地基ELF线天线在地-电离层壳体中产生的场

为了研究地震产生的机理, 需要分析和研究地基极低频(Extreme-Low Frequency, ELF)电磁波的传播特性.地基任意ELF线天线产生的电磁场可由ELF点源产生的电磁场进行叠加.通过地基ELF点源电磁场的表达式导出了ELF线天线在地-电离层壳体中电磁场的表达式.利用加速收敛算法得到了单条和两条ELF线天线产生电磁场的场强空间分布图, 用色标表示场强值在空间分布的强弱.电场水平分量的场强值要比垂直分量的场强值小, 磁场水平分量的场强值要比垂直分量的场强值大.而且两条线天线产生的场强值要比单条线天线产生的场强值大.     

垂直电偶极子在地-电离层波导中场的球级数解

在非理想导电地面与电离层条件下,我们导出了ELF/SLF垂直电偶极子在球形地-电离层壳体中产生的电磁场的球谐级数表达式,采用一种加速收敛算法,算出了波导中的电磁场分布.根据计算结果,在SLF频段,地面与电离层之间的电磁场可理解为二个"行波"的叠加,且与SLF频段的球面二阶近似算法计算结果吻合很好.在ELF频段,壳体中的电磁场是驻波,其频率变化规律能正确反映出"舒曼"谐振现象.     

SLF/ELF水平电偶极子在地-电离层波导中的场

在非理想导电地面与电离层条件下,导出了SLF/ELF水平电偶极子在球形地-电离层壳体中产生的电磁场的球谐级数表达式,采用一种加速收敛算法,算出了波导中的电磁场分布.根据计算结果,在SLF频段,地面与电离层之间的电磁场可理解为两个"行波"的叠加,且与SLF频段的球面二阶近似算法计算结果吻合很好.在ELF频段,壳体中的电磁场是驻波,其频率变化规律能正确反映出"舒曼"谐振现象.     

地下SLF/ELF水平电偶极子在球形地-电离层中产生的场

在非理想导电地面与电离层条件下,导出了地下SLF/ELF水平电偶极子在地上、地下及电离层中产生的电磁场的球谐级数表达式.并提出了一种加速收敛算法,算出了大气层及电离层中的电磁场分布.计算结果表明:地下几十公里的水平电偶极子产生的场除了增加了一个固定衰减外,与地面上的水平电偶极子产生的场分布完全相似,它产生的电磁场可理解为电波首先垂直地透过土壤,然后在地一电离层腔体中传播.在SLF频段,地一电离层空腔中的电磁场可理解为两个"行波"的叠加.在ELF频段,空腔中的电磁场是驻波,其频率变化规律能正确反映出"舒曼"谐振现象.     

SLF/ELF垂直电偶极子在理想导电地-电离层中的场

在理想导电地面与电离层条件下,我们导出了SLF/ELF垂直电偶极子在球形地-电离层壳体中产生的电磁场的球谐级数表达式,并提出了一种加速收敛算法。利用此算法分别算出了电场分量随传播距离、高度及工作频率的变化,所得计算结果与Barrick方法所得结果基本吻合。由于地面和电离层没有吸收损耗,地面与电离层之间产生的场是＂驻波＂,在ELF频段,其频率变化规律能正确反映出＂舒曼＂谐振现象。     

地震ELF/SLF辐射源在地面及电离层中产生的场

针对地震电磁辐射与传播,将地下辐射源理想化为水平ELF/SLF电偶极子,传播介质理想化为地层-大气层-电离层三层平面分层介质,其中地层和电离层都看作均匀有耗介质.在此物理模型下,导出了电磁场在大气层和电离层中的积分表达式,更由留数定理得出了电磁场的级数表达式.计算结果表明:ELF/SLF电波从辐射源出发后,首先以最短的垂直向上路径渗透出地层进入大气层,然后在地-电离层波导中以若干个"波模"叠加的方式向外传播到达大气层中的接收点,并进一步渗透电离层被卫星上的接收点接收.     

极低频垂直偶极子在地-电离层中场的数值积分算法

针对地-电离层空腔中极低频(ELF)场强问题,提出一种应用于任意复数角v的勒让德函数数值积分算法,并与已有渐近计算法、级数展开法进行比对,结果表明:该方法使用频率范围更广,计算精度、效率更高。利用此数值积分算法,计算了垂直偶极子激励的30Hz以下典型频点的场强分布,所得场强分布符合物理规律,无损耗条件下舒曼谐振频率与前人计算结果完全一致,印证了ELF垂直偶极子在地-电离层腔体中场的数值积分算法的正确性。     

FDTD模拟SLF\ELF水平电偶极子在非均匀地-电离层波导中的场

在SLF/ELF频段,已有的解析算法对于研究其在非均匀电离层模型下的电磁特性有很大的局限性。采用三维球坐标时域有限差分方法(FDTD)计算了非均匀电离层模型下(考虑电离层白天和黑夜不对称),水平电偶极子产生的SLF/ELF波在球形地-电离层腔体中的传播特性。计算了电场分量和磁场分量沿地面随传播距离的变化,以及随方位角的变化。和均匀电离层模型对比,非均匀电离层模型的计算结果更具有实际意义。     

中低纬调制高频加热电离层ELF／VLF辐射模拟

从基本的电子能量方程出发,改进了幅度调制HF电波加热低电离层模型.计算了低电离层电子温度和电导率随加热时间的变化,以及不同高度上加热产生ELF/VLF Hall电流大小.根据实际的电离层参数,在一定加热条件下,计算了北京、上海、昆明和海口所产生ELF/VLF Hall总电偶极矩大小.结果表明:利用幅度调制HF电波加热中低纬度地区低电离层,可以有效形成ELF/VLF电波辐射源.     

电离层电急流的人工调制

由基本的磁离子理论出发,构造了大功率电波调制电离层电急流的自洽理论模型.利用此模型,计算了电离层D/E区高度上电子温度随加热时间的变化,以及不同高度上的加热时间和冷却时间.基于方波脉冲的入射方式,详细地研究了加热区电离层电导率和赤道电急流的振荡过程.计算结果表明,地面入射的大功率电波能有效地调制电离层中存在的大尺度直流电流,而且该调制电流可以作为ELF/VLF电波的辐射源.最后简单地分析了在未来实际工程应用中所需要解决的问题.     

地层各向异性对极低频水平低架天线的影响

讨论了当极低频水平低架天线场地周围的地层导电率呈现各向异性时对水平低架天线方向性和发射效率的影响.分析了导电率各向异性条件下的地层表面阻抗,导出了极低频电波在地-电离层波导中传播的模方程,给出了典型条件下各向异性的导电率参数对TM0波模在各个方向上的相速和衰减率影响的规律及导电率各向异性和各向同性情况下天线方向图的比较,得出了各向异性的导电率对天线方向图和发射效率有较大影响.对设计极低频天线及其工程建设具有理论指导意义.     

Steerable ELF/VLF radiation produced by an array of ionospheric dipoles generated from HF heating

A very low frequency (VLF) or extremely low frequency (ELF) dipole source has been created within the lower ionosphere by modulating the atmospheric dynamo currents with a ground-based high power HF source from the Arecibo Observatory. The authors and their colleagues have demonstrated that ELF or VLF generated in this way and injected into the earth-ionosphere waveguide could be received a few thousand kilometers away. The injection properties due to an array of ionospheric dipoles as a function of array geometry and element currents that will allow steerable ELF/VLF radiation within the earth-ionosphere waveguide are investigated theoretically. The ionospheric array factors for a linear and a planar array of Hertzian dipole sources are developed and their properties examined. The principle of pattern multiplication is then applied to include the effect of the ionospheric array element. This provides a means for predicting the field strengths at a remote receiving site due to a steerable linear or planar array of ionospheric sources generated by high power HF periodic plasma heating.     

表面波放电狭缝天线辐射电磁场的三维数值分析

针对平板型表面波放电等离子体源,建立了表面波放电狭缝天线辐射电磁波模型,对狭缝天线辐射电磁场分布进行了三维数值计算,并与表面波电磁场进行对比分析,讨论了平板型表面波放电机理。结果表明:整个狭缝天线阵激发的电磁场是每个狭缝天线激发电磁场的线性叠加;狭缝天线阵直接激发的电磁场强度在临近波导壁面处很大,并且随着空间距离的增大迅速衰减;狭缝天线阵直接激发和表面波的电场均远大于各自的磁场,分析电、磁场对带电粒子的力作用时可以忽略磁场力的作用;表面波电磁场远大于狭缝天线阵直接辐射的电磁场,强电磁场范围也远大于狭缝天线阵直接激发的强电磁场范围,等离子体有增强电磁场强度、扩大强电磁场范围的作用。     

Fast Convergence Algorithm for Earthquake Prediction Using Electromagnetic Fields Excited by SLF/ELF Horizontal Magnetic Dipole and Schumann Resonance

In order to estimate where the electromagnetic radiation associated with the seismic activity comes from, the propagation characteristics of the SLF/ELF electromagnetic waves on the ground should also be studied. The radiation source may also be modeled as a horizontal magnetic dipole (HMD), and it is precisely calculated by using a speeding numerical convergence algorithm. A theoretical calculation of the VLF/SLF electric wave propagating among the Earth-ionosphere cavity generally utilizes the full wave method to solve the model equation. The field in the cavity is comprehended as the sum of each wave mode. However, this method is very complex, and unsuitable to the ELF frequency band. To solve the problems under the non-ideal electric conductor condition, we have further developed Barrick’s method. The approach we employ below subtracts and adds appropriate identical terms to the original exact series. The subtraction accelerates significantly its numerical convergence. The added terms sum to simple closed-form expressions. The spherical harmonic series expressions of electromagnetic fields excited by SLF/ELF HMD in non-ideal Earth-ionosphere cavity have been derived. The speed of our algorithm is faster twenty eight times than it of calculating directly the sum of the series. If it calculates directly the sum of the series, it needs 1,200 series items and takes 17 min, while it needs only 300 series items and takes 0.6 min. Moreover, under the ideal electric conductor condition, we have verified the correct of our algorithm that the result coincides with that of Barrick’s method. Schumann resonance is also verified.