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.     

加热电离层区域对高频波特性的影响研究

利用二维磁化电离层欧姆加热数值模型和离散电离层背景下的射线追踪模型,对穿过高频加热电离层区域的超视距雷达(OTHR)诊断电波的波特性(主要是doppler频移和相位偏移)进行定量的分析,得到了在加热开机2 min内的诊断电波doppler频移和相位偏移的模拟结果.并结合国外相近参数的试验结果进行对比分析,给出了初步结论.     

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.     

大功率无线电波斜向加热低电离层

基于电子能量方程、连续性方程建立了大功率无线电波斜向加热低电离层的物理模型,数值计算了加热前后电离层电子温度和密度的变化,并对比了不同加热条件下的电离层扰动幅度。结果表明:1)大功率电波斜向射入电离层后,与等离子体相互作用,能够有效造成电子温度和密度的扰动,为达到与垂直加热相同的扰动幅度,需要更高的入射功率;2)在其他相同条件下,入射频率越高,造成的电子温度扰动幅度越小;X波模加热造成的扰动幅度大于O波模,在电离层传播时X波模要比O波模容易吸收;3)入射仰角越高,加热的扰动幅度越大,在垂直加热时电子温度的最大扰动幅度可达45%,而以45°仰角入射时最大幅度约为18%。     

中低纬调制高频加热电离层ELF／VLF辐射模拟

从基本的电子能量方程出发,改进了幅度调制HF电波加热低电离层模型.计算了低电离层电子温度和电导率随加热时间的变化,以及不同高度上加热产生ELF/VLF Hall电流大小.根据实际的电离层参数,在一定加热条件下,计算了北京、上海、昆明和海口所产生ELF/VLF Hall总电偶极矩大小.结果表明:利用幅度调制HF电波加热中低纬度地区低电离层,可以有效形成ELF/VLF电波辐射源.     

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.     

基于加热激发等离子体线级联结构的电子密度反演

2010年9月13日,利用欧洲非相干散射雷达协会的大功率加热设备和诊断设施开展了电离层加热实验,实验中首次由甚高频雷达探测到了长生命周期的等离子体线增强现象.通过对等离子体线的频谱分析,发现了等离子体线的cascade频谱结构,并推断参量衰变不稳定性是引起实验中等离子体线回波功率增强的原因.同时依据参量衰变不稳定性理论,给出了一种利用cascade频谱结构对加热区域电离层的电子密度反演的方法,并将反演得到的电子密度与利用有效超高频雷达数据的程序GUISDAP反演结果进行了对比,验证了该方法的正确性,分析结果表明反演结果的平均偏差仅在1％左右.新方法的提出对强扰动电离层条件下电离层参数的反演及深入理解电波能量的吸收机制和朗缪尔湍流加速电子的过程具有重要意义.     

中国地区人工加热电离层产生的极低频电流预测

文中用实际的电离层参数,具体地估算了在典型发射条件下,极低频脉冲调制的高频电波加热北京、上海、海口上空电离层所能产生的极低频电流强度。计算的出发点是电子的能量方程,运用迭代法对处理脉冲调制问题作了改进。用此算法同时研究了典型中纬度电离层的加热特性并与以往对高纬度的结果进行了比较。     

中国地区人工加热电离层产生的极低频电流预测

文中用实际的电离层参数，具体地估算了在典型发射条件下，极低频脉冲调制的高频电波加热北京、上海、海口上空电离层所能产生的极低频电流强度。计算的出发点是电子的能量方程，运用迭代法对处理脉冲调制问题作了改进。用此算法同时研究了典型中纬度电离层的加热特性并与以往对高纬度的结果进行了比较。     

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.     

基于抛物方程的短波电离层传播数值模拟研究

短波电离层传播损耗的计算对电离层基础研究与短波通信、天波超视距雷达等应用有重要意义，以往主要采用半经验模型.文中基于电磁波传播的抛物方程方法，实现对短波电离层传播损耗空间分布的数值计算，该方法可同时考虑电磁波传播的折射、反射、绕射和吸收等效应.根据电子浓度剖面数据，仿真计算了不同频点和天线波束宽度情况下的电离层传播损耗，从折射效应引起的传播模式、反射点高度、地面落区位置方面，与射线描迹结果进行对比，两者具有一致性.此外，进一步仿真分析了电离层的吸收效应.研究结果初步表明了抛物方程方法预测电离层传播的有效性及其强大的功能.     

电离层预加热幅度调制模式的理论与模拟

基于2017—2019年我国利用欧洲非相干散射（European Incoherent Scatter,EISCAT）科学联合会加热装置开展电离层调制加热的实验数据,分析获得了高纬度电离层调制加热激励ULF/VLF电磁波辐射特性. 实验采用自然电流调制和双频双波束调制两种加热模式,分析两种加热模式下加热功率、加热波极化、辐射频率和地磁扰动对ULF/VLF电磁波强度的影响. 研究结果表明：激励辐射波强度与加热功率近似成正比例关系,自然电流调制和双频双波束调制激励辐射波的功率比例系数分别约为1.7和2.1;相对O波极化方式,加热波采用X极化波更有利于激励ULF/VLF电磁波辐射;随着辐射波频率的增加,辐射波强度先增加后减小,自然电流调制激励辐射波强度最大值出现在2 kHz附近,双频双波束调制激励辐射波强度最大值出现在8~14 kHz;自然电流调制加热激励辐射源强度依赖于电离层中自然电流的大小,而双频双波束调制激励辐射波强度与自然电流强弱相关性较小. 最后,针对目前电离层调制加热的热点问题−双频双波束调制加热形成ULF/VLF辐射源到底处于电离层中什么位置,采用实验和理论相结合的分析方法,对比两种加热模式激励ULF/VLF电磁波传播特性的差异,结果表明双频双波束调制模式辐射源的传播特性更加符合辐射源位于F层情形.     

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.     

Auroral and polar-cap ionospheric effects on radio propagation

Disturbances in the auroral and polar-cap ionosphere can have profound effects on radio signals traversing the high-latitude ionosphere (defined here as that latitudinal region poleward of approximately 55° corrected geomagnetic latitude). Some effects of the high-latitude ionosphere on polar radio paths were documented as early as the 1930s, but intensive investigations of this ionospheric global region started during the International Geophysical Year (IGY) 1957-1959. Starting in the mid-1960s it was realized that high-latitude ionospheric anomalies could affect radio signals from ELF through VHF on terrestrial and earth-space paths, especially during sunspot maximum, disturbed periods. A considerable effort has been made in the last two decades to model and predict the salient parameters of the auroral and polar-cap ionosphere. A somewhat lesser effort has been devoted to develop HF propagation programs which included high-latitude ionospheric effects. Salient past results are briefly reviewed, and developments in this field for the period 1970-91 are presented     

电离层预加热幅度调制模式的理论与模拟

从基本的电离层能量方程和连续性方程出发,构造了预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型,详细研究了预加热模式对电离层幅度调制加热产生极低频/甚低频(Extremely Low Frequency/Very Low Frequency,ELF/VLF)强度的影响.以HAARP加热站点为例,对比分析了正常幅度调制模式和预加热幅度调制模式两种模式下产生的ELF/VLF偶极矩的大小.分析结果表明,当加热系统有效辐射功率较大、调制频率较小时,预加热幅度调制模式更有效;在一定加热条件下,相对正常幅度调制模式,预加热幅度调制模式辐射ELF/VLF强度可提高约5.3 dB.     

高低纬地区电离层扩展F暴时特性比较研究

不同纬度地区电离层扩展F的对比分析是研究电离层扰动传播的一个重要方法。本文利用三个台站六个磁暴期间的扩展F数据,对高低纬地区电离层扩展F暴时特性进行了对比研究。结果表明,高低纬地区观测到的扩展F类型不完全相同,并且扩展F的起始时刻随着纬度降低而推迟,这表明产生扩展F的电离层扰动是从高纬向低纬地区传播的。     

电离层加热实验中反射高度下降特征的数值模拟

向电离层中注入大功率电磁波可引发地基非相干散射雷达观测的离子线和等离子体线回波功率增强现象.2010年秋季,在挪威开展了极区电离层离子线与等离子体线增强特征激发实验.实验中首次得到了VHF雷达观测的长生命周期的增强特征, 该现象系由参量衰变不稳定性引起的.另外,增强现象所处高度随加热的进行呈下降趋势,针对该特征文章给出了可能的物理机制,即该现象系由泵波促使反射高度附近的电子扩散效应增强引起的.文章利用修正的IRI和MSISE模型参数对加热实验中的反射高度阶跃性下降特征进行了仿真,仿真结果表明,加热电波引起的电子扩散效应可以使得反射高度下降,并且下降的高度与实验结果吻合较好,验证了该物理机制的可能性.     

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.