电离层声重波引起的高频多普勒频移

本文给出了电离层中存在电离运动时的高频无线电波的多普勒频移的表达式,讨论了用高频多普勒阵研究电离层声重波扰动有关的若干电波传播问题。     

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分:正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.     

利用高分辨力多普勒频高图观测和分析电离层扰动

本文分下列四节:1.电离层扰动的研究简述,2.多普勒频高图的观测及处理,3.折射指数等值面法向速度的计算,4.实例分析和讨论。利用DGS-256数字式测高仪所获得的多普勒频高图,分析了电离层中大气声重波等的扰动情况,首次得出了速度的高度剖面,如图1-3所示;由三个反演公式的计算结果十分相近,表明实验与理论是一致的。     

关于电离层反射电波频率变化的问题

一般认为高频无线电波经电离层反射后产生的多普勒频移效应可分为两部分:其中一部分只与反射面的状态有关,这部分称为微分效应;另外一部分与电波所经过的路径上介质的状态有关,这部分称为积分效应。本文分析高频无线电波在电离层中的反射过程,认为不存在微分效应,只存在积分效应,并用这结论分析了实验现象,讨论了用多普勒测量法研究电离层行进式扰动时存在的问题。     

煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析

槽波地震勘探利用槽波的频散特性反演煤层的结构特征,故理论频散曲线的计算是一个重要方面.使用水平层状模型假设下的面波频散曲线计算方法能够计算煤层厚度恒定模型地震槽波频散曲线;但当煤层厚度变化时该方法不再适用.基于前人水平层状均匀介质模型的面波理论频散曲线计算方法,对于含煤三层模型,本文发展了煤层厚度变化情况下的地震槽波理论频散曲线计算方法,并使用该方法计算分析了不同厚度函数模型的频散曲线形态特征.研究表明：与稳定厚度煤层相比,煤层厚度变化使得地震槽波群速度成为与频率及传播射线在水平面投影路径相关的二元函数;射线路径上煤层厚度的变化使得频散曲线在群速度方向上压缩,群速度变化范围变小,且使处于最小值位置的埃里相群速度增大;而煤层厚度的线性变化模型频散曲线只与射线首、尾处的煤层厚度有关,与煤层厚度恒定模型相比,曲线形态不发生改变;煤层厚度呈非线性变化时,频散曲线形态上可能发生改变.     

偏离大圆路径传播对四川西部面波相速度成像的影响

面波成像是研究地壳上地幔横波速度结构的一种重要方法．通常,面波相速度或群速度成像假设面波沿大圆路径传播．但是,在地下介质速度结构变化较大时,面波会偏离大圆路径传播,从而导致基于大圆路径假设下的面波成像结果存在一定的误差. 我们采用基于射线追踪的面波成像方法,研究了面波的偏离大圆路径传播对四川西部地区面波相速度成像结果的影响．使用快速行进法(fast marching method)进行面波传播路径的射线追踪,采用子空间反演法(subspace inversion)进行迭代反演,对理论模型合成数据和川西台阵的短周期背景噪声相速度频散数据进行成像分析,并与使用大圆路径传播的成像结果进行对比．对理论模型的测试结果表明,当速度结构变化较大时,基于偏离大圆路径传播的面波成像能够更好地恢复模型异常．对川西台阵的真实数据反演结果显示:在短周期为6 s时,基于偏离大圆路径传播的反演方法较基于大圆路径传播的反演方法所获得的相速度异常的幅度更大些,在四川盆地区域两者的差异接近0.2 km/s;在周期为10 s时,两种反演方法的差异显著减小,基本都在0.1 km/s以内．这主要是因为6 s周期的面波相速度对复杂的上地壳浅层结构更为敏感,从而使得面波的偏离大圆路径传播效应对反演结果的影响更为显著．本文结果表明,当某一周期不同路径的面波相速度测量值变化较大,例如相对于平均相速度的异常超过10％时,则需考虑采用基于偏离大圆路径传播的面波成像方法,否则速度异常较大区域的反演结果可能会造成较大的偏差．      

Gabor框架下的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法

地球介质广泛存在波动各向异性,为研究地球内部结构、组分提供了新的信息.现今,考虑介质的各向异性在地震波传播、成像以及反演中的作用越来越重要.高斯波包/束类正反演方法因其具有高效、简便等特点,近年来在地震背景速度建模和成像方面取得了较大进展.因此,在拟声学近似下,本文发展了基于Gabor框架的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法.与传统的网格化参数扰动方式不同,本文用空间分布的局部化Gabor基函数特征表达地下介质的参数扰动,建立了模型域Gabor函数与数据域高斯波包的映射关系.该方法继承了各向同性高斯波包的优势和特点,例如(1)基于Gabor框架的扰动高斯波包模拟具有计算效率高、内存占用量小的特点;(2)可以处理多波至,能应用于复杂构造(盐丘、气云边界)和中深层构造的成像;(3)利用Gabor函数可以稀疏表达地下的构造,适合目标导向的灵活成像;而且,(4)相较于各向同性高斯波包成像方法,考虑介质的各向异性后,本文的模拟结果更加准确,成像剖面同向轴能量更加聚焦.通过数值实验对本文方法进行测试,实验结果证实了该方法的有效性、高效性和灵活性.     

界面的射线扰动理论(Ⅰ)

本文提出了一个计算横向不均匀介质中射线轨道和振幅扰动的新方法。哈密顿方法导出了联合计算傍轴射线和扰动射线的方法。扰动射线是由于速度分布及界面形状的微小变化引起的。我们用简单明了的笛卡尔坐标代替在经典的动力学射线追踪方法中使用的射线中心坐标。其优点是傍轴射线可以非常灵活地被认为是没有被扰动的射线。首先研究初始条件的扰动或傍轴射线追踪。利用这个方法,在中心射线附近传播的射线束可以借助所谓的傍轴射线传播算子进行追踪。这个射线传播算子是本文中讨论的所有方法的基础。文中将讨论怎样有效地确定它。我们提出了一个有限元方法。在这个方法中,介质被分成具有简单速度分布的梯形元。我们认为当在每个元中采用恒定的慢度平方的梯度值时就能得出较简单单的结果。本文的第二部分将计算速度结构和界面的扰动对射线轨道、振幅和波形的影响。我们的结果可以很容易地用来计算走时、振幅和波形线性反演中的Fréchet导数。最后,给出了在有扰动界面的简单介质中计算合成地震图的一个例子,并给出了几种典型的参考介质中计算扰动射线的简化表达式。     

基于人工电离层扰动对地-电离层波导传播的VLF波的影响

基于低电离层加热理论和甚低频电波在地-电离层波导中传播理论,建立低电离层扰动对甚低频电波传播影响的分析模型,并利用实验数据验证了该模型的正确性.据此模型,研究了加热功率、加热波极化以及背景参数所导致的低电离层扰动对不同频率甚低频电波传播的影响.结果表明,低电离层扰动越强,则通过该区域内甚低频波幅度和相位的相对变化越强,通过研究地-电离层波导甚低频信号通过人工扰动区域后幅度和相位的变化,可望用于诊断人工电离层扰动强度.     

利用射线追踪研究电离层扰动

基于返回散射探测的电离层扰动电离图,本文建立了一个新的对称的准余弦电离层扰动数学模型.基于这种模型,利用HF射线追踪技术合成了HF电离层返回散射电离图,并利用迭代的技术拟合了高频返回散射设备探测的电离层扰动电离图的Pmin-f曲线(Pmin为最小时延,f为工作频率),从而推断了沿探测路径电离层扰动区域的位置及大小,扰动的临界频率波动的幅度.最后基于这种电离层扰动模型,利用射线追踪技术描述了不同电离层扰动参数下的电波传播情况,研究了其天波传播的跳距、覆盖区域的大小及射线“俘获”等.     

用数字测高仪漂移测量研究电离层声重波扰动

数字测高仪Digisonde中的漂移测量,常用来研究小尺度电离层扰动,如电离层小不均匀体的漂移。文中提出一种新的分析方法,利用漂移测量数据中多普勒频移和到达角参量的最大熵动态功率谱,估算声重波一类大尺度电离层扰动的水平传播速度和传播方向。作为实例,研究了Millstone Hill测高仪站的漂移观测资料,并对处理结果进行了初步分析。分析结果表明,从数字测高仪漂移测量数据中,可有效地提取声重波一类大尺度电离层扰动的传播参量,在电离层动力过程的研究中很有意义。     

大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动

本文研究了大气重力波产生的大尺度赤道电离层扰动的性质．当重力波的传播方向与磁场方向倾斜相交时，重力波在Ｆ区产生行进电离层扰动．当重力波垂直于磁场传播时，能触发等离子体Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定性，形成大尺度赤道扩展Ｆ不均匀体．重力波引起的扩展Ｆ主要出现于晚上，行进电离层扰动则可能出现于任何时间．本文建立了行进电离层扰动和大尺度赤道扩展Ｆ的统一理论模型，深入全面地揭示了电离层扰动的性质．     

Usage of regularization techniques for effective electron collision frequency determination from oblique ionospheric sounding

Computer modelling is used to investigate the possibility of determining ionospheric parameters from slightly oblique ionospheric soundings, using absorption data for decametric radio waves of different polarization. It is shown that with mean square measurement errors of 0.5 dB, and using regularization algorithms to solve the inverse problems, electron collision frequency profiles can be obtained for the night F-region with errors of less than 30%. Both temperatures of electrons and neutrals are also determined to within 10%.     

电离层对台风响应的全过程的特例研究

作为特例研究,本文对1988年和1990年两次强台风影响期间的电离层多普勒记录及相应的台风资料进行了细致的相关分析,目的是利用多普勒记录的连续性优点来了解电离层对登陆（或近海）强台风通过声重波响应的演化全过程.分析表明,在这两次台风影响期间,电离层形态中除有明显的波状扰动（中尺度声重波）出现外,还有一些值得注意的新现象：波动的时间演化表现出明显的幅度逐渐增加以及频率由高频向低频转变,在振幅很大的情况下日落后同时出现扩展F（Spread F）现象,显示了声重波在激发电离层不规则结构方面的种子作用.这一演化过程与电离层中TIDs的线性传播理论一致,文中开展了对这一现象的非线性数值模拟,模拟结果基本上也与上述观测现象相吻合.     

非单一电离层扰动场的台阵探测分析

真实的ＴＩＤ一类大尺度电离层扰动是非平稳和色散的，而且是统计非单一的．本文首先给出了描述这种真实扰动场的数学模型，进而导出了联系台阵探测可测量与扰动场传播参量的观测方程，在此基础上提出了求解观测方程的时频分析方法．这一台阵探测数据分析的新方法，既能分离出非单一电离层扰动场中各种准单一扰动成分，又能获得准单一扰动成分传播参量随时间的演变和随频率的色散．分析实例表明，本文方法分辨率好，精度高，结果可靠，是适用于ＴＩＤ一类大尺度电离层扰动台阵探测数据分析的有效方法．     

大功率电波加热电离层中热自聚焦不稳定性的理论研究和数值模拟

本文首先从电子密度及电子温度的输运方程和考虑自作用时的电磁波波动方程出发,利用简正模展开的方法推导出泵波在反射区域激发出热自聚焦不稳定性(thermal self-focusing instabilities,TSFI)所需电场阈值以及其增长率的完整数学表达式,并估算了TSFI激发阈值及所对应的有效辐射功率(ERP)的量级.随后利用三维垂直加热的理论模型,结合国际参考电离层(IRI-2012)和中性大气模型(MSIS-E-00)给出的背景参数,数值模拟了大功率高频泵波加热电离层时泵波反射区域电子密度及电子温度因TSFI而产生的变化及发展的过程,并对比分析了不同背景参数对较热效果的影响.结果表明:当高频泵波的加热阈值达到或超过百毫伏每米的量级时,即可激发TSFI,发展出大尺度电子密度及温度不均匀体,这些不均匀体内的密度耗空约为4%~10%,而电子温度剧烈增长,到达背景温度值的1.6~2.1倍;且在相当的加热条件下,背景电子温度越低、电子密度越小,加热效果越显著;电子密度及电子温度的扰动幅度随着加热时间的推移而逐渐减小,即扰动逐渐趋于饱和,且电子温度要快于电子密度达到饱和状态.本文还对泵波反射高度处的电子密度及电子温度变化率进行采样并求得其功率谱密度,分析结果表明:TSFI发展出的大尺度不均匀体满足幂律谱结构,谱指数随着加热的进行逐渐趋于稳定,白天与夜间的幂律谱指数区别不大,但电子密度与电子温度的幂律谱有所区别.     

High-latitude ionosphere during magnetic storms of October 26, 2003–November 1, 2003: Tomographic reconstructions and numerical modeling

The height-latitude distributions of the electron density in the European Arctic sector of the subauroral and high-latitude ionosphere have been reconstructed based on the data of satellite radio tomography. The reconstructions have been compared with the results of the numerical modeling obtained using the UAM global numerical model and the IRI-2001 empirical ionospheric model. The goal of the paper was to find the degree of adequacy of these models to the observational data during geomagnetic disturbances. The UAM theoretical model adequately reproduces the dynamics of the main ionospheric trough, in particular, the position of its equatorward wall, and to a certain degree better describes the behavior of the high-latitude ion-osphere than the IRI empirical model. The discrepancies are observed in the regions of increased electron density poleward of the trough. To eliminate such disagreements, it was proposed to correct the model input distributions of precipitating high-energy electron fluxes with an energy of about 0.5 keV; i.e., the inverse problem of determining these distributions has been solved for extremely strong geomagnetic disturbances.     

利用射线追踪方法研究化学物质释放对高频加热的聚焦效应

电离层化学物质释放能导致释放区域电子密度的损耗,从而产生明显的电离层空洞现象.高频电波通过电离层空洞时,由于电子密度不同,对电波产生折射效果进而形成聚焦效应.本文利用射线追踪方法,评估高频电波通过空洞形成聚焦加热的效果.结果表明,释放水分子与SF6都能对电离层产生明显的空洞,空洞半径约为25～50 km,电子密度的损耗...     

Spatiotemporal distributions of the electron density in the ionosphere by records of the total electron content and phase of VLF radio signals

Features of the structure and dynamics of the ionospheric plasma are studied in a comparison the ionospheric total electron content measurements with the phase and amplitude measurements of VLF–LF radio signals on global and regional paths. The ionospheric structure over Europe is reconstructed. The spatiotemporal dynamics of moving ionospheric disturbances under conditions of a powerful geomagnetic storm of March 17, 2015, is examined based on the reconstruction results. Analysis of the phase variation of VLF radio signals, together with the TEC measurement data, is not only an additional tool in the study of the dynamics of ionospheric disturbances; it also makes it possible to estimate electron density disturbances in different ionospheric layers.     

Ionospheric response to the entry and explosion of the South Ural superbolide

The South Ural meteoroid (February 15, 2013; near the city of Chelyabinsk) is undoubtedly the best documented meteoroid in history. Its passage through the atmosphere has been recorded on videos and photographs, visually by observers, with ground-based infrasound microphones and seismographs, and by satellites in orbit. In this work, the results are presented of an analysis of the transionospheric GPS sounding data collected in the vicinity of the South Ural meteoroid site, which show a weak ionospheric effect. The ionospheric disturbances are found to be asymmetric about the explosion epicenter. The received signals are compared, both in shape and amplitude, with the reported ionospheric effects of ground level explosions with radio diagnostics. It is shown that the confident registration of ionospheric effects as acoustic gravity waves (AGWs) by means of vertical sounding and GPS technologies for ground explosions in the range of 0.26–0.6 kt casts doubt on the existing TNT equivalent estimates (up to 500 kt) for the Chelyabinsk event. The absence of effects in the magnetic field and in the ionosphere far zone at distances of 1500–2000 km from the superbolide explosion epicenter also raises a question about the possibility of an overestimated TNT equivalent. An alternative explanation is to consider the superposition of a cylindrical ballistic wave (due to the hypersonic motion of the meteoroid) with spherical shock waves caused by the multiple time points of fragmentation (multiple explosions) of the superbolide as a resulting source of the AGW impact on ionospheric layers.