大功率无线电波与低电离层的相互作用

地面入射的大功率无线电波能加热电离层等离子体，引起电离层电子温度和密度的扰动，实现电离层的地面人工变态．本文中，着重考虑电波和电离层相互作用过程中的自吸收，构造一个自治的相互作用模型，在一定功率和频率的加热电波作用下，利用该模型计算了白天低电离层电子温度和由温度的变化而引起的电子密度的变化．计算结果表明，在白天低电离层，电波的自吸收在90km以下比较显著，而最大温度变化在70km高度上，大约增加了2倍．在α复合的假设下，电子密度变化幅度随高度的增加而减少，在70km处，大约增加55％、120km处则为4％左右．     

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.     

大功率无线电波对高电离层的加热

根据动量方程、能量方程和电子的连续性方程，在偶极扩散的假设下，建立了地面入射的大功率无线电波加热高电离层的理论模型．作为应用，对以上方程组数值求解，计算了高电离层(150-400km)电子温度和电子密度随时间的变化．计算结果表明，对于一定参数的发射机，一定的吸收模型，电离层电子温度和密度均有明显的变化．我们发现，应用本文选取的加热参数，在电波反射点附近，电子温度有10％-25％的增加，电子密度有1％-2％左右的减少．电子温度达到稳态的时间要快于电子密度达到稳态的时间．最后，用本文的结果解释了电离层加热实验中的一些观测现象。     

预加热时间对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续方程和能量方程，建立预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型，模拟大功率电波幅度调制电离层电导率和电流随时间的变化，分析预加热时间对幅度调制产生的极低频/甚低频（ELF/VLF）强度的影响.结果表明，低电离层中的电流能够被大功率电波有效调制，可以作为ELF/VLF电波的辐射源.预加热幅度调制模式在预加热时间较长时效果更明显.在考虑能耗的情况下，当有效辐射功率为200MW及高频波的调制频率f_ELF/VLF为1kHz时，预加热幅度调制模式辐射ELF/VLF加热0.1s时效果最好，强度可提高约7.95dB.      

背景条件对低电离层预加热幅度调制的影响

基于电离层连续性方程和能量方程,建立了预加热模式下低电离层幅度调制加热理论模型,研究预加热阶段电离层电子密度和调制阶段电流随预加热时间的变化,探讨不同背景条件对幅度调制产生的极低频/甚低频（ELF/VLF）电磁波强度的影响.结果表明,预加热调制在90~100km高度效果较好,在夜间进行预加热调制激发的ELF/VLF强度增幅不明显,各季节中在春季调制强度增幅最大,太阳高年预加热调制比太阳低年的效果好,低纬地区强度增幅远大于中纬地区强度增幅.在一定加热条件下（有效辐射功率200MW,频率1kHz）,不同背景条件（除夜间外）下的预加热幅度调制模式在考虑能耗情况下,均在预加热10s时效果最好.      

电离层Es电波传播模型研究

考虑大气折射的影响,对不同高度Es层条件下大圆路径传播距离与仰角的关系进行计算.基于电离层Es电子密度时空分布特点,建立高阶Es反射模型;运用高阶修正贝塞尔函数表示电离层Es电子密度扰动的自相关函数,综合考虑电离层Es各向异性结构的尺度关系,建立高阶Es散射模型.仿真计算Es层VHF斜入射传播衰减与频率、距离的关系.对于反射模型,Es层厚度越厚,电波衰减越大.对于散射模型,Es层不规则体水平尺度相同,垂直水平漂移的尺度越大,衰减越大;而垂直水平漂移的尺度相同,水平尺度越大,衰减越小.无论反射模型还是散射模型,f₀E_s越高,衰减越小;电波工作频率越高,衰减越大.对比建立的模型与VHF链路的测量结果,明确不同强度的电离层Es反射/散射机制,证明了建立模型的正确性.      

非相干雷达探测低电离层的结果分析

位于波多黎各的Arecibo非相干雷达可以获得低电离层电子和离子密度, 利用此非相干雷达数据对中纬度低电离层的运动特征进行研究. 得到了电子密度随时间和高度的变化 情况, 结果显著呈现出周日变化特征, 并分析了电子密度随高度的变化规律. 进一步对数据进行频谱分析, 深入研究低电离层电子密度的周日变化效应. 得到电子密度的高度剖面, 发现从F层底部到E层有明显的等离子体沉降. 低电离层的层结构特征及电子密度变化表明, 在该区域还存在不同程度的等离子体扰动, 由此对低电离层的作用因素 进行分析, 认为大气潮汐或声重波可能对低电离层产生扰动, 即低电离层与大气存在一定程度的耦合作用.      

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.      

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.      

Physical and model interpretation of HF radio propagation on the St. Petersburg–Longyearbyen (Svalbard) path

HF radio wave observations have been carried out with an oblique ionospheric sounding (OIS) method on the radio path from St. Petersburg to Longyearbyen (Svalbard), and experimental ionograms were obtained for December 2001. These ionograms have been analysed to investigate the impact of the main ionospheric trough (MIT) and magnetic disturbances on the signals on this path. The observations during weakly disturbed (K_р = 2) magnetic conditions on 14–15 December 2001 were compared with predictions from ray-tracing through a numerical model of the ionosphere. The ray-tracing computer program synthesizes the OIS ionograms by means of the “shooting method”. This method calculates trajectories of HF radio waves for different values of elevation angle and transmission frequency. There was a variety of calculated trajectories, from which we choose those which reach the receiver, and the selected paths provide a synthesis of the oblique ionograms. To simulate HF radio wave propagation, we apply a three-dimensional distribution of the electron density calculated with the mathematical model of the high-latitude ionosphere developed in the Polar Geophysical Institute (PGI). These numerical simulations permit us to interpret specific peculiarities of the OIS data such as abnormal propagation modes, increased delays of signals, enhanced MOF (maximum observed frequency) values etc. New results of the study are summarised as follows. (1) An unusual feature of the propagation along the path is the change of propagation mechanism during substorms on entering a path midpoint (or 1-hop reflection point) to the MIT. (2) Even weak substorms, having the distinguished intensities, lead to the appearance of different types of irregularities observed by the CUTLASS radar and therefore to the different propagation modes and F2MOF values. (3) The PGI model of the ionosphere was first used for ray-tracing at high latitudes. The model results are basically in a good qualitative agreement with experimental observations. This model provides the satisfactory agreement between the calculated and experimental F2MOF values while not correctly representing the fine structure of the experimental OIS ionograms at night. An agreement between the calculated and experimental data is better for day and evening hours than at night.     

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.      

Enhancement of VLF-ducts under the action of high power radio wave on the ionospheric F-region

Wave effects are discussed pointing to improvement of whistler propagation in the ionosphere illuminated by a powerful radio wave. The large scale irregularities (ducts) responsible for these effects are formed in the illuminated ionospheric region by the process of electron heating by the fields of the pump wave and excited plasma oscillations. These irregularities may also be created in the ionosphere and plasmasphere by fluxes of suprathermal electrons accelerated by the plasma turbulence in the reflection region of the pump wave.     

Numerical study of traveling ionosphere disturbances with vertical incidence data

High frequency ionosphere vertical sounding, as an important and representative application for detecting the ionosphere and studying the characteristics of radio propagation, can be utilized to monitor the ionosphere continuously variation and to acquire the ionosphere asymmetrical features of diverse scale above the ionosphere vertical sounding stations. This is a first article on real time application of numerical methods to obtain the parameters of traveling ionosphere disturbances (TIDs) using vertical incident ionograms. In this paper, the distribution of ionosphere electron density with TIDs is constructed using a background ionosphere model superimposed a perturbation theory model. The background ionosphere electron density is modelled by the inversion of vertical incident ionograms which are observed before the appearance of the disturbance. Based on the fourth order Adams-Bashforth-Moulton (the so-called ABM) predictor corrector method, instead of Runge-Kutta method, the fast digital ray tracing method is established. According to process of the disturbed trace simulation and parameters inversion, the characteristic parameters of ionosphere disturbance at different detection time can be obtained in real time. The numerical analysis of TIDs is then captured completely.     

中纬E层临界频率和低电离层的电子密度剖面计算

本文给出了计算中纬E层临界频率(f_0E)和低电离层的电子密度分布与太阳天顶角、太阳黑子数、地方时之间关系的经验公式.由它对不同年、月、日以及午前、午后情况进行计算的结果与实验探测数据符合得较好;将该公式用于长波传播和吸收计算也得到了与实验一致的结果.此外, 它还能由实测的f_0E值算出D区电子密度分布.      

低纬地区夜间电离层底部电子浓度与磁扰的关系

本文利用100kHz的低频无线电波资料,计算分析了1986—1987年期间,几种不同磁扰情况下,低纬地区夜间电离层中100km以下区域积分电子浓度及其变化的起因.结果表明:该区域电子浓度的变化与地磁扰动关系密切.在磁静日期间,其值较小,且随磁扰而变化,但比磁扰滞后1到2天.在磁暴后,其值较大,会出现几次剧烈起伏.该区域积分电子浓度的起伏可大于一个量级.沉降电子产生的动致辐射可能是引起该区域电子浓度变化的主要原因之