大功率高频电波加热电离层中人工沿场不均匀体散射特性的理论与数值模拟研究

大功率高频电波与电离层的相互作用会引起电子密度扰动，进而产生人工沿场不均匀体，其对无线电波特别是超短波信号有强的定向散射能力，可形成一种新型的超短波通信方式.基于各向异性介质的散射理论，首先通过求解电子密度扰动产生的附加极化势获得电子密度扰动散射方程，然后对电子密度扰动进行高斯自相关处理，并结合入射波/散射波与地磁场方向的空间几何关系，获得电子密度扰动的波数谱表达式，建立了人工沿场不均匀体的散射系数理论模型.利用模型对Platteville站实验中产生的人工不均匀体散射截面积进行了数值模拟，并通过与实测值对比验证了模型的正确性.根据人工沿场散射原理给出了利用其进行无线电信号传输的约束条件.重点仿真分析了人工沿场不均匀体的散射系数和散射覆盖区范围，结果表明：同等条件下，相对于高纬度地区，低纬度地区人工沿场不均匀体的散射系数小5~10 dB，但其散射覆盖区的地面范围大，东西向可达3000 km，南北向可达1500 km，完全可用于超短波信号的超远距离传输.本文结果为中低纬度地区开展相关实验研究提供了理论指导，对利用人工沿场不均匀体进行无线信号的超远距离传输应用研究具有重要意义.     

中山站高频雷达观测结果初步分析

中山站高频相干散射雷达于2010年4月建成投入观测,并加盟SuperDARN雷达观测网,成为我国探测电离层对流的重要手段。首先简要介绍中山站高频雷达的工作原理及工作模式,然后利用该雷达第一年的观测数据,给出了每个波束观测的电离层回波总数随距离和回波强度、多普勒速度及谱宽的分布,以及电离层回波发生率随频率的变化特性。观测结果和射线追踪的模拟计算表明,由于波束指向不同,电波波矢方向与地磁场形成正交条件的区域有所不同,因此会造成不同频率下,不同波束观测的电离层回波发生率的差别。     

foF2月中值太阳循环变化及单站谱模型研究

利用我国9个电离层观测站第21和22太阳周大约20年的f_oF₂月中值数据,分析太阳活动和地磁活动对电离层f_oF₂的影响,结果显示白天和夏季夜间f_oF₂和太阳黑子数R之间存在着明显非线性关系,并且随着纬度的降低逐渐增强．当回归分析加入地磁Ap指数时,多重回归模型与实测值误差进一步减小,说明同时考虑太阳活动和地磁活动的非线性影响能够更好地描述f_oF₂的变化．基于f_oF₂太阳黑子数R及地磁指数Ap之间的非线性统计关系,利用Fourier 级数建立9个单站谱模型,并与国际参考电离层IRI进行了比较,精度有一定提高．     

GPS海面反射信号特性仿真分析

利用GPS反射信号遥感陆地和海面的GPS—R技术已经得到日益关注。对海面反射信号的极化特性进行分析,分析结果表明：GPS信号经海面反射后,反射信号同时包含右旋和左旋信号,且两者强度与卫星仰角有直接关系;反射的左旋和右旋信号的功率相差可高达30dB。为海面遥感以及专门的GPS接收机的研制提供了必要的参数支撑。     

磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的参数模型

极光是日地能量耦合过程中粒子沉降到极区电离层的最直观表现,对于理解地球空间环境及预测空间天气具有重要作用.本文利用2003-2009年的北极黄河站的多波段地面极光观测,结合DMSP卫星粒子沉降探测,对磁正午附近的极光强度与沉降粒子沉降能量之间的关系进行了定量研究.统计结果表明,在10-13磁地方时(MLT)630.0 nm的极光发光占主导,以低能粒子沉降为主;而在13-14MLT,630.0 nm/427.8 nm极光强度比值降低,沉降粒子能量较高.另外,利用极光强度与沉降电子的能通量以及极光强度比值与平均能量之间的函数关系,初步建立了北极黄河站磁正午附近极光强度与沉降粒子能量关系的反演参数模型,为将来空间天气的监测服务.     

目标激光脉冲一维距离成像研究

根据激光雷达方程及粗糙面脉冲波束散射理论,提出了目标激光脉冲后向散射回波功率即激光一维距离像的计算表达式,并获得斜板、球和圆锥一维距离像的具体形式.数值计算结果与粗糙平板和圆锥激光脉冲回波强度实验数据比较,两者符合良好.数据分析表明,激光一维距离像曲线能够较好反映目标的纵向几何外形信息.我们着重讨论了入射激光脉冲宽度与目标径向尺寸对距离像的影响.上述研究可为激光波段的目标特征提取和识别提供理论依据.     

电离层加热实验中超强电子密度增强特征

2011年11月利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的大功率加热设备和诊断设施开展了挪威高纬度地区电离层加热实验. 在此次加热实验中, UHF雷达探测到了十分明显的电子密度增强现象, 反射高度附近电子密度最大增幅可达269.3%, 而在远离谐振区的300~500 km及以上高度的增幅也可达30%~50%. 通过对加热前后离子线谱和数据残差的对比分析, 表明300~500 km的电子密度增强是真实可信的, 在如此大的空间范围出现增幅如此大的电子密度增强特征实属罕见. 另外通过对等离子体线谱的分析, 得到了等离子体线双谐振峰结构, 本文利用电子的速度分布函数和等离子体线谱之间的关系, 对加热实验中观测到的等离子体线谱进行了仿真, 提出了超热电子是引起本次电子密度增强的可能机制. 并利用仿真中所使用的超热电子速度参数对超热电子的电离能力、横向和纵向自由程进行了计算, 最终验证了所提出的物理机制的合理性.     

我国极区冬季电离层加热实验研究

通过对非相干散射雷达观测数据的处理分析,研究了2008年1月我国在挪威Troms进行的冬季电离层加热实验效应.研究结果表明,电离层临界频率大于泵波频率的O波加热事件扰动效应明显,电子温度存在60%~120%的增强,扰动范围从150 km一直延伸到400 km,电子密度扰动不显著,最大可以观察到12%的密度衰减.受加热影响,离子声波频率有1~2 kHz的增加,离子线谱峰谷比增加,有时伴随有高阶谐振线出现.离子线和等离子线功率存在过冲现象,等离子线的功率剖面存在单峰、双峰和三峰结构,等离子线的功率增强幅度随频率负指数衰减.     

利用气辉测量结果研究高频电波加热电离层实验中电子能量分布

研究了高频电波加热电离层实验期间电子能量分布函数,利用美国HAARP和欧洲EISCAT实验中630.0 nm、557.7 nm与844.6 nm等气辉辐射测量结果,给出了在红光与绿光强度比值小于10和比值大于等于10两种情况下电子能量分布函数表达式,在3~100 eV电子能量范围内,分段幂指数因子随电子能量的增加而下降,并利用获得电子能量分布函数对其他电离层加热期间气辉辐射进行计算,红光与绿光辐射强度之比与实验测量结果相符,从而验证了获得的电子能量分布函数.     

大功率高频X波欠密加热电离层的理论与数值模拟

基于电离层中电子的加热物理机制,构建了左旋圆极化(X波)欠密加热理论仿真模型,通过对已知实验的模拟验证了模型的正确性.并利用此模型分析和研究了不同加热参数和背景参数对X波欠密加热效果的影响,结果表明,在X波欠密加热中,加热效果随加热功率增加而增强,随加热频率增加而减弱,在相当的加热条件下,背景电子温度越低、电子密度越小,加热效果越强.最后简单分析了X波欠密加热的一些应用.