电离层中电波传播的基础物理问题

该文以宏观电磁场理论分析电离层的基本结构和电波传播的基本特性，对电离层的分层，临界频率及其对电波的中收和双折射现象作出了物理解释，勾画出了电离层中电波传播的基本图象。     

中低纬度电离层偶发E层电波传播建模

基于电离层偶发E层(sporadic-E,Es)对电波传播的多条链路实测数据,认为电离层Es对入射电波的作用是反射和散射两种机制,且反射/散射的比例常数随着电离层Es临界频率的变化而变化,进而建立了包含反射、散射以及反射与散射共同作用的三段式电离层Es电波传播模型,并与国际电联(International Telecommunications Union,ITU)给出的Es层传播的电波场强预测模型进行了对比,验证了本文所建模型的正确性.该模型尤其适用于中低纬地区甚高频信号经Es层的传播研究.     

问题解答

问:电离层对无线电波的反射和吸收作用是怎样的?为什么电离层白天能反射的无线电波的频率比夜间高?对电波的吸收作用白天也比夜间强? 答:电离层对无线电波(以下简称电波)的作用是折射作用。电离层的电子在电波的作用下,发生振动,产生新的电波。所以在电离层里,电波是合成波,它的方向和进入电离层以前不一致,也就是发生了折射。理论和实验     

斜入射非线性电离层Langmuir扰动的电磁波传播特性

基于广义Zakharov模型,结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程,通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程,与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型.分析推导出TE_z波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程,然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法.通过仿真来证明该方法在较小倾角下,电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性.结果表明,在小角度入射下,大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波,同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播.本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性,为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.     

电离层与电波通信

介绍了等离子体电波传播折影响，阐述了电磁波在等离子体中的截止现象，这就是电离层作为地面上短波无线电通信的反射层的原理，同时指出了截止频率与短波最大通信频率的差别及其相互间的关系。     

人工电离层洞形态调制及其对短波传播的影响

本文在电离层中性气体点源扩散近似解的基础上,给出了多源释放动力学模型.分析了释放物质、释放高度、释放模式和释放量等因素对人工电离层洞形态调制的影响,并利用电离层短波三维数字射线追踪技术,对不同调制电离层洞的电波传播效应进行了数值模拟和分析. 关键词： 化学物质释放 人工电离层洞 形态调制 电波传播效应     

无线电窄波束在低电离层中的聚焦和散焦

 推导了无线电窄波束在电离层中传输的非线性几何光学方程,分析了无线电窄波束在低电离层中传输的聚焦和散焦原理,推导出了散焦参数和聚焦参数的计算公式,研究了无线电窄波束在低电离层中传输的散焦现象,讨论了电波频率和功率对发散波束宽度的影响。计算结果表明：低电离层主要表现为一种散焦介质,使电波波束发散,当电波频率较低并且功率较大时,波束散焦现象非常明显,使到达目标点的功率密度大幅度降低,而当频率达到数GHz时,波束散焦现象很微弱。     

关于地球曲率对低频电波电离层反射系数计算的影响

本文讨论了地球曲率对低频电波电离层反射系数计算的影响,将马克斯韦方程在球坐标下展开,得到一组电磁波横分量的微分方程,电离层的表面导纳可根据此方程用类似于Budden方法计算,从而即可算出球面分层的电离层的反射系数。     

基于极化强度叠加模型的高功率微波混合气体传播特性

 基于气体极化强度叠加模型,推导了混合气体的介电常数,得到了高功率微波在混合气体中传播时的折射指数和衰减系数。研究发现,高功率微波大气电离产生的混合气体是快速时变的色散有耗介质。根据其色散性分析了微波在混合气体中的传播速度以及微波脉冲在其中的展宽效应,同时,根据其有耗性对微波脉冲在混合气体中传播时的缩短效应进行了研究。研究结果均能自洽地过渡到对流层或电离层电波传播理论。     

高功率微波在低电离层中的互作用效应分析

 高功率微波在低电离层中传输时会产生非线性效应。分析了低电离层中HPM的互作用效应，推导了HPM在低电离层中传输的互作用因子同初始场强和微波频率的关系，并对不同条件下振幅交调深度同两个脉冲的延迟时间之间的关系进行了理论研究与数值模拟。结果表明：改变脉冲的延迟时间，振幅交调深度的变化规律也随之改变；为了减少吸收衰减，低电离层中传输的HPM电波的干扰波电场初始振幅与特征等离子体电场振幅的比值应保持在10以下。     

高功率微波在电离层中传播的折射率研究

 高功率微波在电离层中的传播特性主要由其折射率的变化决定，而高功率微波的大气折射率与相应传输层面的电子浓度有关。结合电离层电子浓度分布模型对电子浓度和大气折射率进行了数值模拟，对电离层折射率以及折射率垂直梯度相对于高度的变化特性进行了分析。结合射线描迹法对高功率微波波束传播高度、仰角和距离进行了修正，并在低功率微波下进行实验验证，证实修正值更接近实际值。     

森林环境电波传播抛物方程模型的改进研究

将森林看成空气和植物组成的混合物, 应用两相混合物折射模型求解了森林的等效介电常数, 通过与实验结果的对比, 验证了该模型的正确性. 将该森林介电常数求解方法引入到抛物方程的森林模型中, 改进了抛物方程的森林模型. 相对于传统的森林环境电波传播模型, 该模型能考虑森林各组成要素对电波传播的影响, 更适合于实际不同地区、不同种类植物分布的森林环境中电波传播特性的求解. 此外, 引入了非均匀网格技术, 有效提高了大区域森林环境中电波传播问题的求解效率.最后基于该模型仿真分析了森林的植物体积含量、重量含水量等要素对电波传播特性的影响. 关键词： 森林 抛物方程 非均匀网格 电波传播     

邦奇-布鲁耶维奇（Bontch-Bruyervitch，M A，1888-1940）俄国物理学家（Physicist，Russia）

1922年邦奇-布鲁耶维奇在莫斯科建立了世界上第一座大功率（12kW）无线电广播电台，后又设计了大功率水冷振荡电子管和短波定向天线，用电波回波法研究电离层。著作有《电子管在实验物理中的应用》（廖增祺等译，高等教育出版社1958年出版）。     

复杂地理环境的图像分割及电波传播特性

复杂地理环境是电波传播不可避免的传播环境,不仅不规则地形会对电波传播产生影响,不同的地表媒质对电波传播也会产生不同的影响。为了使得电波传播特性的预测结果更加地准确有效,通过图像分割算法实现地表环境的简单分类,同时对不同的媒质赋予不同的电磁参数,并结合数字高程模型(DEM)数据,实现了既具有地形起伏信息又具有地表电磁环境参数的复杂地理环境建模。在此基础上,对地表电磁环境信息做了网格剖分处理,利用抛物方程(PE)模型对复杂地理环境下的电波传播特性进行了预测。     

高空核爆电磁脉冲穿透电离层数值计算

 电离层对电磁脉冲传播的影响可以用一个频域的电流密度来描述,在时域则等效为一附加的电流密度和电导率。推导了附加电流密度和电导率在时域的表达式,它们是电离层参数和作用电场的函数,并以差分方程的形式给出。高空核爆电磁脉冲(HEMP)的计算是在时域进行的,将该电流密度和电导率计算方法应用于HEMP产生和传播的自洽计算中。作为算例,计算了100 km高空核爆电磁脉冲产生和向上传播的3种情况,并对计算结果进行了比对分析。计算结果表明:电离层时域计算方法与核爆电磁脉冲计算方法的结合是合理有效的,爆点上方考虑电离层影响的HEMP要比不考虑电离层影响的结果小得多。     

基于柱坐标系抛物方程和矩量法的电波传播混合算法

针对包含近源障碍物条件下的电波传播问题,提出了一种新颖的电波传播预测混合建模方法:矩量法(MOM)和圆柱坐标系抛物方程法(PEM)混合建模方法(MOM-PEM);MOM用于包含辐射源和近源障碍物的小圆柱区域内的电波传播建模,PEM用于MOM计算空间外的大区域范围内电波传播建模。MOM和PEM的计算过渡区域进行精细化网格剖分处理以避免场强数值传递的不兼容。仿真模拟了三类近源障碍物存在场景下的电波传播问题:有限开窗屏障碍物、立方体障碍物以及包含辐射源的半封闭空间障碍物,并将混合算法计算得到的结果和相同环境下采用全矩量法计算得到的结果进行了数值对比,结果表明混合算法和矩量法在精度上吻合较好。     

高功率电磁波脉冲在电离层中的传播

 用时域伪谱(PSTD)算法数值模拟了高功率电磁波脉冲在整个电离层中的传播。利用缩减的电离层模型并忽略非线性过程,脉冲在电离层中的传播可用脉冲在冷等离子体中的传播方程来描述。时域有限差分(FDTD)法解决这个问题将耗费大量的时间和内存,因此,使用PSTD方法来解决冷等离子体中的方程,并采用完全匹配层边界条件截断求解空间。所得脉冲在整个电离层传播的数据显示,在265 km附近有一个分界点,其以下是反射波,以上既有反射波又有前向波。这与用高阶(FD)2TD方法数值模拟结果一致,表明时域伪谱算法模拟电磁波在电离层中长距离传播的有效性。     

时域全波电磁计算程序JEMS-FDTD在复杂电磁环境研究中的应用

将自主研发的大规模并行三维全波电磁场时域求解程序JEMS-FDTD应用于复杂电磁环境问题,计算并分析了楼宇内电波传播特性和飞行器瞬态电磁特性。对楼宇内电波传播特性的计算获得了建筑物内任意位置的电磁场分布和电磁脉冲在建筑物内的时域传播过程,其结果可用于无线通信和电磁环境安全研究;对飞行器瞬态电磁特性的计算获得了飞行器舱内外瞬态电磁近场分布,其结果可用于飞行器强辐射场防护等研究。     

飞行器高动态GPS定位数据处理方法

针对飞行器高动态飞行环境，对GPS应用的几点关键问题进行了分析和研究，并且利用仿真建模平台对研究结果进行仿真验证。首先根据再入航天器飞行高度高、速度快、飞行距离远等特点，对GPS定位方式进行选择。采用了伪距单点绝对定位方法进行定位，硬件要求简单、效费比高，能达到预期的精度，由此对伪距单点定位测速方法进行了介绍。接着结合载体高速运动的特性，在分析了通常的电离层余弦修正模式和介绍电离层的基本特性与描述的基础上，提出了动态修正的定位方法。该方法是以Bent电离层模型为基础，     

电力线谐波辐射在分层各向异性电离层中的传播特点

电力线谐波辐射特指在电离层或磁层中观测到的来源于地面电力系统输电线的电磁波辐射, 其在电磁场时频功率谱中表现为400 Hz至5 kHz范围内, 频率间隔为50/100 Hz或60/120 Hz 的平行谱线, 已成为近地空间环境的一种人为污染源. 对于该现象的形成机理尚缺乏定量研究. 本文研究了非理想导电大地上方由电偶极子源产生的电磁场在分层各向异性电离层中的传播模型, 提出了一种新的求解方法, 有效解决了编程计算中的数值溢出问题, 并利用已有解析解对所提方法进行了验证. 在此基础上, 利用实际电力线、大地、电离层的相关参数, 研究了偶极子源频率、电离层下边界高度、大地电导率、地磁场方向等对电力线谐波辐射在电离层中的传播的影响. 结果表明, 频率等于地-电离层波导导波模截止频率时透入电离层的电力线谐波辐射强度更大; 谐波电流一定时, 大地电导率小的地区, 电力线谐波辐射的功率更大; 电力线谐波辐射在电离层中沿地磁场方向传播. 本文所得结果有益于阐释电力线谐波辐射现象的形成机理.