高緯地區(qū)電離層加熱激勵(lì)ELF-VLF傳播特性.pdf

1、隨著雷達(dá)硬件設(shè)施、機(jī)理研究和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的改進(jìn)提高，許多電離層加熱效應(yīng)被相繼發(fā)現(xiàn)。調(diào)制加熱低電離層激勵(lì)的極低頻/甚低頻波（ELF/VLF）輻射，體積小，機(jī)動(dòng)靈活，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，并對(duì)深海潛艇通訊等方面有重要應(yīng)用。本文從電離層加熱的基本理論出發(fā)，系統(tǒng)地研究了高緯度地區(qū)電離層加熱激勵(lì)出的ELF/VLF波在地-電離層波導(dǎo)中的傳播理論。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴給出了地磁場(chǎng)影響下的電離層電導(dǎo)率張量形式，研究了隨高度變化的電子濃度、碰

2、撞頻率以及電導(dǎo)率張量的各分量分布情況。闡述了低電離層加熱中起到主要作用的歐姆加熱理論。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了2011年11月我國(guó)在挪威Troms進(jìn)行的電離層加熱實(shí)驗(yàn)中非相干散射雷達(dá)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，研究了不同加熱模式下不同高度電離層的電子溫度、電子密度等的變化效應(yīng)。計(jì)算了加熱時(shí)電離層電導(dǎo)率張量的具體變化。研究發(fā)現(xiàn)，加熱期間電子溫度和電子密度在一定高度范圍內(nèi)都產(chǎn)生了明顯的增加；對(duì)于低電離層采用X波加熱效果好。⑵從電子能量方程出發(fā)，建立低電離層

3、調(diào)制加熱模型，給出了加熱時(shí)能量的吸收和損耗經(jīng)驗(yàn)公式，研究了高緯度地區(qū)電離層加熱時(shí)的能量吸收率和損失率的高度分布。介紹了ELF/VLF輻射源的產(chǎn)生機(jī)理，并從理論上分析ELF/VLF天線計(jì)算方式。模擬了加熱時(shí)電子溫度的時(shí)間演化特性以及電離層的電導(dǎo)率張量各分量，以及電導(dǎo)率擾動(dòng)量的高度時(shí)間分布。計(jì)算了激勵(lì)出來的振蕩電流的大小。分析發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率產(chǎn)生了周期性擾動(dòng)，加熱對(duì)Pedersen電導(dǎo)率和Hall電導(dǎo)率的作用相反。調(diào)制頻率對(duì)Pedersen電導(dǎo)

4、率的影響比對(duì)Hall電導(dǎo)率的大。隨著調(diào)制頻率增大，Pedersen電導(dǎo)率呈減小趨勢(shì)，而Hall電導(dǎo)率變化不大。⑶將高緯度地區(qū)低電離層加熱激勵(lì)的源進(jìn)行等效，從麥克斯韋方程組出發(fā)，利用傅里葉變換和反變換，采用準(zhǔn)縱近似方法，結(jié)合邊界條件，計(jì)算了電離層中的等效偶極子源接近垂直方向向下傳播的波分量在海面附近的場(chǎng)。海面上接收到的輻射強(qiáng)度為10-7A/m量級(jí)。研究了不同調(diào)制頻率下的波傳播效應(yīng)。頻率較低，效果較好。當(dāng)下行波已經(jīng)進(jìn)入空氣后，波在兩個(gè)界面之

5、間多次反射，將有若干個(gè)最大、最小點(diǎn)。⑷采用拋物方程方法（PE）研究不同頻率的電離層加熱激勵(lì)的ELF/VLF源在地-電離層波導(dǎo)中傳播的單程傳輸損耗、以及場(chǎng)強(qiáng)的分布等。地-電離層波導(dǎo)高度較高，折射指數(shù)采用分段處理的方式。重點(diǎn)介紹了邊界條件及初始場(chǎng)的情況，以及折射指數(shù)的分段處理，用后向差分離散混合傅里葉變換方法計(jì)算了不同頻率下的單程傳輸損耗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在向遠(yuǎn)處傳播過程中，在地面附近和電離層下邊界附近時(shí)損耗較大，中間空氣中損耗較小。⑸用波導(dǎo)模理