电离层非线性调制效应研究

论文摘要

现代无线通信、卫星定位导航以及卫星探测技术都依赖于电磁波在电离层中的传播,电离层等离子体的非线性效应会对电磁波的传播产生严重影响,使用大功率电磁波加热电离层是研究电离层特性的有效手段。针对电离层加热及电离层加热对电磁波传播的影响,论文完成了如下主要工作:首先,针对底部电离层的非线性区中的电磁波交叉调制现象进行了理论分析,推导了交叉调制度的计算公式并进行了数值仿真,分析了幅度调制的电磁波的调制频率、调制系数、功率、频率等参数对交叉调制度的影响。仿真结果发现在干扰电磁波的功率较大、调制频率较低以及波的频率较低时交叉调制现象最容易发生。且电离层75～90km高度附近交叉调制度大于其他高度。其次,从电离层的欧姆加热理论出发,根据电子能量方程和电子连续性方程,并结合电子能量的吸收和损失的经验公式,建立了低电离层的自洽加热模型。在不同的加热功率及加热时长的情况下,对电离层加热做了仿真计算,分析了电离层加热后电离层不同高度上的电子温度及电子密度的改变。研究结果表明电子温度增加速度较快,使得电子碰撞频率也迅速增加且增加幅度较大,电子密度则需要更长的时间才能增加。电离层对高频电磁波的吸收随频率增加效果减弱,且引起电磁波吸收的电离层峰值高度向下偏移,但加热效应仍然主要处于70-100km范围内。最后,针对电磁波在电离层加热区的传播特性进行了数值仿真研究。采用了球坐标系下的FDTD数值仿真方法建立了VLF电磁波传播模型,以UPML做为吸收边界条件,并引入电离层加热后的参数。分别以自然条件下和使用大功率电磁波加热后的电离层参数为初始条件,对VLF波在电离层中的传播过程进行仿真,对比了两种情况下电磁波的相位变化和传播衰减。发现加热电离层会使电磁波发生相位非线性的高度增加,但是变化也更剧烈。另外由于电离层加热后不同高度对电磁波的吸收率变化趋势不同,低高度上电磁波的吸收减小,高处的吸收增大,随时间变化也更明显,说明大功率电磁波加热电离层会对电离层中不同高度电磁波的传播特性产生不同的影响。随着加热的进行,碰撞频率和电子密度相继增加,VLF波的相位和衰减在不同高度上也表现出不同的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 电离层加热的研究
•     1.2.2 电离层加热实验装置
•     1.2.3 基于FDTD的电磁波传播模型研究
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 电离层中电磁波的交叉调制
•   2.1 电离层简介
•     2.1.1 电离层分层结构
•     2.1.2 参数模型
•   2.2 电离层非线性效应
•     2.2.1 非线性效应的机制
•     2.2.2 非线性效应的表现特征
•   2.3 交叉调制理论
•     2.3.1 电离层对干扰波的吸收
•     2.3.2 电子的能量平衡
•     2.3.3 电离层对探测波的吸收
•   2.4 交叉调制仿真分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 电离层加热理论
•   3.1 电离层加热原理
•     3.1.1 电磁波能量的吸收
•     3.1.2 电子能量的损失
•   3.2 电离层自洽加热模型
•   3.3 电离层加热结果分析
•     3.3.1 初始参数设定
•     3.3.2 加热波的选择
•     3.3.3 电子的能量变化
•     3.3.4 电磁波参数对加热效果的影响
•     3.3.5 电子密度及碰撞频率的变化
•   3.4 本章小结
• 第4章 电离层加热对VLF传播的影响
•   4.1 基于FDTD的 VLF传播模型
•     4.1.1 时域有限差分法
•     4.1.2 吸收边界条件
•     4.1.3 数值稳定条件
•     4.1.4 传播模型测试
•   4.2 加热后VLF波的传播特性分析
•     4.2.1 电离层加热对VLF波相位的影响
•     4.2.2 电离层加热对VLF波衰减的影响
•   4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘呈祥

导师: 于海雁

关键词: 电离层非线性,交叉调制,电离层加热,传播

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN011

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006209

总页数: 63

文件大小: 2856k