無線電波傳播第八講2電離層中的電波傳播.ppt

Radio Wave Propagation,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(gè)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(gè)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(gè)問題,2、頻高圖,的函數(shù) 曲線稱為頻高圖。,Ionospheric Station of Gibilmanna Latitude 37.9 N XXXX Longitude 14.0 E Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) This page reports the real time ionograms recorded in Gibilmanna by the new Advanced Ionospheric Sounder (AIS). The critical frequency foF2 and MUF(3000)F2 are scaled by Autoscala program. The AIS and Autoscala were developped at the INGV. This page is updated every 15 minutes.,Characteristics,Each ionospheric layer shows up as an approximately smooth curve, separated from each other by an asymptote at the critical frequency of that layer. The upwardly curving sections at the beginning of each layer are due to the transmitted wave being slowed by, but not reflected from, underlying ionisation which has a plasma frequency close to, but not equal to the transmitted frequency. For frequencies approaching the level of maximum plasma frequency in a layer, the virtual height tends to infinity, because the pulse must travel a finite distance at effectively zero speed. The frequencies at which this occurs are called the critical frequencies. The critical frequency of each layer is scaled from the asymptote, and the virtual height of each layer is scaled from the lowest point on each curve,Ionograms characteristics,Bottom profile (post-process),例：設(shè)電離層中，對(duì)于h h0 的高度處的等離子體頻率為fp2= (h-h0)， 是常數(shù)，試計(jì)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(duì)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 的主要特性表示為：,（6-40）,通常M=1，這時(shí)，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 /2內(nèi)的多個(gè)間隔時(shí)，多項(xiàng)式,有最佳近似。,引入 得到,（6-42）,再由公式,計(jì)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510km/s 脈沖重復(fù)頻率為30Hz的頂探器，在兩脈沖之間時(shí)間間隔內(nèi)可移動(dòng)160330m.,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 hf 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(shí),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(shí)間和地點(diǎn)等因素的影響；又與太陽活動(dòng)、雷雨活動(dòng)及地磁活動(dòng)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(tái)站的觀測結(jié)果比中低緯臺(tái)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(tái)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(dòng)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(shí)，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(dòng)時(shí)，該帶電粒子的運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)間之間的色散關(guān)系。同時(shí)，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(dòng)的關(guān)系。 1953年，斯托里(L.R.O.Storey)應(yīng)用測向器證實(shí)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(huì)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(huì)后，在繼續(xù)研究閃電所產(chǎn)生的哨聲的同時(shí)，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(hào)，進(jìn)行哨聲方式的傳播實(shí)驗(yàn)。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(duì)哨聲和甚低頻發(fā)射的認(rèn)識(shí)。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(shí)性變化。它是對(duì)地球高空大氣天然等離子體的一種可控的主動(dòng)實(shí)驗(yàn)。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(dòng)等。常用的方法是在地面以高頻大功率 （0.1兆瓦級(jí)）或超強(qiáng)功率（兆瓦至 100兆瓦級(jí)）發(fā)射機(jī)對(duì)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312兆赫。 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(shí)驗(yàn),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(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)。以航天飛機(jī)和軌道站作為工作平臺(tái)施放化學(xué)物和游離基，可進(jìn)行鋇云實(shí)驗(yàn)。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(dòng)和電場示蹤實(shí)驗(yàn)，以研究電離交換與粒子摻雜等化學(xué)反應(yīng)。,核爆炸對(duì)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、射線在內(nèi)的電磁輻射， 以及含有粒子、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(shí)空分布。這種核爆炸電離層調(diào)變的后效時(shí)間長達(dá)數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)，比高頻加熱的后效時(shí)間長得多。核爆炸電離層調(diào)變會(huì)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?cái)_亂或中斷無線電通信，使雷達(dá)工作失效。核爆炸還會(huì)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(dòng)，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(bào)；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(shí)，會(huì)在電磁場的影響下產(chǎn)生極化面相對(duì)入射波的旋轉(zhuǎn)。電磁場對(duì)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(shí)旋轉(zhuǎn)大；地球站的仰角低時(shí)，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(shí)（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(shí)（橫向傳播），旋轉(zhuǎn)角與頻率的立方成反比。,電離層閃爍,ionospheric scintillation The fluctuation in brightness of a radio source due to the scattering of radio waves by irregularities in the Earths ionosphere. Irregularly sturctured ionospheric regions can cause diffraction and scattering of trans-ionospheric radio signals. When received at an antenna, these signals present random temporal fluctuations in both amplitude and phase. This is known as ionospheric scintillation.,Ionospheric scintillatio