基于全波法的甚低频波对低电离层扰动分析

通过全波解反射系数和波模振幅递归算法,文中分析了平面波在水平电离层分层结构中的能流分布规律,结合电离层化学反应模型对电离层参量的扰动情况进行仿真,并与其他文献中使用的方法相比.全波计算方法考虑到了各层反射、透射波相互叠加的情况,仿真结果对比发现,用全波法得到的能流吸收和电子温度扰动幅度更大.不同入射波参数、地磁场参数、...     

张衡一号卫星观测的地基VLF波电离层加热扰动特征

电离层扰动主要由太阳活动和地球表面活动引起,通过对已知地基甚低频（very low frequency, VLF）波发射源引发的等离子体扰动进行特征研究,对于认识电离层环境变化具有重要的参考意义. 文中主要介绍了张衡一号01卫星原位探测科学载荷等离子体分析仪（plasma analyzer package, PAP）观测系统和数据产出,对该载荷在507 km轨道原位观测的、由地基NWC站大功率VLF人工源辐射引起的电离层加热扰动现象及特征进行了总结和分析. 观测结果表明:氧离子密度、离子温度、离子漂移速度等多个原位观测量在夜侧轨道均同时记录到NWC站上空北侧约50～500 km区域出现的电离层加热扰动现象,扰动持续范围约为300～400 km;通过对相同轨道电场数据进行功率谱计算可知,该区域电场增强主要频率与NWC站发射频率相同. 上述观测结果验证了张衡一号01卫星PAP对电离层离子参量扰动现象具有一定的探测分辨能力,地基大功率VLF电波能够对电离层等离子体环境产生明显的扰动影响,且扰动区域相对于发射源位置向磁赤道方向发生偏移.     

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.     

磁暴期间低纬电离层效应的数值模拟

利用改进的时变二维电离层物理模式对一次超强磁暴期间低纬电离层效应进行了数值模拟研究。2000年7月15-16日超强磁暴期间,ROCSAT-1卫星、DMSP卫星、GPS/TEC等在美洲扇区观测到赤道附近沿纬度扩展深度耗空的等离子体槽和出现在中纬度的SED现象。将暴时由ROCSAT-1卫星实测赤道区纬圈电场和由HWM-07/DWM-07模型预测的水平风等作为物理模式的驱动力输入,对美洲扇区低纬电离层的暴时响应特征进行了数值模拟。模拟结果表明:在磁暴主相期间,模式给出了与DMSP卫星观测数据比较一致的结果;并清楚地重现了暴时赤道电离层异常的演化过程。     

三种典型化学物质释放变态电离层的数值模拟研究

电离层人工变态会影响短波通信及卫星通信,对空间物理研究具有重要意义.基于中性气体扩散方程、离子化学反应方程及等离子体扩散方程,模拟了三种典型化学物质（氢气H₂、二氧化碳CO₂和三氟溴甲烷CF₃Br）经点源和多源释放后导致的电离层三维扰动变化,并利用自适应变步长的三维数字射线追踪技术讨论了化学释放变态电离层对不同频率短波传播的影响.结果表明:点源释放时产生的"空洞"在水平面上沿磁场线方向的轴长略大于其垂直方向;在释放量及释放高度相同的前提下,H₂扩散最快,CF₃Br扩散最慢,但就t=100 s时电子密度最大相对变化率而言,CF₃Br最大,CO₂次之,H₂最小;CF₃Br释放形成的"空洞"垂直范围最小,开始发生穿透现象所需的短波频率最高;H₂扰动下"空洞"边界的电子密度梯度最小,射线聚焦点明显偏高,聚焦效应最弱;多源释放产生类抛物线管状的电离层"空洞"结构,射线的传播路径更加多样,此时仍有聚焦效应出现,且聚焦点随射线频率增加而升高,聚焦效应减弱.     

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.     

电离层时域散射与逆散射的数值模拟

采用具有四阶精度的时域有限差分法计算了电离层对时域脉冲的散射，然后应用小波变换求出了反射信号的时频分布。这一时频分布就相当于电离层的频高图。最后利用ＰＯＬＡＮ程序重建了重等离子体剖面，重建剖面非常接近原始剖面。     

电离层人工调制的极低频辐射和在潜艇通信中的应用探讨

本文分析被调制的高频波加热电离层所产生的极低频辐射过程和极低频在地球－电离怪波导中的传播模式，以及应用于潜艇通信中的可能性，数值结果表明，如果高频有效发射功率为１００ＭＷ量级，频率为５ＭＨｚ，调制频率为１００Ｈｚ，则准ＴＥＭ模式在地球－电离层波导中传播的衰减率一般小于１ｄＢ／Ｍｍ，距加热地点１０００ｋｍ处海面（地面）上磁场强度的量级为１０＾－３Ａ／ｍ。对于潜艇通信，在辐射源强度确定的情况下，对不同     

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.     

计算电离层VLF波传输特性的时域有限差分算法

在星载甚低频( VLF)通信技术中,研究甚低频信号在电离层中的传输特性具有重要意义。现有的利用时域有限差分( FDTD)算法研究电离层传输特性大多基于高频脉冲信号,且传播模型相对粗略,计算存在一定误差。为此,建立了更为精确的电离层各向异性传播模型,对常规的FDTD算法引入变步长因子,并用该算法对VLF波在电离层中的场强衰减进行了数值计算,研究了昼夜变化及频率对其传输特性的影响。仿真结果与卫星实测数据对比表明：与常规的FDTD算法以及全波分析方法相比,引入变步长因子的FDTD算法精度更高;在VLF频段,降低频率有利于电磁波穿透电离层,且白天的衰减明显大于夜间;VLF波在射入电离层并穿透D层时衰减严重(30~40 dB),约为F1层中衰减的3倍。     

一种融合天地基多源数据的电离层反演方法

数据融合是观测数据稀疏条件下电离层精确反演的重要技术途径.文中提出了一种融合天地基多源数据的电离层反演方法.选择地基GNSS、低轨卫星(Low Earth Orbiting,LEO)掩星、卫星信标及垂测仪等手段为观测系统,国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)为背景模型,利用改进的克里格插值及乘法代数重构方法实现多源数据的有效融合.以中国区域为例,观测系统模拟试验的结果表明:文中提出的方法能将各类观测资料有效地融合到背景模式中,反演得到的总电子含量及电子密度误差相比经验模型均有显著降低;在地基GNSS观测的基础上,融入地基垂测与天基掩星可有效提升电子密度的反演精度.相关研究结果可为中国现有电离层观测系统的优化提供科学依据.     

陆基链式超短波监测网布站仿真测算

无线电用户移动性的增加对低干扰的电磁环境提出了更高的要求。陆基链式超短波监测网可以为高速移动的无线电用户提供这种保障。该网络在用户移动路线周边布站,及时发现判定路径周边的干扰隐患,可以提升保障覆盖范围。通过设计仿真测算方法和计算公式,在设定的仿真条件下计算出直线线路条件下陆基链式监测站的理论布站距离为10~25 km,为今后该网的设计提供了参考依据。     

甚低频大地等效电阻率分析

文中利用散射迭加方法,推导了多层土壤视在电阻率的计算公式。在此基础上结合场地测试数据,利用复镜像法和电位函数计算法对天线场区的土壤模型进行反演,获得土壤分层结构。然后从电磁理论出发,根据所得到的土壤分层模型参数,推导出甚低频大地等效电阻率的3种等效法则,并对每一种等效法则下的等效电阻率进行了推导分析。     

电离层中Ba和SF6复杂释放的电波传播效应研究

单一点源方式的化学物质释放, 一般仅能形成较简单的电离层扰动结构, 对电磁波的影响频段和影响程度都较为局限, 难以对甚高频(Very High Frequency, VHF)以上频段的无线电波产生显著影响.文章提出了一种Ba和SF₆两种不同性质物质组合的复杂释放方法, 并利用水平分层介质传播理论, 分别以150、400、1 000 MHz三个典型频率为代表, 估算了VHF、超高频(Ultrahigh Frequency, UHF)和L频段常用卫星电波信号穿越扰动区后幅度和相位的闪烁情况.仿真结果表明, 复杂释放方法产生的电离层扰动结构能够对VHF以上波段信号传播产生显著影响, 且信号所受影响随着频率的提高而变弱.     

背景电离层半球不对称特征研究

由于背景电离层关于磁赤道存在南北不对称,可能对赤道电离层中的等离子体不稳定性过程产生影响,背景电离层参数的变化可能作为不规则结构出现和闪烁发生的前兆.本文利用通量管积分方法,研究背景电离层电子密度和Pedersen电导率的半球不对称特征,发现积分电子密度N和积分Pedersen电导率〖AKΣ～9〗P以及F区积分电导率〖AKΣ～9〗FP与E区和F区积分电导率之和〖AKΣ～9〗E+FP的比值〖AKΣ～9〗FP/〖AKΣ～9〗E+FP的不对称强度随季节和太阳活动的变化规律与实验观测的不规则结构和闪烁活动的变化规律存在联系.这表明背景电离层电子密度和Pedersen电导率的分布对不规则结构和闪烁活动的出现有重要影响,表征积分电子密度和积分Pedersen电导率不对称强度的参数IN和IP可作为一种应用于电离层闪烁预报系统的预报指数.     

T型甚低频多调谐发射天线电容与电感研究

甚低频天线理论认为,采用多调谐方式,T型甚低频多调谐天线可以基本按比例增加天线电容,在实际工程中常用五组或六组天线.本文利用甚低频天线输入电抗的实测值,计算了在不同频率下天线所呈现的等效电容和等效电感,研究了T型甚低频发射天线的等效电容、电感、功率容量与天线组数及频率之间的关系.研究结果表明T型甚低频多调谐天线的组数过...     

电离层加热中朗缪尔湍动的数值模拟研究

应用广义Zakharov模型, “全尺度”模拟了大功率电波垂直注入电离层后电磁波与电离层的非线性相互作用.在寻常波(O波)反射点附近, 无线电波参量衰减为电子等离子体波和离子声波两种波模, 接着, 伴随着坍塌、空洞形成以及强烈电子等离子体波的俘获相关过程, 形成的空洞会导致慢非寻常波(Z波)的有效激发并能向密度更高的电离层区域传播.模拟结果表明:在毫秒量级的时间尺度内, 大功率高频电波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了电子朗缪尔波和离子声波, 同时波粒相互作用导致O波向Z波的转换并传播向更高区域.此研究有助于对参量衰减不稳定性的物理机制形成较直观的印象, 对理解大功率高频电波与电离层等的非线性相互作用也很有益处.     

基于GPS观测值提取分析西南地区电离层TEC

为了能够准确监测西南地区电离层TEC变化规律,采用VBA编程创建宏的方法在Excel中提取GPS观测值,运用Matlab计算得到了西南地区TEC变化曲线,并对西南地区TEC变化规律进行分析.结果表明：北京时间12点至19点之间,西南地区电离层TEC值较高,峰值出现在14点至16点之间,并且变化比较活跃;在23点至7点之间,电离层TEC值较低,并且变化相对平稳;春秋两李TEC峰值要高于夏冬两季.     

扩展F全球分布特点的理论分析

考虑到我国区域电离层扩展F发生的物理机制和相关因素以及观测数据的可获取性,利用适宜于时间序列预测的长短期记忆网络建立了我国不同区域电离层扩展F事件的预测模型,对未来3 h是否会发生扩展F事件进行预测。以处于我国典型纬度地区的满洲里、北京、海口站为例,利用2015和2016年测试数据集对模型预测精度进行了检验,满洲里、北京、海口站平均准确率分别为92.4%、95.3%、96.0%,平均精确率分别为75.0%、61.2%、62.6%,平均召回率分别为73.0%、50.6%、31.5%。由此可见：在某些情况下,比如在低纬度地区的海口站,模型的召回率较低;除此之外,所建立的扩展F模型在多数情况下具有较高的预测能力。