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.     

基于LWPC和IRI模型的NWC台站信号传播幅度建模分析

频率为3~30 kHz的甚低频（VLF,Very Low Frequency）电磁波具有波长长、传播距离远的特点,能够沿地面-低电离层波导进行传播,在通信、导航等许多领域都被广泛应用.基于波导模理论的长波传播模型（LWPC,Long-Wavelength Propagation Capability）能够用于计算甚低频波的传播路径及幅度,进而研究耀斑、磁暴、地震等事件对电离层的扰动.本文利用国际电离层参考模型（IRI,International Reference Ionosphere）对LWPC中电子密度和碰撞频率进行改进,并将模拟结果与武汉大学VLF接收机实际观测到的NWC （North West Cape）台站信号幅度进行比较分析,结果表明改进后LWPC模型得到的幅度及变化趋势与实际值更加接近.LWPC模型给出的电子密度与IRI模型得到的电子密度在日间基本一致,但是在夜间存在差异,造成夜间部分区域NWC台站信号幅度的差异性,验证了电离层电子密度对于VLF信号传播具有的重要影响.传播路径上的晨昏变化也可以引起VLF信号幅度分布的突变,在日出和日落时间段内存在明显的过渡区域.基于IRI模型的LWPC,改善了VLF电波传播过程的预测分析效果,提供了一种长波导航通信质量的评估方法.     

地面VLF波穿透电离层的能量衰减变化

地面VLF人工源可以导致辐射带高能粒子沉降.为研究辐射带粒子加速和沉降机制,乃至实现对辐射带电子"人工控制"的设想,需要在精确计算得到VLF人工源在电离层激发电磁场能量分布的基础上,计算哨声波对辐射带电子的调制作用.以往计算VLF人工源在电离层中激发的电磁场能量分布多基于Cary给出的波导中VLF波衰减率和Helliwell提出的经典电离层吸收曲线,但近期研究表明,这些模型结果存在较为明显的误差.本研究建立了地面VLF信号穿透电离层传播的全波计算模型,将计算结果与DEMETER卫星记录的NWC通讯台激发的电磁响应进行对比.虽然模型没有考虑电离层参数水平不均匀性,但模型计算结果与卫星观测值也有较好的一致性.利用经过验证的全波模型计算了不同地磁参数、电离层参数情况下,不同辐射特性的地面VLF辐射在波导中的衰减和穿透电离层时D/E区的吸收值,探讨了上述参数对电磁波能量在波导和D/E区中衰减的影响规律.     

东西传播路径上JJI台站甚低频信号的日出效应研究

甚低频(VLF, Very Low Frequency)波的频率范围为3~30 kHz,因其在地球-电离层波导中传播损耗小、传输距离远而被用于低电离层遥测的相关研究.本文基于武汉大学自主研发的甚低频探测系统在湖北随州(31.57°N,113.32°E)的观测数据,详细研究了中纬度地区来自日本JJI(32.04°N,130.81°E)甚低频台站信号沿东西方向传播的日出效应.在对日出期间接收信号的幅度极小值进行统计分析后发现,幅度极小值出现时间的分布与随州或JJI日出时间的变化趋势基本一致.日出期间JJI信号的幅度响应主要包括type Ⅰ和type Ⅱ两种结构,分别对应2个幅度极小值和3个幅度极小值的情况.其中,type Ⅰ结构主要发生在春夏两季,幅度极小值出现的平均时间落后随州日出时间24 min左右;type Ⅱ结构主要发生在秋冬两季.基于波模干涉理论对日出期间两种不同模式的JJI甚低频信号进行模拟研究,结果表明,在JJI-随州的东西向传播路径上,若只考虑前两阶模的影响,模拟结果与观测结果差异明显;若考虑前三阶模的影响,那么模拟结果与观测结果基本一致.由此可见,JJI甚低频信号在短路径上传播时高阶模会对信号的传播产生较大的影响,分析此类路径上甚低频台站信号的传播特征时需要考虑前三阶模甚至更高阶模的作用.     

连续太阳耀斑对甚低频信号传播影响分析

甚低频(VLF)是在地-低电离层之间形成的波导内进行传播的.太阳耀斑可引起电离层突然扰动,VLF信号传播出现异常现象,对导航造成影响,同时也会造成短波通讯中断.为了研究连续太阳耀斑与VLF信号传播的关系,观测2002-04-15连续太阳耀斑爆发时,Alpha导航系统西副台VLF信号传播时的幅度和相位变化情况,解释急始型和缓变型太阳耀斑的不同之处,并且分析单个太阳耀斑与连续太阳耀斑的区别,然后根据观测数据和美国GOES卫星观测数据比较和分析,以此来研究分析连续太阳耀斑爆发对VLF信号传播造成的影响.研究结果显示连续太阳耀斑爆发与VLF信号相位的异常变化情况之间有较好的关联性.     

电离层人工调制激发的VLF波在磁层的传播特性及应用研究

电离层人工调制可以激发甚低频（VLF）波,其中向上传播进入磁层的VLF波,不但能够用来研究磁层中的各种物理现象,且具有人工沉降高能粒子,消除辐射带等实际用途.本文使用射线追踪方法,模拟电离层调制激发的VLF波在磁层的传播路径,分析激发纬度和调制频率对传播路径和传播特性的影响;并基于低频波的色散方程和波粒共振条件,分析VLF波传播路径上与磁层高能粒子的最低共振能及其分布.研究表明,VLF波通过在磁层来回反射向更高的L-shell传播,最终稳定在某一L-shell附近.以较低的调制频率或者从较高的纬度激发的VLF波能够传播到更高的L-shell,但是,当激发纬度过高时,低频波也可能不发生磁层反射而直接进入电离层和大气层.低频波在磁层的传播过程中,在较高的纬度或者较低的L-shell能够与较高能量的电子发生共振相互作用,在较高的L-shell并且低纬地区,能够与较低能量的电子发生共振相互作用.共振谐数越高,能发生波粒共振的电子能量越高.     

电离层人工调制在水平分层电离层中所激发的ELF波辐射

通过大功率ELF/VLF调幅高频波能有效地扰动低电离层,形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,用来辐射ELF/VLF波,所辐射出的低频信号可以进入中性大气层形成地球-电离层波导.本文基于调制加热模型,采用全波有限元算法计算由人工调制电离层所形成的电偶极矩所辐射出的ELF波在水平分层电离层中的波场,计算结果将与地面观测结果进行比较.模拟结果表明,所辐射出的ELF波在电离层中形成一个窄的准直波束,海面所能接收到的ELF信号强度为pT量级,并且频率越低,海面所接收到的场强就越小,与HAARP实验数据一致.结果还表明,低纬电离层对低频信号的传播衰减较大,并且所能透射出电离层的角度小,因此高纬地区更适合地球-电离层波导的激发.     

基于范阿伦双星EMFISIS观测数据的NWC和NAA人工甚低频台站信号的内磁层全球统计分布

地球表面的人工甚低频台站信号可以穿透电离层泄漏进地球磁层导致内辐射带电子沉降到两极大气.因此研究人工甚低频台站信号的空间全球分布特性对于分析辐射带电子的损失具有重要科学意义.本文使用范阿伦双星从2013年到2018年共计6年的高质量的波动观测数据,统计了 NWC(19.8 kHz)、NAA(24.0 kHz)两个人工VLF台站信号的全球分布,分析了台站信号的电场功率谱密度对地理经纬度、磁壳值L、磁地方时MLT、地磁活动水平的依赖性.结果表明,在内磁层中,人工台站VLF信号主要沿着台站位置对应的磁力线传播,夜侧强度高于日侧,冬季高于夏季.这种日夜和夏冬差异的形成是因为夜侧和冬季的日照强度较弱,电离层电子密度较低,VLF信号较容易穿透电离层进入磁层.此外人工VLF台站信号的全球分布受地磁活动的影响很弱.这些统计观测结果给出了 NWC和NAA两个重要人工VLF台站信号强度的全球分布特征,为进一步分析人工VLF台站信号与地球辐射带电子的波粒相互作用提供了关键信息.     

重力波在中层大气温度波导中的传播模式研究

本文给出了重力波在中层大气温度波导中的导制传播模型,并在此模型的基础上详细讨论了重力波部分导制传播下的对称模式与非对称模式,导出了不同模式下相应的特征函数和色散方程,进一步用离散的方法对两类色散方程进行了求解;同时还利用二维全隐欧拉格式（FICE）对重力波在温度波导中的传播进行了模拟,模拟的结果也成功地展现了对称与非对称两种传播模式.研究表明,下边界的扰动能量在向上传播进入波导区域后被俘获,形成导制传播.不同周期的初始扰动,在波导内均会形成对称与非对称形式两种模式的导制传播,由于两者的行进速度不一致,最终会引起两种不同模式的分离.数值模拟中重力波的水平行进速度与线性模型预测值非常接近.波导中不同模式下重力波的水平波长与初始扰动的水平波长非常一致,然而波导区域内重力波的频率与初始扰动的频率无关,频率不同的初始扰动会激发出相同频率的重力波对称与非对称导制传播模式.这表明在确定的温度波导中,水平波数才是决定重力波传播特性的决定因素.进一步的分析显示,初始扰动的水平波数-频率分布越接近完全导制传播的色散关系时,温度波导中更易于生成以该种模式部分导制传播的重力波.     

根据VLF的相位变化确定D层宇宙线强度变化的可能性

银河宇宙线是电离层D层的重要电离源之一,它的急剧变化会使D层电子密度发生改变,从而影响VLF波的夜间传播。本文根据在西安接收英国GBR台的VLF波（16kc/s）的相位变化,讨论了在有宇宙线暴（Forbush下降）和强磁暴时,中纬D层电子浓度的变化和相应的VLF波的相位漂移;并根据VLF的相位变化,估计了相应的宇宙线强度变化。由于D层中的宇宙线强度变化通常难于观测,通过VLF波的相位漂移来估计它,这是很有意义的。所以,VLF波的传播效应可能成为间接探测宇宙线强度变化的有用工具。     

VLF跨赤道传播相位异常的实验研究

本文分析了Omega导航台中E台和G台到河南新乡两条路径上,信号相位的变化。两条路径都跨赤道,但传播方向不同,从而分析了VLF信号跨赤道传播的特点以及方向效应,特别对G台-新乡路径上,相位周期丢失进行了分析,并讨论了TE₁模和TM₁模之间的模转换和模干涉。产生跨赤道传播相位异常的原因虽然很多,但它对VLF信号的影响却是固定的,可以通过它从一个侧面来讨论赤道电离层。     

重力波包在中层大气温度波导中传播的数值模拟

给出了重力波在中层大气温度波导中的反对称形式导制传播的线性理论模型，并采用二维非线性的数值模型对重力波波包在中层大气温度波导中的传播和演变过程进行了模拟研究.模拟的结果表明，下层大气激发的重力波能量进入波导区域后被俘获形成导制传播.重力波在波导内不停地来回反射，垂直方向的自由传播受到限制，能量在波导内沿着水平方向传输，模拟得到的波参数与理论值相近.重力波包在温度波导中传播时伴随着能量泄漏，且能量泄漏的速率随时间变缓，最终总有部分能量被限制在波导区域.重力波在水平方向上传播几百公里后，依然维持着良好的波结构，同时数值模拟也给出了重力波在波导区域内能量密度的时空分布.     

低纬地区电离层电流的人工调制数值模拟

利用高频泵波能对低电离层进行有效的人工扰动.采用ELF/VLF调幅高频电波对电离层进行加热,电子温度会随着调制频率振荡,并引起电导率周期性变化,从而使加热区内电离层电流周期性变化,形成等效的ELF/VLF电离层虚拟天线,辐射调制频率范围内的无线电波.早期的电离层人工调制研究主要集中在高纬和极区,本文讨论低纬地区电离层人工调制的可能性.本文的理论研究和数值模拟结果表明,低纬地区低电离层电导率在周期性加热的条件下能有效地被调制,使加热区域形成ELF/VLF波的电流辐射源,并分析了不同加热参数和入射条件对调制效果的影响.     

低电离层调制激励VLF/ELF辐射参数优化理论分析

针对低电离层幅度调制加热过程中甚低频/极低频（VLF/ELF）激发效率较低的问题,该文利用低电离层调制加热模型分析方波幅度调制加热过程中占空比和加热频率对VLF/ELF辐射效率的影响,在此基础上获得最大VLF/ELF辐射效率下的优化占空比和加热频率选择范围.研究表明,随着调制波占空比的增大,激发的VLF/ELF等效辐射源强度先增大后减小,占空比的优化范围为40%~70%;随着加热频率的增大,激发的VLF/ELF等效辐射源强度先增大后减小,加热频率的优化范围为（0.8~0.9）倍低电离层临界频率.     

甚低频/低频人工源电波信号地震应用研究进展

甚低频/低频人工源电波作为一种主动源发射的通讯导航信号,因其长距离波导传播的特性在地-电离层观测及应用中表现出极大的优势。本文总结了二十世纪末以来基于甚低频/低频（VLF/LF）电波观测技术及其数据分析方法、典型震例及统计研究成果、圈层耦合机理等方面的研究进展,并通过探讨其应用成果的快速积累及前兆扰动起源等研究难点,展望了未来在我国多种地基和卫星电磁配合下的综合立体体系建设以及该技术可能发挥的最大贡献。      

JJI甚低频台站信号对太阳耀斑事件的响应特性

太阳耀斑发生时,日地空间的X射线通量会随之增大,进而影响到地球电离层的电子密度分布,导致地球-电离层波导状态发生改变,因此接收到的甚低频(VLF,Very Low Frequency)信号会表现出对应的扰动现象.2017年9月8日,位于湖北省内武汉和随州两站点的VLF接收机分别监测到与X射线太阳耀斑相关的来自日本宫崎县(130°49′E,32°04′N)的JJI甚低频台站信号(22.2 kHz)的振幅异常事件.分析当日的数据发现JJI信号的振幅对不同的太阳耀斑出现不同的响应类型,而且对于同一个耀斑,两地的信号响应类型不尽相同.通过统计2017—2019年间与太阳耀斑相关的JJI信号振幅扰动事件,发现两接收站点的JJI信号响应类型都与耀斑强度及其发生时间存在一定的关系,且呈现出四种响应类型,即两次上升下降型、先上升后下降型、下降型和上升型,但是四种响应类型的事件占比不同.拟合结果表明信号的扰动幅度与X射线通量的积分成正相关,但是两站点的线性拟合斜率存在差异.JJI信号到武汉和随州均属于近似沿纬度方向的短距离传播,且两接收站点相距较近,因此两传播路径大致相似.研究两路径上JJI信号对太阳耀斑响应的差异性有助于理解VLF信号的传播以及探索其在太阳活动监测方面的应用.     

电离层人工调制激发的下行ELF/VLF波辐射

通过大功率ELF/VLF调幅高频波对电离层进行加热,形成电离层虚拟天线,可以作为发射ELF/VLF波的一种有效手段.本文使用汪枫(2009)的调制加热模型,计算高频加热电离层产生的低频辐射源强度,采用全波解算法分析辐射的低频波向下传播过程中的衰减和反射问题,并采用HAARP实验参数,模拟出在海面上接收到的低频信号强度为...     

与2005年4月7日西藏地震相关的Demeter数据ELF电场异常特征分析

众多研究结果表明,大地震前数小时至数十小时在电离层有低频电磁信号异常现象,所以,电磁方法对地震短临预测工作非常重要.自从1983年Larkina发表了对INTERCOSMOS-19卫星经过地震区域时记录数据的处理分析结果,发现震前和震后几十分钟至数小时内甚低频VLF(3～30kHz)电磁信号增强,可与陆基观测一起对电磁场和电离层进行立体监视,使地震电磁信号异常研究工作和地震短临预测工作进入了一个新的发展阶段.     

高铁地震面波相速度频散曲线提取

为了充分利用高铁地震信号中的面波信息,本文将双台法和旋转法等面波相速度提取方法应用于高铁地震模拟记录,尝试提取基阶瑞利波与勒夫波相速度频散曲线.通过分析以高铁高架桥的桥墩为源的高铁波场干涉特征,给出了适用于高铁地震波场的面波相速度校正方法;通过数值实验,证明了方法的有效性.     

从雷电脉冲谱推算出低电离层等效结构

从低电离层-地面波导中电波传播的波导模理论出发,分析了雷电产生的电磁脉冲（LEP）谱随距离变化与低电离层结构之间关系。利用LEP谱中干扰最小值时的频率与指数电离层模式参量的关系得出低电离层等效模拟参量。从我们观测出的LEP数据得出指数电离层等效参量是:在白天β=0.3km^-1,h_i=70km;在夜间β=0.5km^-1,h_i=88km。并指出使用这种方法可以观测出低电离层在时间上和地理位置上的变化。