不同纬度地区传播衰减的差异,以及传输频率和背景电离层参数对传播衰减的影响.     

高频地波雷达垂直向电离层电子浓度估计方法

高频地波雷达工作时, 往往同时接收到大量的电离层反射回波, 这些电离层杂波会对目标检测造成严重影响, 因此, 电离层杂波抑制是当前高频地波雷达领域的研究热点.文章将电离层回波视为可用信源, 从中反演出垂直方向电离层对应的电子浓度与等离子体频率.对R-D(Range-Doppler)谱图进行预处理, 获取垂直方向的电离层回波谱, 建立其回波功率与电离层雷达散射截面积之间的数学模型, 进而得到对应的电子浓度.在高频地波雷达站进行了实验, 并将反演结果与IRI-2012进行对比, 验证了该方法的可行性和有效性.     

A semi empirical model for low latitude HF ionospheric propagationprediction

The ionospheric propagation of high frequency (HF) radio waves is strongly dependent on the varying structure of the ionosphere. It is therefore essential to look for an accurate and suitable physical model for the design and development of telecommunication links, especially broadcast links, which are affected by such variation. This enables the prediction of radio link performance with a satisfactory level of accuracy and reduced computation time. Existing models make extensive use of powerful computers to generate electron density profiles, whereas this model attempts the same on an 80486 based PC successfully. Though this affects the accuracy of the generated profiles, it is still acceptable for engineering applications. A physical model of the ionosphere is developed with empirical additions from rocket data. The associated propagation conditions are simulated and the results compared with practical data obtained from broadcast and amateur radio band usage. A high degree of correlation is obtained     

Global satellite monitoring of the atmosphere and ionosphere

The possibilities of monitoring the atmosphere and ionosphere along satellite-to-satellite radio occultation paths are considered. A relation between the amplitude and the phase of the signal sounding the medium is substantiated. Owing to this relation, it is possible to separate the influence of layered and wave structures from the influence of turbulence in the atmosphere and ionosphere. The possibility to observe internal atmospheric waves on the basis of radio-hologram analysis is shown. A relation between solar activity and the presence of sporadic layers in the lower ionosphere on the one hand and changes in the amplitude and phase of radio waves on a satellite-to-satellite path on the other hand is revealed. Examples of vertical profiles of the atmospheric temperature and the electron density in the lower ionosphere are presented. These data are based on the results of radio occultation experiments performed during different space missions.     

Ionospheric modification induced by high-power HF transmitters—A potential for extended range VHF-UHF communications and plasma physics research

When the ionized upper atmosphere of the earth is illuminated by high-power HF radio waves at appropriate frequencies, the temperature of electrons in the ionosphere can be raised substantially. In addition, radio waves with sufficient energy cause parametric instabilities that generate a spectrum of intense plasma waves. Observations of these phenomena have produced new understanding of plasma processes. One consequence of heating and plasma wave generation is that irregularities are formed in the electron distribution which are aligned with the earth's magnetic field. Because of this, a scatterer of large radar cross section is produced, which scatters HF through UHF communication signals over long distance paths, that would not otherwise be normally possible by ionospheric means. This paper summarizes results of radio, radar, communication, and photometric experiments that explored the characteristics of the volume of ionosphere which has been intentionally modified, temporarily, above facilities near Boulder (Platteville), Colo., and at Arecibo, Puerto Rico.