电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.      

电离层Es离子分布数值建模

从离子连续性方程和动量方程出发,比较全面地考虑了太阳光电离、星光电离、地冕电离、星际背景电离和流星离子流等电离源,综合分析Es层的主要动力学过程和光化学过程,以风剪切理论为基础,研究中性成分碰撞、电场作用、金属离子作用和分子离子作用等机制对离子分布的影响,建立了一维时变电离层Es物理模型.对离子产生率、垂直方向的离子速度在高度和时间上的变化进行仿真和计算,得到了在电场及风剪切作用下的离子密度剖面24h内的变化规律.根据建立的模型,以昆明相干散射雷达观测的径向风结果作为模型输入参考,仿真并得到了电离层Es电子密度的时空分布,据此反演出电离层Es临界频率f₀E_s.与昆明站电离层测高仪同时间观测的情况进行对比,结果比较一致,验证了建立的Es层物理模型正确性.      

基于一维模型的高频电波加热电离层F层数值研究

基于电离层一维仿真加热模型,详细介绍了模型中电子的动量方程、连续性方程、能量方程和各类参量表达式,利用对角矩阵追赶法数值求解电离层F层加热过程,分析了不同时次电子数密度和电子温度的变化,讨论了不同频率和不同功率电波加热的情形.结果表明:当高频电波加热高电离层时,电子温度迅速增加,并很快趋近于饱和状态;电子密度的变化较为迟缓,但在加热过程中其变化幅度却越来越大;电子密度变化量在沿磁场方向上形成空洞和上下稠团两峰一谷构型;频率越大、功率越高的电波加热时,电子密度的变化也越大,但存在一适值频率的电波对电子温度的影响最小.      

大功率无线电波加热低电离层

等离子体对大功率电波的欧姆耗散会使电子温度升高,进而导致电子密度和其他等离子体参数改变,实现电离层的地面人工变态.本文基于大功率无线电波与低电离层相互作用的自洽模型,分析了不同入射条件下电离层参数的变化,主要结论如下:电离层D区是电波的主要吸收区,并且其吸收强度随入射频率的升高而降低,当入射频率为6 MHz（有效入射功率为200 MW）时电子温度的最大增幅约为520 K,电子密度最大增幅为7300 cm^-3左右;电子温度达到饱和所需时间小于电子密度的饱和时间,前者具有μs量级,后者具有ms量级;停止加热后,电子温度和密度迅速恢复到初始状态,恢复时间均小于各自的饱和时间,但量级相当;入射功率越高,电子温度和密度的增幅越大,并且饱和时间也越长,在相同入射条件下,夜晚的饱和时间要大于白天.     

东亚地区Es特性研究

Es是发生在电离层E层高度上的偶发不规则结构,其电子密度最高可达E层背景电子密度的100倍以上. 远东地区是全球Es的高发区,其相关研究具有独特性和典型性,该地区Es形态学特性的深入研究对于探索Es成因及揭示其本质具有重要意义. 本文利用中国电离层垂测网50余年的垂测数据,结合日本垂测网数据对东亚地区Es的强度特性、空间分布特性、日变化、季节变化以及长期变化趋势进行了深入分析,得到一些有意义的结论.      

GPS卫星信标信噪比的统计分析

GPS卫星信标信噪比(SNR)受到卫星上的发射机增益、地面站的接收机增益、卫星与接收机之间的几何距离、接收机处的仰角、信标传播路径上电离层介质衰减等因素的共同影响.首先提出了一种从SNR观测数据中分离出SNR在电离层中衰减的算法,并应用于MANA接收站(273.751°E,12.149°N)2003年的观测数据,得到了一个电离层介质引起的对L波段信标SNR衰减日变化的平均情况.通过与IRI模式计算的电波垂直穿过电离层时衰减的SNR比较发现,由我们得到的SNR在电波垂直穿过电离层时的衰减与IRI模式计算的衰减随地方时的变化符合得比较好.      

一种电离层场向不规则体各向异性散射模型

电离层场向不规则体散射具有很强的方向性, 利用电离层场向不规则体散 射进行VHF频段超视距通信时, 需要准确可靠地确定其散射分布特性及路径损 耗等参数. 基于电离层不规则体场向散射的特点, 以地球地磁场为坐标系统, 提出了一种电离层场向不规则体各向异性散射模型, 该模型能够计算前向和后 向散射链路的路径损耗分布、时延展宽和相干带宽等参数, 同时运用该模型对 雷达横向截面的计算结果与已有文献的数据结果进行对比, 证明了该模型的准确性. 该模型能够计算电离层场向不规则体VHF频段的散射分布及路径损耗等参数, 为VHF散射通信链路的设计、布站提供依据和技术指导.      

电离层拟合方法及路径参数量化分析

针对多层电离层,采用反抛物层作为连接层来描述电离层之间区域的电子密度分布.以电子密度和其相对于高度的一阶偏导数连续为依据,拟合出连接层的临界频率、半厚度和底高等电离层参数.将电离层的准抛物模型和连接层的反抛物模型中计算出来的等离子频率代入Appleton-Hartree公式和Snell定理,结合射线的几何结构完成多层电离层中的射线追踪,同时计算群路径、相路径和传输距离这3种重要的路径参数.分析当给定频率时,路径参数与入射角之间的关系,群路径、相路径与传输距离之间的关系,频率对路径参数之间变化关系的影响;同时分析了给定入射角时,路径参数与射线工作频率之间关系和入射角对于路径参数之间变化关系的影响.     

南京地区斜向加热电离层效应数值模拟

与垂直加热相比,斜向加热电离层具有灵活性高、影响范围广和便于实际操作等优势.在非偏区考虑欧姆吸收,基于电子能量方程和连续性方程构建电波斜向加热低电离层的物理模型,并利用IRI-2007和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对南京地区斜向加热低电离层进行数值模拟,对比不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况.研究结果表明:电波加热效果随入射仰角和有效辐射功率的增大而增大;电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小;X波模比O波模造成的电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大,同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态;一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快达到稳定,后两者还能加快电子温度达到稳定的过程;电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化,仰角为62°时达到最大.      

基于电离层加热的人工沿场散射RCS估计

在电离层加热理论研究和试验研究的基础上, 根据F层散射体的特征和不均匀体散射理论, 建立了人工沿场散射(AFAS)中散射体的散射截面积数学模型. 通过与国际上理论结果对比, 证明了模型的适用性. 利用模型估算了中国人工沿场散射通信中, 通信频段在20~100 MHz时散射体的散射截面积, 结果显示, 甚高频率(VHF)的低端可达80 dB•m2. 另外, 通过计算验证了雷达波束垂直地磁场方向时可获得最大散射截面积的理论.      

Fading in the HF ionospheric channel and the role of irregularities

It is well known that the ionosphere affects radio wave propagation especially in the high frequency (HF) range. HF radio waves reflected by the ionosphere can reach considerable distances, often with changes in amplitude, phase, and frequency. The ionosphere is a dispersive in frequency and time, bi-refractive, absorbing medium, in which multipath propagation due to traveling irregularities is very frequent. The traveling irregularities undulate the reflecting ionospheric layer, introducing variations in signal amplitude (fading). In this multipath time variant channel fading is mainly considered, even though it is not the sole effect. Echo signals from a single reflection, as in ionospheric vertical sounding (VIS) techniques, are affected by a certain degree of variability even in quiet ionospheric conditions. In this work the behavior of the ionospheric channel is studied and characterized by observing the power variation of received echoes using the VIS technique. Multipath fading was analyzed quantifying the power variation of the signal echo due to irregularities on a temporal scale from 0.5 to 256 s. An experimental set-up derived from an ionosonde was implemented and the analysis was performed employing a special numerical algorithm operating off-line on the acquired time sequence of the signal. The gain-loss of the irregularity shapes are determined in some special cases.     

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.      

Impact of heliogeophysical disturbances on ionospheric HF channels

The article presents the results of the observation of a strong magnetic storm and two X-ray flares during the summer solstice in 2015, and their impact on the HF signals characteristics in ionospheric oblique sounding. It was found that the negative phase of the magnetic storm led to a strong degradation of the ionospheric channel, ultimately causing a long blackout on paths adjacent to subauroral latitudes. On mid-latitude paths, the decrease in 1FMOF reached ～50% relative to the average values for the quiet ionosphere. It is shown that the propagation conditions via the sporadic Es layer during the magnetic storm on a subauroral path are substantially better than those for F-mode propagation via the upper ionosphere. The delay of the sharp decrease in 1FMOF during the main phase of the magnetic storm allowed us to determine the propagation velocity of the negative phase disturbances (～100 m/s) from subauroral to mid-latitude ionosphere along two paths: Lovozero – Yoshkar-Ola and Cyprus – Nizhny Novgorod. It is shown that both the LOF and the signal/noise ratio averaged over the frequency band corresponding to the propagation mode via the sporadic Es layer correlate well with the auroral AE index. Using an over-the-horizon chirp radar with a bistatic configuration on the Cyprus – Rostov-on-Don path, we located small-scale scattering irregularities responsible for abnormal signals in the region of the equatorial boundary of the auroral oval.     

中层及低热层大气对局地时变热源的响应

采用二维交替方向隐格式(ADI),数值模拟了中高层大气对一个位于对流层高度范围的局地时变热源的响应．分析了这一过程中大气响应的能量密度,水平波数,垂直波数以及频率．模拟结果表明:响应波动携带能量向上传播,集中在较为狭窄的水平区域,该区域关于源的水平位置对称;相对于动量源驱动,热源的水平尺度对响应的水平波长决定性作用更加明显;对于高频振荡的热源,其响应的频率和源一致;响应的垂直波长(41 km)比源的垂直尺度(6 km)大得多．     

赤道反向电射流中不均匀性的对流放大特性及对某些观测特性的解释

本文分析了反向赤道电射流条件下的不均匀性的对流放大特性。根据电射流不稳定性的线性理论,对一个分层均匀的电射流的模式的数值计算表明:在反向电射流条件下,电射流不均匀性有如下的特性:在波的传播过程中,在上电射流区内,波矢向下旋转,在下电射流区内,波矢向上旋转;在驱动电场E_D数值相同的情况下,反向电射流条件下的射线路径积分增长率r比正常电射流情况的要小得多。这是由于波的群速度方向是向下的,而电子密度梯度起稳定化作用。对于电子密度的特征长度L_N=6km和│E_D│=0.8mV/m,波长λ=10m,高度h≥105km,有r<20。在这一高度范围,波可能是不饱和的,增大L_N,使波在h=105km饱和的临界电场│E_D│值减小。上述计算结果可解释某些在反向电射流条件下,在Addis-Ababa观测到的10m波长雷达回波的特性。      

高频电波在背景备向异性和不均匀的随机起伏电离层中的传播

运用波动理论,讨论背景为各向异性、不均匀的随机起伏电离层中高频电波的传播和散射问题,给出了电离层不均匀体散射引起的反射回波波场的起伏,并在垂测条件下计算了接收波场的相位与振幅起伏的谱分布。      

VLF电波渗透到卫星高度电离层传播的全波计算

考虑斜向地磁场的影响将电离层设为多层水平分层各向异性有耗介质, 利用传播矩阵法求解全波方程, 进而研究分析VLF频段电离层反射系数随电波频率的变化, 电离层中两种特征极化波的折射和极化特性, 两特征波的电磁场水平分量以及坡印廷能流密度随传播高度的变化. 数值计算结果表明, 地—电离层波导中的垂直极化波比平行极化波易渗透进入电离层; 电离层中两种特征极化波可分为左旋和右旋圆极化波, 左旋分支由于D层强吸收作用表现为速衰减模, 而右旋分支表现为可传播模, 在传播过程中电磁波的能量主要存储在磁场中; 电波频率越低, 其在电离层中的传播损耗越小. 由数值模拟结果发现, 卫星监测VLF频段的低频部分及更低频段的水平磁场变化对于发现地震电离层电磁前兆异常可能更为有效.      

On the generation of the stimulated electromagnetic emission. The computer simulation results

Results of computer simulations of the broad continuum (BC) feature of stimulated electromagnetic emissions (SEE) of the ionosphere are presented. The simulations were performed using the model of BC generation based on the double transformation of electromagnetic waves to upper hybrid (UH) waves and back with artificial small scale irregularities (ASI) of plasma density. An induced scattering of the UH waves by thermal ions provided a wide spectrum of SEE. For the simulations an empirical model of the ASI spectrum, development and decay was used.