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.     

高频泵波加热电离层的数值模拟

基于高频泵波扰动电离层的欧姆加热理论,建立数值模型模拟加热过程中电子温度、电子密度和离子密度随时间的演化及泵波频率、发射功率对加热效果的影响.结果表明,地面以1.5MW的功率发射一个13MHz的电波,可以引起电子温度升高80%、电子密度升高16%的显著变化.电子温度和电子密度的变化分别在加热开始后几十秒和几分钟内达到饱和.泵波频率和发射功率大小显著影响最终的加热效果,但数值结果并没有体现它们之间具有线性关系.和EISCAT雷达1985年2月26日对一次加热实验观测结果(它的发射功率和本文选定的1.5MW一致)的比较表明,在180km以下区域,该文模型和上述实验观测结果具有很好的一致性;更高高度上模拟结果和实验结果的偏差是由于模拟过程中没有考虑F层异常吸收的作用.     

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.     

地面甚低频辐射渗透进电离层的数值模拟分析

利用全波解模型进行数值模拟实验, 研究了具有不同辐射源参数(辐射频率和功率)的地面甚低频(Very Low Frequency, VLF)辐射源在不同地磁场参数(地磁场强度和倾角)和电离层参数(电子密度和碰撞频率)条件下激发的地球-电离层波导和电离层中的电磁场能量空间分布, 并重点研究了电离层D/E区对电磁辐射能量的吸收.模拟结果发现:VLF辐射在波导中衰减只受辐射源频率的影响, 不受辐射功率、地磁场参数和电离层参数变化影响, 波导中的衰减随频率的增大而减小, 而电离层D/E区吸收随频率增大而增大, 两者总衰减量随频率增大而增大.辐射源功率对电离层D/E区的吸收也无影响.地磁强度和地磁倾角越大, 电离层D/E区吸收越小; 电离层碰撞频率和电子密度越大, 电离层中能量衰减越大.     

磁化电离层等离子体异常吸收效应研究

研究了电离层加热中的异常吸收效应.采用动力学理论,从弗拉索夫方程出发,结合磁化等离子体中电波色散关系与地磁场中泵波电场作用于电子与离子形成的位移电流,详细推导了加热形成的沿磁场分布电子密度不均匀体扰动所引起的电波幅度异常吸收系数.利用异常吸收系数解析表达式模拟计算了吸收系数随地磁倾角的变化,结果表明:随着地磁倾角的增加,异常吸收系数增大,在地磁倾角约70°以后缓慢下降;在考虑了地磁场对高频电导率影响后,异常吸收系数降低,而且地磁倾角越大系数下降越明显.     

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.     

南海地区电离层月平均模式及其预测

研究我国南海地区（北纬0°到25°，东经105°到120°）电离层F层临界频率月中值变化特点及利用人工神经网络预报月中值的技术．文章首先给出这个海区上空F2层临界频率月中值随太阳活动水平、地理纬度、季节和昼夜变化规律．结果指出电离层临界频率随纬度分布除出现驼峰现象外，在4和10月份还存在大范围的电离层气泡区域。在这个区域电离层密度出现中间稀周围高特点；电离层临界频率的分形分析得到其相关维为2．7。其次，我们选用5个因子作为网络输入，用电离层观测资料训练网络，建立了我国南海地区电离层模式。利用这个模式预测的电离层临界频率与实际测量的符合较好，可以满足应用要求。     

电离层层析辅助等离子体泡的TEC空间梯度研究

在严重的电离层活动时,发生的极端电离层扰动会对GNSS地基增强系统(Ground-based Augmentation Systems, GBAS)的用户构成完好性威胁,例如中国低纬地区出现的等离子体泡现象。本文针对等离子体泡造成的TEC空间梯度展开研究,提出了一种电离层层析辅助研究等离子体泡造成的TEC空间梯度的方法。首先,通过多分辨率电离层层析成像技术重构中国及周边中低纬地区在2017-09-08T12:00—17:00UT扰动最强烈时段的电离层层析图像,发现该时段内中国低纬地区出现电子密度耗竭的等离子体泡现象;其次,利用短基线双站法和时间步长法两种方法计算等离子体泡附近区域TEC空间梯度;最后,结合两者进行比较研究,验证了较大的TEC空间梯度往往存在于等离子体泡的侧壁周围,如本文在14:06UT出现在香港空域附近的最大TEC空间梯度为133.16 mm/km。同时还可以看出：层析反演的电离层图像不仅能直观地分析等离子体泡的三维电子密度分布,还可以帮助发现TEC空间大梯度产生的原因。     

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.     

一种基于截断奇异值分解正则化的电离层层析成像算法

提出了一种基于截断奇异值分解正则化(Truncated Singular Value Decomposition,TSVD)的电离层层析成像算法.该算法选择球谐函数与经验正交函数作为表征电离层电子密度空间变化的基函数,以降低背景模型对层析成像的影响;利用广义交叉验证法来选择合适的截断参数,提高了算法的稳定性和反演精度.基于中国区域23个观测站的电离层层析成像仿真结果表明:与乘法代数重构算法(Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique,MART)相比,基于TSVD正则化的电离层层析成像算法能够在不需要背景电离层电子密度作为先验条件的情况下,实现电离层电子密度的有效反演.     

电离层的探测与骚扰预报

电离层是指位于地面60km至1000km处的被电离了的大气层.电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关,通过对电离层的探测可获取电离层物理特性参量随日、季节、年、太阳活动、地理环境等变化的分布、变化规律.本文主要讲述了电离层探测的方法、太阳活动对电离层的影响、电离层扰动对人类的影响、对电离层进行常规监测及骚扰预报的重要...     

电离层层析成像技术与电离层反演

系统介绍了利用电离层层析成像技术进行电离层反演的理论、模型及相应的计算流程.针对电离层层析成像反演算法对初始值比较敏感的特点,提出一种改进算法计算了电离层电子密度剖面,计算结果表明,改进算法可以改善电离层层析成像质量,具有高精度、大空间、实时等优点;最后介绍了电离层层析成像技术应用于电离层预报及地震前兆监测的前景.     

Ionospheric scintillation

Available observations of ionospheric scintillation are analyzed to evaluate the adequacy of existing models used for the interpretation of scintillation data. The theoretical models are reviewed and the frequency and propagation geometry dependences predicted by the models are compared with the observations. The models were used to construct scintillation occurrence distribution functions which show that scintillation phenomena significantly affect the design of transionospheric radar or communication systems operating at frequencies below 1 GHz. Diversity schemes useful for mitigation of scintillation effects are considered. Mention is made of the geophysical processes thought to be responsible for scintillation.     

Ionospheric scintillation theory--A mini-review

In this paper we briefly review the theories that are used to interpret ionospheric scintillation data. We have emphasized the full structure of the complex signal, because it is now being directly measured with a number of satellites that carry multifrequency phase-coherent beacons. The data that have been analyzed to date clearly show that large phase variations (greater than one radian) are an omnipresent feature of transionospheric signals.     

Ionospheric wave spectrum measurements

A significant quantity to be measured in the ionosphere is the local spectrum, S(k,ω), of either potential or electron density fluctuations. One can determine from S(k,ω) characteristics of the macroscopic plasma such as the local density and temperature, transport coefficients, and drift current. Determination of S(k,ω) may be carried out by measurement of the cross-power spectrum. Signals from two probes are passed through a cross-power spectrum analyzer, and the measurement is repeated for a series of probe separations. The resulting cross-power spectra, H(r,ω), must be Fourier-transformed to obtain S(k,ω). A number of questions pertinent to the use of this method in space are discussed. These include the expected signal-to-noise ratio, and the frequency and wave-number resolution attainable.     

电离层多普勒频移的预测

超视距雷达工作在短波波段,通过电离层的折射,可探测到常规雷达无法探测到的地平线以下的远距离目标。但雷达电波经电离层折射,探测结果必然受到电离层的影响,其主要特征之一是回波谱中常伴随多普勒(Doppler)频移。文中简单描述电离层Doppler频移的产生机制,并在已预测电离层信道参数的基础上利用数字射线追踪技术对E层、F2层的高频天波Doppler频移进行预测。     

Ionospheric direct measurement techniques

The most important physical parameters of the ionosphere which have been studied extensively over the years are: 1) the temperature, density, chemical composition, and directed motion (wind) of the ionized and neutral gas particles; and 2) the electric and magnetic fields. This review will discuss direct in situ techniques used on sounding rockets and satellites to measure these physical parameters. The techniques reviewed are restricted to those which are applicable to altitudes above about 100 km, where the mean free path is greater than the characteristic dimension of the instruments. Direct in situ instrumentation is defined, as far as this paper is concerned, as an experiment which measures the parameters in the immediate vicinity of the vehicle carrying the instrument; remote sensing techniques have already been reviewed elsewhere, therefore, will not be discussed here.     

电离层衰落特性分析

短波电子信息装备以电离层为信号传播媒介辐射,能实现地面距离数千公里的通信、探测和电磁信号侦收.而电离层复杂的时空变化特征,会对短波电子信息装备性能能否充分发挥产生极大的影响,因此,在各型短波电子信息装备建设过程中,必须充分考虑不同作战时间下的短波电离层信道变化.文中开展了短波电波传播衰落特性与时间场景特征关联研究,为短...     

多数据源电离层层析成像方法

卫星信标电离层层析成像(CIT)是一种高度不适定性问题,有限视角、稀疏布站等原因造成电离层CIT数据采集严重不完整,CIT结果精度不高,尤其是垂直误差可达50km以上。为了解决CIT结果精度不高的问题,提出一种融合地面垂测、斜测数据、顶部探测仪数据和三频卫星信标数据的多数据源电离层联合CIT方法。该方法采用建立在实测数据基础上的迭代初值,与实际偏离较小,能够提高CIT反演结果的精度;同时地基设备和顶部探测设备有较高的垂直分辨率,与卫星信标结合能够有效解决有限视角问题,提高CIT结果的垂直分辨率。     

电离层扰动与磁层耦合

本文通过两个事例分析表明，磁暴期间磁层对流和沉降粒子的增强不仅对极光区了层扰动形态有控制作用，而且也会引起继后的中低纬及赤道电脑层同纬区低热层大气受热后，Ｆ层抬升和中性大气成分变化导致的电子密度正、负扰会向低纬扩展；在Ｅ层高度上，扰动发电机对赤道区喷泉效应的抑制使驼峰区扰动更为突出。这些过程均使中低纬电离层ｆ０Ｆ２和ｈｍＦ变化中出现相应特征。地面电离层垂测站在夜间常能观测到多站几乎同时的ｈｍＦ上升