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.     

ULF/ELF波在IAR中传播的色散关系研究

电离层阿尔芬谐振器的存在已被理论和实验所证明。文章通过建立平面分层的电离层模型，对ULF/ELF波在IAR中传播模式进行研究，得到描述ULF/ELF波在IAR不同电离层状态下传播满足的色散关系。结果表明，ULF/ELF波在IAR中的传播和电离层状态密不可分，粒子间的相互碰撞往往对波的传播产生不可忽略的影响，最小截止波频的存在是由于电离层边界条件的限制而不是因为波传播过程中的衰减造成的。     

离子对SLF／ELF电磁波在电离层中传播的影响

在SLF/ELF频段,离子的磁回旋频率接近甚至高于电波频率,其对电波传播的影响不能忽略.深入分析了SLF/ELF电磁波在电离层中传播时,离子对折射指数、极化因子等参数的影响.研究结果表明:在离地高度大于200 km的高电离层,由于电子与离子的碰撞频率远小于磁回旋频率和电波的频率,离子对电波传播的影响很大.在离地高度70 km左右的低电离层,电子与离子的碰撞频率远大于磁回旋频率,离子对电波传播的影响就可忽略.因此,就SLF/ELF对电离层的反射而言,可不计离子的作用;但对于透射传播,应该考虑离子的作用.     

ELF/SLF电磁波传播的FDTD和GIS结合建模与分析

首次采用三维时域有限差分(3D-FDTD)经纬度模型和地理学信息系统技术(Geographic Information System,GIS)对地球-电离层波导系统进行几何建模,并对闪电、舒曼谐振中的极低频/超低频(ELF/SLF)的电磁辐射进行仿真实验.计算结果表明,当激励源放置在高空模拟闪电发生时,电磁波通过波导系统传播到观测点,并继续绕地球多次经过同一位置,直到完全衰减,其谐振频点与舒曼谐振点基本一致.发现地形地貌对于地表电磁波的电场分布有较大影响,而对地表电磁波的磁场分布几乎没有影响.     

地面甚低频辐射渗透进电离层的数值模拟分析

利用全波解模型进行数值模拟实验, 研究了具有不同辐射源参数(辐射频率和功率)的地面甚低频(Very Low Frequency, VLF)辐射源在不同地磁场参数(地磁场强度和倾角)和电离层参数(电子密度和碰撞频率)条件下激发的地球-电离层波导和电离层中的电磁场能量空间分布, 并重点研究了电离层D/E区对电磁辐射能量的吸收.模拟结果发现:VLF辐射在波导中衰减只受辐射源频率的影响, 不受辐射功率、地磁场参数和电离层参数变化影响, 波导中的衰减随频率的增大而减小, 而电离层D/E区吸收随频率增大而增大, 两者总衰减量随频率增大而增大.辐射源功率对电离层D/E区的吸收也无影响.地磁强度和地磁倾角越大, 电离层D/E区吸收越小; 电离层碰撞频率和电子密度越大, 电离层中能量衰减越大.     

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.     

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.     

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.     

计算电离层VLF波传输特性的时域有限差分算法

在星载甚低频( VLF)通信技术中,研究甚低频信号在电离层中的传输特性具有重要意义。现有的利用时域有限差分( FDTD)算法研究电离层传输特性大多基于高频脉冲信号,且传播模型相对粗略,计算存在一定误差。为此,建立了更为精确的电离层各向异性传播模型,对常规的FDTD算法引入变步长因子,并用该算法对VLF波在电离层中的场强衰减进行了数值计算,研究了昼夜变化及频率对其传输特性的影响。仿真结果与卫星实测数据对比表明：与常规的FDTD算法以及全波分析方法相比,引入变步长因子的FDTD算法精度更高;在VLF频段,降低频率有利于电磁波穿透电离层,且白天的衰减明显大于夜间;VLF波在射入电离层并穿透D层时衰减严重(30~40 dB),约为F1层中衰减的3倍。     

电磁波在任意磁偏角等离子体中的传播

本文将电流密度卷积时域有限差分（Current Density Convolution Finite Difference Time Domain,JEC-FDTD）方法扩展到求解任意磁偏角电磁波在磁化等离子体中的传播和共振吸收问题.首先,验证数值算法正确性,分析了法拉第旋转角效应,以及任意磁偏角电磁波在等离子体中的传播特性.然后,求解电磁波在磁化等离子体中的等离子体朗缪尔共振、电子回旋共振、高频混杂共振吸收特性.结合在电离层加热中的应用,重点分析了等离子体高频混杂共振吸收特性,得到了高频混杂共振激发的频率匹配条件.数值结果表明,高频混杂共振吸收是电离层加热的有效方式,对于解释电离层加热机制具有重要意义.     

电离层人工调制的极低频辐射和在潜艇通信中的应用探讨

本文分析被调制的高频波加热电离层所产生的极低频辐射过程和极低频在地球-电离层波导中的传播模式,以及应用于潜艇通信中的可能性。数值结果表明,如果高频有效发射功率为100MW量级,频率为5MHz,调制频率为100Hz,则准TEM模式在地球-电离层波导中传播的衰减率一般小于1dB/Mm,距加热地点1000km处海面(地面)上磁场强度的量级为10-8A/m。对于潜艇通信,在辐射源强度确定的情况下,对不同的潜艇深度和通信距离,存在一个最佳选择频率。     

地空路径太赫兹波雨天衰减特性分析

雨滴的散射和吸收作用会严重增加地空链路上太赫兹波的传输损耗,降低无线通信的性能。为实现太赫兹波在地空链路上的传输应用,必须对太赫兹波在降雨环境中的传输特性进行深入研究。本文对原有的雨衰模型进行了修正,基于Mie理论,分析了降雨率的变化对地空链路上太赫兹波传输的影响,并与原有模型的计算结果进行了对比。结果表明：在整个太赫兹频段,雨衰减损耗会随降雨率的增加而增大,随频率的增加先增大后减小,且高频太赫兹波段相对0.1～1 THz频段范围的雨衰损耗更小;同时,当频率超过1 THz时,大气窗口越靠近10 THz,损耗越小,在降雨天气环境进行无线通信传输时将更具有通信优势,且频率越低,天顶角越大,模型修正前后的差异性更加明显。     

Far-Field Extremely Low Frequency (ELF) Propagation Measurements, 1970-1972

For the past 3 years, we have participated in various extremely low frequency (ELF) propagation tests. During these tests, receiving sites were located in Connecticut, North Carolina, Maine, Utah, Nova Scotia, California, Greenland, the Virgin Islands, Alaska, Norway, Hawaii, Greece, and Saipan. Measurements have also been taken sporadically in Connecticut since June 1970. At each location, the horizontal magnetic field strengths were measured at a band of frequencies centered at 45 Hz and 75 Hz in order to determine the average attenuation rates and relative excitation factors for daytime and nighttime propagation conditions. The U.S. Navy ELF Wisconsin Test Facility was the transmission source. The principal results obtained from these measurements were 1) the daytime attenuation rate is usually higher than the nighttime attenuation rate at both 45 and 75 Hz; 2) the relative excitation factors are quite different for daytime and nighttime propagation conditions; 3) nighttime propagation is more variable than daytime propagation; 4) there is a seasonal variation in the ELF propagation parameters; and 5) auroral-zone effects appear to be present at both frequencies.     

Three-dimensional FDTD modeling of impulsive ELF propagation about the earth-sphere

This paper reports the application of an efficient finite-difference time-domain (FDTD) algorithm to model impulsive extremely low frequency (ELF) propagation within the entire Earth-ionosphere cavity. Periodic boundary conditions are used in conjunction with a three-dimensional latitude-longitude FDTD space lattice which wraps around the complete Earth-sphere. Adaptive combination of adjacent grid cells in the east-west direction minimizes cell eccentricity upon approaching the poles and hence maintains Courant stability for relatively large time steps. This technique permits a direct, three-dimensional time-domain calculation of impulsive, round-the-world ELF propagation accounting for arbitrary horizontal as well as vertical geometrical and electrical inhomogeneities/anisotropies of the excitation, ionosphere, lithosphere, and oceans. The numerical model is verified by comparing its results for ELF propagation attenuation with corresponding data reported in the literature.     

激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究

研究了太赫兹波在透射波窗口封闭的激波管中的等离子体中的传输特性,获得了传输衰减量随等离子体电子密度、碰撞频率、透波窗口材料以及电磁波频率的变化规律,并比较了相同条件下毫米波的传输特性.利用激波管为实验平台模拟产生高速飞行器等离子体,开展了太赫兹波在等离子体中传输特性实验.结果表明,太赫兹波在相同电子密度和碰撞频率的等离子体中衰减量比毫米波小得多;随着等离子体碰撞频率的增加,太赫兹波传输衰减量先增加后减小,透波窗口增加了太赫兹波的传输衰减;随着窗口材料的介电常数增加,太赫兹波反射率增加,太赫兹波传输衰减曲线出现周期性振荡,振荡周期约5 GHz;太赫兹波通信可能作为一种解决再入飞行器黑障问题的有效技术途径.     

电磁波在不均匀尘埃等离子体中的衰减特性

基于WKB近似方法, 研究了高频电磁波入射不均匀尘埃等离子体中的衰减特性.对弱电离尘埃等离子体复相对介电常数的分布特征进行了分析, 讨论了电子数密度、尘埃颗粒数密度对复相对介电常数虚部的影响.利用电子密度分布的抛物模型, 数值计算了电磁波以不同角度入射不均匀尘埃等离子体的衰减特性, 对入射角、电子数密度、尘埃颗粒半径和尘埃颗粒数密度对衰减系数的影响进行了分析.结果表明:随着电子数密度、尘埃颗粒数密度和半径增大, 衰减系数也会变大.     

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。     

近地空间通信中的降雨衰减影响分析

近地空间通信中链路损耗随着传输仰角的降低而增加。在低仰角传输中,大气传输损耗由于信道复杂度的增加而衰减严重。文中基于ITU-R的降雨衰减模型,结合低仰角远距离传输,分析了近地空间通信链路中冰/雨层与纬度位置的关系,并在不同频段,不同轨道高度对降雨衰减及雨衰导致天线尺寸的变化进行数值计算和仿真。仿真结果表明：在低仰角的传输环境中,降雨对近地空间通信链路的影响较大,不可忽视。其中S频段比X和Ku波段衰减小近20dB。最后总结了传输电波的工作频率、覆盖半径以及平台高度给降雨衰减带来的影响,以此来正确估计大气传输损耗对通信链路性能的影响,为近地空间在低仰角下远距离传输的链路预算提供了一个理论参考值。     

电磁脉冲在地表大气中的传播

利用传递函数的方法研究电磁脉冲在大气中的传播规律，通过数值计算比较了矩形脉冲在实际地表大气和真空中衰减的差别，对矩形脉冲和正弦波，不同上升、下降沿梯形脉冲的大气衰减特性也做了比较。数值结果表明，大气吸收衰减使脉冲传播的距离降低，由于大气对不同频率电磁波的吸收不一致，矩形脉冲、正弦波在大气中的衰减随距离交迭变化，具有不同频谱分布的脉冲在大气中传播也有差异。