無線電波傳播第八講2電離層中的電波傳播.ppt

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RadioWavePropagation,無線電波傳播第八講電離層中的電波傳播2垂直傳播的幾個問題（垂測、電離圖分析、頂測）斜向傳播（傳輸曲線、平面拋物層中的斜傳播）幾個概念（哨聲、法拉第旋轉(zhuǎn)、電離層閃爍）,二、電離層垂直探測1、探測原理,1)點(diǎn)為反射點(diǎn),2)等量有關(guān),3),4),6.3垂直傳播中的幾個問題,2、頻高圖,的函數(shù)曲線稱為頻高圖。,,IonosphericStationofGibilmannaLatitude37.9NXXXXLongitude14.0EIstitutoNazionalediGeofisicaeVulcanologia(INGV)ThispagereportstherealtimeionogramsrecordedinGibilmannabythenewAdvancedIonosphericSounder(AIS).ThecriticalfrequencyfoF2andMUF(3000)F2arescaledbyAutoscalaprogram.TheAISandAutoscalaweredeveloppedattheINGV.Thispageisupdatedevery15minutes.,Characteristics,Eachionosphericlayershowsupasanapproximatelysmoothcurve,separatedfromeachotherbyanasymptoteatthecriticalfrequencyofthatlayer.Theupwardlycurvingsectionsatthebeginningofeachlayerareduetothetransmittedwavebeingslowedby,butnotreflectedfrom,underlyingionisationwhichhasaplasmafrequencycloseto,butnotequaltothetransmittedfrequency.Forfrequenciesapproachingthelevelofmaximumplasmafrequencyinalayer,thevirtualheighttendstoinfinity,becausethepulsemusttravelafinitedistanceateffectivelyzerospeed.Thefrequenciesatwhichthisoccursarecalledthecriticalfrequencies.Thecriticalfrequencyofeachlayerisscaledfromtheasymptote,andthevirtualheightofeachlayerisscaledfromthelowestpointoneachcurve,Ionogram’scharacteristics,Bottomprofile(post-process),,,,,,,,,,例：設(shè)電離層中，對于h>h0的高度處的等離子體頻率為fp2=?(h-h0)，?是常數(shù)，試計算出電離層的虛高h(yuǎn)‘，真高h(yuǎn)r和相高h(yuǎn)p，并比較它們的大小。,相高<真高<虛高,三、垂直電離圖分析1、模型法（比較法）,以拋物模型為例。,或,最大電子濃度最大電子濃度對應(yīng)的高度層的半厚度,由推導(dǎo)的結(jié)果可得：,以及,即,2、直接積分法,（1）積分反演表達(dá)式,（6-38）,（6-39）,可將μ’的主要特性表示為：,（6-40）,通常M=1，這時，方程（6-38）是阿貝爾方程，其解是,（6-41）,（2）克爾索（Kalso）方法,令,取0到π/2內(nèi)的多個間隔時，多項式,有最佳近似。,引入得到,（6-42）,再由公式,計算出Ne隨高度的變化值，即得到電離層的電子濃度剖面。,例：用直接反演法求電子濃度。,四、頂部電離層探測1、頂部電離層探測的內(nèi)容,主要探測電離層峰到衛(wèi)星（或火箭）探測器之間的空間的電子濃度分布。,2、空間分辨率與頻率分辨率,近地軌道上衛(wèi)星的水平速度近似為5－10km/s脈沖重復(fù)頻率為30Hz的頂探器，在兩脈沖之間時間間隔內(nèi)可移動160－330m.,3、頂部電離層圖,（1）低截止頻率與等離子體頻率的關(guān)系,o波,x波,z波,（2）諧振,等離子體諧振,磁回旋諧振,上混合諧振,6.4斜向傳播,斜向傳播——無線電波以同垂直方向成一定角度（非零）斜向入射到電離層后的傳播稱為斜向傳播。可用頻段——能利用電離層進(jìn)行斜向傳播的無線電波的頻率范圍。其上限由電離層的最大電子密度決定，下限由D區(qū)吸收、噪聲電平和干擾等因素決定。,,,,,,,,,,,跳距、高／低角射線,電離層,6,1,2,3,4,5,T,,跳距,Nmax,一、傳輸曲線1、斜電離圖,斜向傳播的群路徑P與電波頻率f之間的關(guān)系曲線稱為斜電離圖。,,,,,,電離層,Nmax,,,,T,,D,f,f?,,,?0,h,2、傳輸曲線,電離層的狀態(tài)可由頻高圖h~f?表示，即,（6-51）,這里，函數(shù)F是已知的，它以解析或圖解的形式給出，由等效定理及幾何關(guān)系，有,或,（6-52）,由此可得：,由正割定理有,（6-53）,定義——虛高與垂直頻率的關(guān)系曲線稱為斜傳播的傳輸曲線。,二、平面拋物層中的斜傳播1、基本假設(shè)條件,1）電離層為單層水平平面分層,2）電子密度為拋物分布,2、傳播的水平距離,地面上收發(fā)兩點(diǎn)間距,3、跳距與起飛角,（1）起飛角,（6-60）,最大起飛角,（2）跳距,跳距發(fā)生的條件：,（6-61）,這里,3、最小群路徑,（6-63）,當(dāng),時,哨聲和甚低頻發(fā)射,通過電離層和磁層傳播的聲頻范圍的電磁波。哨聲主要是由閃電的電磁輻射所產(chǎn)生，甚低頻發(fā)射一般是由磁層中高能帶電粒子流激發(fā)所產(chǎn)生。哨聲和甚低頻發(fā)射的出現(xiàn)，常受到傳播條件、背景噪聲水平、觀測時間和地點(diǎn)等因素的影響；又與太陽活動、雷雨活動及地磁活動等日、地物理現(xiàn)象密切相關(guān)。一般說來，冬季夜間哨聲比較頻繁，高緯臺站的觀測結(jié)果比中低緯臺站的豐富，衛(wèi)星和火箭在高空中觀測到的類型比地面觀測到的多。,傳播特征地磁場與空間等離子體的分布，決定了電磁波的傳播特征。地面臺站所觀測到的哨聲和甚低頻發(fā)射，大都是在哨聲導(dǎo)管中傳播的。所謂哨聲導(dǎo)管，是指電離層和磁層中按地磁力線排列的路徑。它類似于波導(dǎo)管，能捕獲甚低頻電磁波，使波法線方向只能位于與地磁力線相交一定的角度以內(nèi)。產(chǎn)生機(jī)制哨聲主要由云－地閃電的電磁輻射所產(chǎn)生，核爆炸也可以產(chǎn)生哨聲。在磁層中帶電粒子的運(yùn)動能夠產(chǎn)生甚低頻發(fā)射。當(dāng)帶電粒子的速度大于介質(zhì)中電磁波的相速度時，將產(chǎn)生切連科夫輻射；另一方面，當(dāng)帶電粒子沿地磁力線作回旋加速運(yùn)動時，該帶電粒子的運(yùn)動過程可產(chǎn)生回旋加速輻射。,研究簡史,1894年3月30日和31日出現(xiàn)北極光的同時，普里斯（W.H.Preece）首先在電話中聽到一種“鳥鳴”的聲音。隨后，第一次世界大戰(zhàn)期間,巴克豪森(H.G.Barkhausen)在竊聽敵方電話中,又聽到類似于手榴彈飛行的聲音，并認(rèn)識到這與閃電有關(guān)。到20世紀(jì)30年代，埃克斯利(T.L.Eckersley)首次從磁離子理論出發(fā)，導(dǎo)出了低頻極限下電磁波的色散方程，解釋了哨聲頻率和時間之間的色散關(guān)系。同時，伯頓(E.T.Burton)和博德曼(E.M.Boardman)進(jìn)行了大量觀測，開始研究哨聲和甚低頻發(fā)射的頻譜特征，以及它們與地磁活動的關(guān)系。1953年，斯托里(L.R.O.Storey)應(yīng)用測向器證實哨聲起源于遠(yuǎn)處的閃電，還在理論上證明哨聲基本上沿著地磁力線傳播，哨聲射線方向與地磁力線的夾角要小于1929′。1956年，赫利韋爾(R.A.Helliwell)等人首次在高緯地區(qū)觀測到鼻哨，并用于確定哨聲傳播的路徑。,,1957年國際地球物理年大會上，總結(jié)了以往哨聲和甚低頻發(fā)射的研究成果，規(guī)定了觀測的國際程序。會后，在繼續(xù)研究閃電所產(chǎn)生的哨聲的同時，還發(fā)現(xiàn)核爆炸也能激發(fā)哨聲；于是開始應(yīng)用固定頻率的人工信號，進(jìn)行哨聲方式的傳播實驗。特別是應(yīng)用衛(wèi)星和火箭，在電離層和磁層中還觀測到哨聲的許多新類型，大大加深了對哨聲和甚低頻發(fā)射的認(rèn)識。70年代，主要致力于研究哨聲和甚低頻發(fā)射在地球電離層和磁層中的傳播特征，以及它們與空間等離子體的相互作用過程；并利用哨聲和甚低頻發(fā)射的觀測結(jié)果，間接獲取地球磁層的環(huán)境資料。,電離層調(diào)變,用人為的方法使局部電離層的結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生一時性變化。它是對地球高空大氣天然等離子體的一種可控的主動實驗。采用的手段包括向電離層輻射強(qiáng)力高頻電波、施放化學(xué)物質(zhì)和帶電粒子和施以機(jī)械擾動等。常用的方法是在地面以高頻大功率（0.1兆瓦級）或超強(qiáng)功率（兆瓦至100兆瓦級）發(fā)射機(jī)對電離層進(jìn)行定向輻射，并觀測、分析其效應(yīng)。工作頻率一般低于電離層最大等離子體頻率,主要為3～12兆赫。這種方法可改變電離層的電子密度分布和等離子體溫度，通常稱為電離層加熱。,,30年代，人們發(fā)現(xiàn)并開始研究電離層中無線電波的交叉調(diào)制現(xiàn)象,即盧森堡效應(yīng)。1955年以來,科學(xué)家們作了較多的電波互作用實驗,并從1970年起,開始研究電離層高頻加熱課題。高頻加熱能夠激發(fā)電離介質(zhì)參量的不穩(wěn)定性及其同強(qiáng)力無線電波之間的非線性效應(yīng)，改變電子熱平衡狀態(tài)和化學(xué)反應(yīng)速率，產(chǎn)生場向大不均勻體和小不均勻體、朗繆爾波和離子聲波、人造擴(kuò)展F層、人造氣暈、地磁共軛區(qū)人造極光，導(dǎo)致電波附加吸收、超短波散射、F層變形以及引發(fā)Z模非常波傳播。簡單說來，電離層中存在的大量自由電子，通過折射指數(shù)和碰撞阻尼作用影響無線電波的傳播，而電波射入電離介質(zhì)后的歐姆加熱作用也可改變介質(zhì)的電動力學(xué)特性。,,地面設(shè)備還可使用甚低頻發(fā)射手段進(jìn)行電離層加熱，激發(fā)上電離層及質(zhì)子層（等離子層）的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生磁流體力學(xué)波和粒子沉降。除使用地面高頻雷達(dá)和甚低頻發(fā)射機(jī)這兩種方法外，用空間飛行器和航天飛機(jī)裝載的帶電粒子加速器，也能實現(xiàn)場與粒子的能量交換，進(jìn)行波束與等離子體互作用實驗。以航天飛機(jī)和軌道站作為工作平臺施放化學(xué)物和游離基，可進(jìn)行鋇云實驗。施放鈉、鋰、鋁和氧化－氮等化學(xué)物還能進(jìn)行電離層運(yùn)動和電場示蹤實驗，以研究電離交換與粒子摻雜等化學(xué)反應(yīng)。,,核爆炸對電離層的影響，也屬于電離層調(diào)變范疇。核爆炸產(chǎn)生多種輻射,包括紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線在內(nèi)的電磁輻射，以及含有α粒子、β粒子、二次電子和中子流等在內(nèi)的粒子輻射，并產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁脈沖和沖擊波氣流。由于電離層高度上空氣稀薄，大當(dāng)量核爆炸，尤其是高空核爆炸可使其過量電離或全部離化，并且具有復(fù)雜的時空分布。這種核爆炸電離層調(diào)變的后效時間長達(dá)數(shù)十分鐘至數(shù)小時，比高頻加熱的后效時間長得多。核爆炸電離層調(diào)變會強(qiáng)烈影響無線電波傳播。局部空間的極度電離和介質(zhì)電導(dǎo)率的巨大改變，可嚴(yán)重擾亂或中斷無線電通信，使雷達(dá)工作失效。核爆炸還會促使電子總含量激增而形成電離層行擾，即聲重力波。,,導(dǎo)彈推進(jìn)器和衛(wèi)星運(yùn)載火箭及其高溫等離子體噴焰，也能造成電離層的局部擾動，使電離層變態(tài)。電離層調(diào)變的結(jié)果，一方面相當(dāng)于在高空懸掛大反射鏡和良散射體,有利于超短波遠(yuǎn)程傳播,可進(jìn)行跨距達(dá)3500公里的調(diào)頻廣播與電視傳送以及無線傳真電報；但是，另一方面則相當(dāng)于在高空懸掛吸收屏或黑障，影響短波正常的電離層傳播。它還可以人為地產(chǎn)生電離層空洞即等離子體窗口，并激發(fā)等離子體新譜線。,法拉第旋轉(zhuǎn),法拉第旋轉(zhuǎn)就是線極化電波通過電磁場時，會在電磁場的影響下產(chǎn)生極化面相對入射波的旋轉(zhuǎn)。電磁場對電磁波的這種影響稱為法拉第效應(yīng)，這種影響是電磁場固有的特性，由物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)，并由此命名。其大小與電波頻率、電離層電子密度、傳播路徑長度有關(guān)。旋轉(zhuǎn)效應(yīng)正比于電子密度，因此白天旋轉(zhuǎn)值最大（出現(xiàn)電離峰值）；旋轉(zhuǎn)效應(yīng)還正比于電磁場強(qiáng)，因此沿地球磁場線方向傳播時旋轉(zhuǎn)大；地球站的仰角低時，通過電離層的路徑長，旋轉(zhuǎn)大。當(dāng)傳播方向平行于地球磁場時（沿經(jīng)度方向傳播），旋轉(zhuǎn)角與頻率的平方成正比，當(dāng)傳播方向垂直于地球磁場時（橫向傳播），旋轉(zhuǎn)角與頻率的立方成反比。,電離層閃爍,ionosphericscintillationThefluctuationinbrightnessofaradiosourceduetothescatteringofradiowavesbyirregularitiesintheEarthsionosphere.Irregularlysturcturedionosphericregionscancausediffractionandscatteringoftrans-ionosphericradiosignals.Whenreceivedatanantenna,thesesignalspresentrandomtemporalfluctuationsinbothamplitudeandphase.Thisisknownasionosphericscintillation.,Ionosphericscintillationmaycauseproblemssuchassingalpowerfading,phasecycleslips,receiverlossoflock,etc.,anddegradethequalityofsatellitenavigationsystems.Beingconcernedabouttheeffects,theNationalSpaceWeatherProgram(NSWP)listsionosphericirregularities/scintillationasonekeycomponentofthespaceweather.Theprogramrequiressystemscapableofmonitoring,nowcasting,andforecastingsolarinfluencesonEarthsspaceenvironment,includingglobalactivityofionosphericirregularitiesandscintillation.,EffectsonNavigationSystemsandtheNationalSpaceWeatherProgram,ROTI監(jiān)測(RateofTECIndex),