空间等离子体云超视距电波传播特性研究

通过在电离层中释放易电离金属物质人工生成空间等离子体云,可形成无线电波超视距传播的人工信道.基于人工空间等离子体云信道,可解决短波系统依赖于电离层状态的“靠天吃饭”问题,提升短波通信系统的抗干扰能力;亦可突破电离层的自然条件限制,拓展超视距传输的电磁频段范围,实现电波传播的新质能力.本文研究了Sm蒸气在电离层中的物理化学过程,建立了电离层Sm释放物理模型;仿真了空间等离子体云时空演化过程,利用射线追踪方法研究了空间等离子体云的超视距电波特性;建立了空间等离子体云全生命周期超视距散射模型,根据人工等离子体云电子密度强度及分布特性,将几何绕射理论引入人工等离子体云散射场的计算,研究了等离子体云地面散射场的时空变化特性.本文研究为人工空间等离子云超视距信息传输技术研究奠定了坚实基础.     

电离层高频传播点对点射线追踪仿真器

为了发展高效的高频(High Frequency,HF)电波点对点传播仿真工具,研究了一个HF电波经电离层反射传播的点对点射线追踪仿真器(Point-to-point Ionospheric Ray Tracing Simulator,PIRTS).该仿真器通过求解Haselgrove方程进行射线追踪,电离层传播环境使用三维网格,网格由国际参考电离层2007版(International Reference Ionosphere,IRI2007)生成或由电离图导出的真高剖面提供,地磁场使用国际参考地磁场第11版(International Geomagnetic Reference Field,IGRF11)建模.PIRTS能高效搜索连接发射点和接收点的所有射线,包括低角射线、高角射线以及不同层反射的射线.为了验证PIRTS的精度和实用性,比较了实测的与PIRTS仿真合成的垂测电离图,还比较了西安-莆田HF链路上观测的与PIRTS仿真的最大可用频率.对比结果表明:PIRTS具有较高的精度和较快的效率,能达到实用的水平,尤其适合于斜向电离图的仿真、HF通信选频等点对点传播问题.     

电离层斜向传播异常信号特性的研究

在对固定电路电离层斜向传播特性的长期连续观测过程中,发现了大量异常斜测电离图.通过对电离层行波扰动情况下电波传播路径的仿真计算,分析了它对电离层斜向传播信号的影响,并利用斜向探测数据,讨论分析了确定行波扰动基本参数的方法.     

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...     

基于遗传算法斜向探测电离层参数反演研究

斜向探测是电离层探测的主要方式之一,它能够获得电波传播群时延和频率关系的电离图。由于传输信号的媒质是电离层,因此斜测电离图包含了收发站之间电离层状态信息,通过对斜测电离图的反演可以提取电离层的状态信息。利用遗传算法,对斜向探测电离层参数进行了反演,获得了较好的结果,展示了该方法在电离层参数反演研究中的优点和实际应用前景。结果证明该方法具有一定的抗噪能力,具有良好的应用价值。     

一种基于HF返回散射电离图推断Es层参数的新方法

建立了一种Es层模型,该Es电子浓度的垂直分布剖面采用准抛物(QP)模型描述,沿水平方向的变化采用准余弦和线性模型相结合,其内部电子浓度分布具有连续性和光滑性.同时,Es和背景电离层的连接也是连续而且光滑的.基于该Es模型,利用三维数字射线追踪技术,研究了不同参数情况下Es对电波传播的影响,合成了不同参数经Es层反射的返回散射电离图前后沿描迹,在仿真研究的基础上,提出了一种基于返回散射电离图推断Es参数(包括Es临频、高度、厚度、Es发生区域)的新方法,实测数据验证的结果表明:该方法能够很好的拟合实测返回散射电离图,表明了Es模型和推断Es参数方法的有效性.     

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.     

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...     

基于粒子群优化的斜测电离图反演研究

斜向探测是电离层探测的主要方式之一,它能获得电波传播群时延和频率关系的电离图。斜测电离图包含了探测距离上电离层状态的有用信息,可以通过对这种电离图的反演提取电离层的状态信息。采用粒子群算法对斜测电离图进行了反演,取得了良好的效果。结果证明,该方法能够克服线性求解的不稳定性,获得较好的反演结果,展示了在处理实际斜向探测电离图的应用前景。     

电磁波在等离子体中的吸收特性和反射特性研究

飞行器再入时会形成等离子鞘套,而等离子鞘套的形成会严重影响电波的传播,造成通信障碍。因此,需要研究电磁波在等离子鞘套中的传播特性,该文通过理论分析推导了电磁波在等离子体中传播的条件和沿不同方向传播时电磁波传播特性的计算方法。同时利用理论推导的结果来研究了电磁波在等离子体中的吸收特性和反射特性,其结果具有很高的准确性。     

电磁波在等离子体中的吸收特性和反射特性研究

飞行器再入时会形成等离子鞘套,而等离子鞘套的形成会严重影响电波的传播,造成通信障碍。因此,需要研究电磁波在等离子鞘套中的传播特性,该文通过理论分析推导了电磁波在等离子体中传播的条件和沿不同方向传播时电磁波传播特性的计算方法。同时利用理论推导的结果来研究了电磁波在等离子体中的吸收特性和反射特性,其结果具有很高的准确性。     

电离层信道的时变特性对短波授时的影响

本文通过对短波时号电离层传播的长期观测研究，详细分析了时号经由电离层传播时出现的各种现象及对其短波定时性能的影响。理论研究和实验均表明：采取有效方法克服电离层电波传播因素的影响，现有短波定时的精度及性能有可能进一步提高。     

等离子鞘套中的电波传播问题研究

高速飞行器再入时表面形成的等离子鞘套对飞行器的通讯联络、飞行控制产生不可忽略的影响,本文研究再入飞行器包覆等离子体对电波传播特性影响的关键问题。通过研究空间高速飞行器包覆等离子体的形成物理机理,根据N-S动力学方程及k-epsilon 湍流模型,模拟高速飞行器表面包覆等离子体的流场参数,计算了包覆流场中的电子密度及等离子鞘套对电波的衰减,并且根据电磁窗口装置原理图,对磁化等离子体中的电波传播进行了仿真,结果表明该装置可明显降低电磁波衰减,对飞行器再入控制、通信研究具有明显意义。     

离子对SLF／ELF电磁波在电离层中传播的影响

在SLF/ELF频段,离子的磁回旋频率接近甚至高于电波频率,其对电波传播的影响不能忽略.深入分析了SLF/ELF电磁波在电离层中传播时,离子对折射指数、极化因子等参数的影响.研究结果表明:在离地高度大于200 km的高电离层,由于电子与离子的碰撞频率远小于磁回旋频率和电波的频率,离子对电波传播的影响很大.在离地高度70 km左右的低电离层,电子与离子的碰撞频率远大于磁回旋频率,离子对电波传播的影响就可忽略.因此,就SLF/ELF对电离层的反射而言,可不计离子的作用;但对于透射传播,应该考虑离子的作用.     

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.     

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.     

基于数值射线追踪的短波电离层传播轨迹研究

从电波传播的射线方程出发,在不考虑地磁场和碰撞的条件下,推导出了球坐标系下描述短波在电离层传输的轨迹方程.以准抛物电子密度模型为例,给出了求解参数方程组的初始条件.采用改进Euler数值方法求解轨迹参数方程组,得到短波轨迹的参数,实现了短波在电离层中的轨迹计算及仿真.仿真结果结果表明,用数值射线追踪法研究短波在电离层中的传播可以为短波天波通信的轨迹模拟和参数优选提供参考.     

斜测电离图反演及其不稳定性研究

在已知固定地面距离的发射站和接收站之间的扫频斜向探测技术能够获得电波传播群时延对频率关系的斜测电离图。由于传输斜测信号的媒质是电离层，因此斜测电离图包含了探测距离上电离层状态的有用信息，可以通过对这种电离图的反演提取电离层的状态信息。采用Rao对返回散射电离图的反演算法和解不稳定问题正则方法的结合对斜测电离图进行了反演。该方法能够克服Rao算法的不稳定性，获得较好的反演结果，展示了在处理实际斜向探测电离图的应用前景。     

空间目标监视雷达大气折射修正技术研究

无线电波在大气层中传播时,大气介质的不均匀分布会对电波产生折射效应,从而影响雷达的探测精度。对于航天目标的雷达探测,影响无线电波的介质主要是电离层。本文利用实时TEC数据同化的方式,建立了电离层电子密度现报模型,实现了电离层折射率剖面的实时构建。在此基础上,利用射线描迹法完成了航天目标雷达探测的折射误差修正。结果表明,相对于单纯使用电离层经验模型-国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型,利用电离层同化现报模型建立的电离层折射率剖面可大大提高折射误差修正的精度。     

快速算法实现电离层短波射线追踪

在不考虑地磁场和碰撞的条件下,利用基于费尔马原理的射线微分方程,采用直线几何近似和变步长技术相结合的快速算法实现了电离层短波射线追踪,达到了保证精度的同时提高运算效率的目的。引入亚大模型和附加扰动影响的准抛物模型描述电离层电子浓度剖面,验证快速算法的准确性和高效性。仿真结果表明,快速算法能够适应各种复杂的电离层电子浓度剖面,在保证精度的同时更迅速地计算射线的传播轨迹。