VLF向西传播TE模激励的实验研究

本文分析了在新乡和临潼两地同时接收Omega导航台的H台和C台信号的相位变化。从四条传播路径的测试结果中,分析了TE模的存在以及特点。通过一组导出的方程组,从C台信号的测试数据中,用实验回归法确定出TE₁模的激励因子。结果表明,VLF信号夜间向西传播时,测出的TE₁模的激励因子看来比理论给出的数值要大。     

有限元方法研究精细地-电离层波导VLF波传播特性

基于频域有限元方法仿真了精细地-电离层波导结构甚低频(VLF, Very Low Frequency)电磁波幅度和相位传播特性.首先给出了如何确定VLF波发射点和接收点传播路径所在大圆的方法，接着分析了获取波导结构中不同阶波导模式传播系数的耦合模理论，数值讨论了不同阶波导模式的衰减率和相对相速度随模式数和工作频率的变化关系，给出了波导不同结构参数对一阶模衰减率和相对相速度的影响.与文献结果对比验证了本文有限元方法模拟VLF波传播的正确性和高效性.最后利用实验和数值仿真结果，通过对电子密度国际电离层参考模型进行修正，讨论了澳大利亚—青岛台VLF波幅度和相位日变化的规律.本文工作为研究地-电离层波导结构VLF波电磁特性以及提高陆基超远程甚低频导航系统的精度，提供了新的思路和方法.     

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。     

利用甚低频信号相位变化特性判断X射线耀斑类型的研究

甚低频(Very Low Frequency, VLF)信号在地面—电离层波导中传播,当太阳耀斑爆发时日地空间中X射线通量增大,使电离层电子密度分布受到影响,进而导致地面—电离层波导状态发生改变,造成接收到的VLF信号出现异常.本研究利用位于河南省新乡市的VLF信号接收站,对俄罗斯Alpha导航系统发射的VLF信号进行长期的监测和观察后,发现X射线耀斑爆发引起VLF信号相位产生缓变型和急始型两种类型响应.与美国气象卫星(GOES)观测的耀斑数据进行对比,发现VLF信号相位产生两种类型响应与耀斑到达峰值所用时长在耀斑持续时长中的占比有关,缓变型相位对应的耀斑到达峰值时长在耀斑持续时长中占比通常在30%～40%之间,急始型则不高于30%.研究X射线耀斑与VLF信号相位响应之间的对应关系,对进一步研究VLF信号传播及不同类型X射线耀斑的成因有积极的推动作用.     

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.     

热带太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模及其演变

利用SODA次表层海温再分析资料和卫星遥感海面高度异常数据,分析了热带太平洋和印度洋温跃层海温之间的联系,提出了太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模(PITM)的概念、并定义了该联合模指数.结果表明,联合模指数具有准两年和3~5年的年际变化周期以及2011-2012年的年际变化周期,并具有季节锁相和振幅不对称等特征.联合模的演变过程与温跃层海温异常(TOTA)的发展和传播过程紧密相联:在太平洋,TOTA一般从西太平洋出发沿赤道(5°S-5°N)向东传播,到达东太平洋之后折向北,再沿10°N-14°N纬度带向西传播到达太平洋西岸并向赤道西太平洋扩展,形成一条回路;南太平洋也有类似回路但信号较弱;在印度洋,则主要沿8°S-12°S纬度带向西传播,到达西岸后折向北,然后迅速沿赤道(1.25°S-1.25°N)向东扩展,也形成一条回路.对NCEP/NCAR再分析风场资料的合成分析则表明,联合模的演变过程与大气环流尤其是纬向垂直环流(Walker环流)的变化密切相关,联合模的正位相对应着赤道印度洋区域顺时针的Walker环流以及赤道太平洋区域逆时针的Walker环流;而联合模的负相位则有相反的情况.此外,联合模演变过程中,TOTA的传播发展与850 hPa异常纬向风的传播发展有很好的相关.     

磁声重波在地球磁层中的传播

本文讨论了赤道附近地球磁层中磁声重波沿重力场方向的传播特征。结果表明,当波动频率小于截止频率ω_c时,磁声重波将在磁层中被反射。对于典型的磁层等离子体参数,ω_c的极大值约为0.3秒^-1。我们还讨论了磁声重波与地磁微脉动之间的关系,沿着重力场方向向下传播的磁声重波,可能直接引起赤道附近的P_c1磁脉动。     

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.     

基于阿尔法导航系统记录分析2010年玉树MS 7.1地震异常

地震灾害是人类面临的重大考验,阿尔法导航系统在地震预报领域有着重要的科研及应用价值。以2010年4月13日23时49分（世界时）玉树M_S 7.1地震为例,基于2010年4月6日—13日阿尔法导航系统超低频（VLF）电波场强和相位数据,使用滑动四分位法,分析该系统9条链路上的信号异常,结合地磁“低点位移”现象,综合分析此次地震前的异常变化。研究结果表明：在地磁活动平静时段,玉树M_S 7.1震前3天及震前23 h,电波场强数据出现明显畸变,表现为持续1—6 h超阈值的异常扰动,最大扰动幅度超过阈值13.6 μV/m,相位数据未出现明显异常。结合震前3天阿尔法导航系统主台—通海台、西副台—雅安台异常链路以及震前47天地磁“低点位移”分界线的重叠位置,可进一步精确临震预报时刻,并提高发震位置的预测精度。     

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.     

2010年玉树7.3级地震前阿尔法导航信号场强异常分析

利用俄罗斯三个阿尔法发射站与中国两个接收站雅安和通海之间形成的6条链路, 获取阿尔法导航信号监测仪的场强数据, 针对2010年4月14日青海玉树7.3级地震开展了震例分析研究。 发现玉树地震前3天4月10日10:30左右, 主台—雅安链路和主台—通海链路f1频率的场强都出现了显著的负异常, 持续时间约为15分钟左右, 同时两组异常序列呈现较高相关性, 分析认为异常可能来源于同一个低电离层扰动。 通过对当日所有链路的数据与背景数据对比分析, 发现东、 西副台与雅安、 通海链路的f1频率场强均无异常变化, 进一步表明这次低电离层扰动在主台-雅安和主台-通海2条链路的有效探测范围中。 此外, f2频率和f3频率在全部6条观测链路上均无明显异常, 说明低电离层扰动区在f2和f3频率的有效探测范围之外。 这些结果的综合分析为扰动源方位判识提供了一定的科学依据。 本文采用的方法可以作为未来分析阿尔法监测数据提取地震异常的一种有效方法。     

赤道异常区内非导管哨声的射线跟踪

本文利用射线跟踪技术研究了电离层赤道异常区内地面哨声非导管传播的可能性。考察了负电离纬向梯度对非导管哨声传播的影响,并检验了哨声射线路径参数和群时延对频率的依赖关系。计算结果证明,夜间在赤道异常区内的电离层中,存在一些地面可检测哨声的非导管传播通道;沿位于通道内的射线路径传播的哨声波,透出电离层后,可同时激发电离层-地面波导的朝极和朝赤道方向传播;在磁纬10°附近,到达共轭电离层底部的射线有明显的“聚焦”效应。本文结果比较满意地解释了近年来在我国南部地区地面台网（磁纬19.4°N至5.5°N）同时观测到的一部分哨声的传播特征。     

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-空气层-地球介质耦合下大尺度大功率可控源电磁波响应特征研究

电离层-空气层-地球介质（我们称为“地-电离层”模式）耦合下大功率可控源电磁波的研究在国内外较少.近年来,有学者做了相关的数值模拟,但没有考虑空气中位移电流的影响.我们根据研究对象和问题建立地质模型和相应的数学模型,采用R函数法进行“地-电离层”模式水平电缆接地偶极源的电磁波场强公式推导,同时考虑电离层和空气中位移电流的影响.在验证方法可靠的前提下,进行了数值计算.探讨了“地-电离层”模式大功率可控源电磁波的响应特征.数值计算结果表明,由于电离层和空气层中位移电流的影响,“地-电离层”模式大功率可控源电磁波的特征与地球半空间可控源电磁波的特征有很大的不同,体现在前者除了有近场、远场外,还存在由于电离层影响下场强衰减变小的波导场.并随着收发距增大和频率的增高,出现了电场和磁场方向图的变化.     

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．      

太阳耀斑期间电离层效应的观测分析

一、一般情况 1989年7月31日到9月9目,在新乡、临潼和乌鲁木齐三点对VLF Omega信号相位变化进行了同时接收。与此同时,乌鲁木齐天文站的太阳色球观测和乌鲁木齐电离层垂测站的电离层探测也同时进行。在这期间,三个VLF信号观测点上同时有记录的太阳活动事件有36次。其中最大的发生在8月15日、16日和17日。特别是8月16日的太阳耀斑造成电离层垂测站的频高图近四个小时内没有回波。     

Anomalous phenomena on HF radio paths during geomagnetic disturbances

We analyze ionospheric oblique sounding data on three high-latitude and one high-latitude–midlatitude HF radio paths for February 15 and 16, 2014, when two substorms and one magnetic storm occurred. We investigate cases of anomalous propagation of signals: their reflection from sporadic layer Es, lateral reflections, type “M” or “N” modes, the presence of traveling ionospheric disturbances, and the diffusivity of signals and triplets. The most significant results are the following. In geomagnetically undisturbed times, sporadic Es-layers with reduced maximum observed frequencies (MOFEs) on three high-latitude paths were observed in both days. The values of MOFEs during disturbances are large, which leads to the screening of other oblique sounding signals reflected from the ionosphere. On all four paths, the most frequently traveling ionospheric disturbances due to the terminator were observed in quiet hours from 03:00 to 15:00 UT on the first day and from 06:00 to 13:00 UT on the second day of the experiment. In addition, both the sunset terminator and the magnetic storm on the high-latitude–mid-latitude path were found to generate traveling ionospheric disturbances jointly. No such phenomenon was found on high-latitude paths.     

Radio Tomography: A New Experimental Technique

The technique of radio tomography has developed during the past fifteen years from a theoretical concept to an established experimental method, used for geophysical investigations ofsolar-terrestrial processes. It also has potential in the mapping and modelling of the ionised atmosphere for application to practical radio systems. The method involves measurement of the electron content of the ionosphere along a large number of intersecting satellite-to-receiver ray paths, with tomographic inversion of the data to give a two-dimensional image of the spatial distribution of plasma density in the region of ray-path intersection. The emphasis in this review is on experimental tomographic observations, which have highlighted the capabilities and potential of the technique. Examples are presented from the equatorial sector where the equatorial anomaly is a significant feature, the mid-latitude sector where radio propagation is often influenced by the presence of the main ionisation trough, and the auroral and polar regions where footprints of solar-terrestrial coupling processes are frequently to be seen.     

Effect of the total solar eclipse of March 20, 2015, on VLF/LF propagation

The analyzed amplitude and phase variations in electromagnetic VLF and LF signals at 20–45 kHz, received in Moscow, Graz (Austria), and Sheffield (UK) during the total solar eclipse of March 20, 2015, are considered. The 22 analyzed paths have lengths of 200—6100 km, are differently oriented, and cross 40–100% occultation regions. Fifteen paths crossed the region where the occultation varied from 40 to 90%. Solar eclipse effects were found only on one of these paths in the signal phase (–50°). Four long paths crossed the 90–100% occultation region, and signal amplitude and phase anomalies were detected for all four paths. Negative phase anomalies varied from–75° to–90°, and the amplitude anomalies were both positive and negative and were not larger than 5 dB. It was shown that the effective height of the ionosphere varied from 6.5 to 11 km during the eclipse.