电离层拍波调制加热激励ELF/VLF波机理及其传播特性研究

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大功率ELF/VLF调制的高频无线电波能够有效地扰动电离层，形成等效的虚拟偶极子源，并辐射出能够向下传播进入地-电离层波导的ELF/VLF信号。本文基于电离层加热相关理论，建立电离层不同区域的加热模型，分析加热激励ELF/VLF波的机理，研究了ELF/VLF波在电离层和地-电离层波导中的传播，并计算了其在海面上被接收到的磁场幅值。论文主要工作如下：
　　1、简要介绍了电离层中相关参数，并给出国际上常用的电离层参考模型IRI-2012及大气模型MSIS90。利用这两个模型分析了不同纬度和不同时间电离层中电子密度、离子密度、中性粒子密度以及电导率随高度的变化情况。
　　2、以欧姆加热理论为基础，介绍了低电离层加热模型。选取了Troms?和Arecibo两个加热地点进行仿真计算，前者处于高纬地区而后者对应低纬地区。结果表明，当连续波注入时电子温度的饱和时间远大于电子密度的饱和时间；由于不同时间段初始时刻的电子温度和电子密度不同，最终达到稳态时两者的值也不相同。
　　3、在高纬地区和低纬地区低电离层的自然电场分别默认为25mV/m和5mV/m的情况下，计算了方波调制加热时Hall电导率和Pedersen电导率以及电流密度的大小。结果表明，Hall电导率和Pedersen电导率的振荡周期等于调制波频率，并且两者相位相反。在同等加热情况下对比Troms?和Arecibo两个地点的加热结果发现：高纬地区最终得到的振荡电流和等效偶极子源的高度均大于低纬地区。
　　4、在低电离层中，选择了方波调制加热和拍波调制加热两种不同的加热方式，比较了最终得到的等效电流的大小。分析可知，不同调制方式下，最终得到的等效电流大小不同；在同等加热条件下，方波调制的效率高于拍波调制，但拍波调制得到的信号质量优于方波调制。
　　5、高电离层加热不能忽略输运过程，因而相比于低电离层更为复杂。本文将动量方程、能量方程及连续性方程离散化，采用追赶法求得电子温度和电子密度随加热时间的变化情况。给出了拍波加热的理论分析过程，数值模拟了有质动力和热压力产生的电流。结果表明，F层中的有质动力产生的电流远大于热压力，大了约两个量级。
　　6、分析分层电离中的T矩阵。结果表明，地磁纬度越低ELF/VLF波传播的衰减率越大，因此当低频辐射源的强度一定时，高纬地区加热辐射的低频波更能有效的向下传播进入地-电离层波导。在电离层中倾斜向下传播的波，基本上在电离层中都会产生全反射很难继续向下传播，因而在准纵近似的条件下求得分层电离层中偶极子源在海面上产生的场的数值表达式。
　　7、考虑低电离层调制加热和高电离层拍波加热，并将前文中两种加热方式下计算所得到的等效偶极子源的大小和高度代入海面磁场的数值表达式，通过仿真计算得到了两种情况下等效偶极子源在海面上的磁场。结果表明，高电离层拍波加热得到的等效偶极子源高度较高，因而在海面上的磁场大小比低电离层调制加热小了大约1个量级。

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作者
詹捷;
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作者单位

西安电子科技大学;

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授予单位西安电子科技大学;
学科物理学
授予学位硕士
导师姓名李海英;
年度 2015
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类电波传播、传播机理;电磁波传播理论;
关键词
ELF/VLF波; 调制加热; 拍波加热; 准纵近似; 地-电离层波导; 传播特性;

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