1、Radio Wave Propagation无线电波传播 第八讲电离层中的电波传播2垂直传播的几个问题（垂测、电离图分析、顶测）斜向传播（传输曲线、平面抛物层中的斜传播）几个概念（哨声、法拉第旋转、电离层闪烁）二、电离层垂直探测二、电离层垂直探测1 1、探测原理探测原理1)1)点为反射点点为反射点02)2)等量有关等量有关fN,与3)3)ch214)4)fh 6.3 6.3 垂直传播中的几个问题垂直传播中的几个问题2 2、频高图、频高图的函数的函数 曲线称为频高图。曲线称为频高图。fh Ionospheric Station of GibilmannaLatitude 37.9 N XXXX
2、Longitude 14.0 EIstituto 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 I
3、NGV.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 be
4、ing 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 distanc
5、e 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 characteristicsBottom profile(post-proce
6、ss)例：例：设电离层中，对于设电离层中，对于h h0 的高度处的等离子的高度处的等离子体频率为体频率为fp2=(h-h0)，是常数，试计算出电离是常数，试计算出电离层的虚高层的虚高h，真高，真高hr和相和相高高hp，并比较它们的大并比较它们的大小。小。相高相高 真高真高 虚高虚高三、垂直电离图分析三、垂直电离图分析1 1、模型法（比较法）、模型法（比较法）以抛物模型为例。以抛物模型为例。2mmmemYhhNNN21mmmeYhhNN或或最大电子浓度最大电子浓度最大电子浓度对应的高度最大电子浓度对应的高度层的半厚度层的半厚度:mmmYhNcffmhh834.0由推导的结果可得：由推导的结果可得
7、：以及以及)925.0(21)648.0(21cmmcmmfhYhfhYh)648.0()925.0(ccmfhfhY即即2 2、直接积分法、直接积分法（1）积分反演表达式）积分反演表达式)()(0phfdhfhr（6-38）dNdhdNhfdhhfhrrNrphr001)()1()(（6-39）可将 的主要特性表示为：211reNNM（6-40）通常通常M=1，这时，方程（这时，方程（6-38）是阿贝尔方）是阿贝尔方程，其解是程，其解是pppffdfhfharcsin)sin(2)(20（6-41）（2）克尔索（）克尔索（Kalso）方法方法令令iiiippfhdfh)sin()sin(20
8、取取 0 到到/2内的多个间隔时，多项式内的多个间隔时，多项式有最佳近似。有最佳近似。引入引入得到得到ipiffsinniipfhnfh1)(1)(（6-42）1024.1432102202mffemNppee再由公式再由公式计算出计算出Ne随高度的变化值，即得到电离层随高度的变化值，即得到电离层的电子浓度剖面。的电子浓度剖面。例：例：用直接反演法求电子浓度。用直接反演法求电子浓度。四、顶部电离层探测四、顶部电离层探测1 1、顶部电离层探测的内容、顶部电离层探测的内容 主要探测电离层峰到卫星（或火箭）探测器之间主要探测电离层峰到卫星（或火箭）探测器之间的空间的电子浓度分布。的空间的电子浓度分布
9、。2 2、空间分辨率与频率分辨率空间分辨率与频率分辨率 近地轨道上卫星的水平速度近似为近地轨道上卫星的水平速度近似为510km/s 脉冲重复频率为脉冲重复频率为30Hz的顶探器，在两脉冲之间时的顶探器，在两脉冲之间时间间隔内可移动间间隔内可移动160330m.3 3、顶部电离层图顶部电离层图（1）低截止频率与等离子体频率的关系）低截止频率与等离子体频率的关系ospff)(Hxsxspffff)(Hzszspffffo波波x波波z波波（2）谐振）谐振eepmeNf0221eHmeBf02122eHpTUHRffff等离子体谐振等离子体谐振磁回旋谐振磁回旋谐振上混合谐振上混合谐振6.4 6.4 斜
10、向传播斜向传播 斜向传播斜向传播无线电波以同垂直方向成一定角无线电波以同垂直方向成一定角度（非零）斜向入射到电离层后的传播称为斜向度（非零）斜向入射到电离层后的传播称为斜向传播。传播。可用频段可用频段能利用电离层进行斜向传播的无能利用电离层进行斜向传播的无线电波的频率范围。其上限由电离层的最大电子线电波的频率范围。其上限由电离层的最大电子密度决定，下限由密度决定，下限由D区吸收、噪声电平和干扰等区吸收、噪声电平和干扰等因素决定。因素决定。跳距、高低角射线跳距、高低角射线电离层612345T跳距跳距Nmax一、传输曲线一、传输曲线1 1、斜电离图、斜电离图 斜向传播的群路径斜向传播的群路径P与电
11、波频率与电波频率 f 之间的之间的关系曲线称为斜电离图。关系曲线称为斜电离图。电离层NmaxTDff0h2 2、传输曲线、传输曲线电离层的状态可由频高图电离层的状态可由频高图 hf 表示，即表示，即)(fFh（6-51）这里，函数这里，函数F是已知的，它以解析或图解的形式是已知的，它以解析或图解的形式给出，由等效定理及几何关系，有给出，由等效定理及几何关系，有2tan0hD或或22020241tan1sechD（6-52）22241ffhD 由此可得：由此可得：202)(secff由正割定理由正割定理 有有12),(2ffDffDGh（6-53）定义定义虚高与垂直频率的关系曲线称为斜虚高与垂直
12、频率的关系曲线称为斜传播的传输曲线。传播的传输曲线。二、平面抛物层中的斜传播二、平面抛物层中的斜传播1 1、基本假设条件基本假设条件1 1）电离层为单层水平平面分层）电离层为单层水平平面分层2 2）电子密度为抛物分布）电子密度为抛物分布mmmeYhhNN2)(12 2、传播的水平距离、传播的水平距离000000202000coscoslnsintan2cossin2tan2ffffffYhazbzdzhDcccmzr地面上收发两点间距地面上收发两点间距3 3、跳距与起飞角、跳距与起飞角（1）起飞角）起飞角ffcccc1cos90（6-60）最大起飞角最大起飞角（2）跳距）跳距跳距发生的条件：跳
13、距发生的条件：11tan2211ln0220hYuuuuuhYmsm（6-61）这里这里scMUFffucos3 3、最小群路径、最小群路径0000coscoslnsec2ffffffYhPcccm（6-63）000minln2hhhhYhhffPmmmmcmchhff01mincos当当时时哨声和甚低频发射哨声和甚低频发射 通过电离层和磁层传播的声频范围的电磁波。哨声主要是由闪电的电磁辐射所产生，甚低频发射一般是由磁层中高能带电粒子流激发所产生。哨声和甚低频发射的出现，常受到传播条件、背景噪声水平、观测时间和地点等因素的影响；又与太阳活动、雷雨活动及地磁活动等日、地物理现象密切相关。一般说来
14、，冬季夜间哨声比较频繁，高纬台站的观测结果比中低纬台站的丰富，卫星和火箭在高空中观测到的类型比地面观测到的多。传播特征传播特征地磁场与空间等离子体的分布，决定了电磁波的传播特征。地面台站所观测到的哨声和甚低频发射，大都是在哨声导管中传播的。所谓哨声导管，是指电离层和磁层中按地磁力线排列的路径。它类似于波导管，能捕获甚低频电磁波，使波法线方向只能位于与地磁力线相交一定的角度以内。产生机制产生机制哨声主要由云地闪电的电磁辐射所产生，核爆炸也可以产生哨声。在磁层中带电粒子的运动能够产生甚低频发射。当带电粒子的速度大于介质中电磁波的相速度时，将产生切连科夫辐射；另一方面，当带电粒子沿地磁力线作回旋加速
15、运动时，该带电粒子的运动过程可产生回旋加速辐射。研究简史研究简史 1894年3月 30日和31日出现北极光的同时，普里斯（W.H.Preece）首先在电话中听到一种“鸟鸣”的声音。随后，第一次世界大战期间,巴克豪森(H.G.Barkhausen)在窃听敌方电话中,又听到类似于手榴弹飞行的声音，并认识到这与闪电有关。到20世纪30年代，埃克斯利(T.L.Eckersley)首次从磁离子理论出发，导出了低频极限下电磁波的色散方程，解释了哨声频率和时间之间的色散关系。同时，伯顿(E.T.Burton)和博德曼(E.M.Boardman)进行了大量观测，开始研究哨声和甚低频发射的频谱特征，以及它们与地
16、磁活动的关系。1953年，斯托里(L.R.O.Storey)应用测向器证实哨声起源于远处的闪电，还在理论上证明哨声基本上沿着地磁力线传播，哨声射线方向与地磁力线的夹角要小于1929。1956年，赫利韦尔(R.A.Helliwell)等人首次在高纬地区观测到鼻哨，并用于确定哨声传播的路径。1957年国际地球物理年大会上，总结了以往哨声和甚低频发射的研究成果，规定了观测的国际程序。会后，在继续研究闪电所产生的哨声的同时，还发现核爆炸也能激发哨声；于是开始应用固定频率的人工信号，进行哨声方式的传播实验。特别是应用卫星和火箭，在电离层和磁层中还观测到哨声的许多新类型，大大加深了对哨声和甚低频发射的认识
17、。70年代，主要致力于研究哨声和甚低频发射在地球电离层和磁层中的传播特征，以及它们与空间等离子体的相互作用过程；并利用哨声和甚低频发射的观测结果，间接获取地球磁层的环境资料。电离层调变 用人为的方法使局部电离层的结构和特性发生一时性变化。它是对地球高空大气天然等离子体的一种可控的主动实验。采用的手段包括向电离层辐射强力高频电波、施放化学物质和带电粒子和施以机械扰动等。常用的方法是在地面以高频大功率（0.1兆瓦级）或超强功率（兆瓦至 100兆瓦级）发射机对电离层进行定向辐射，并观测、分析其效应。工作频率一般低于电离层最大等离子体频率,主要为312兆赫。这种方法可改变电离层的电子密度分布和等离子体
18、温度，通常称为电离层加热。30年代，人们发现并开始研究电离层中无线电波的交叉调制现象,即卢森堡效应。1955年以来,科学家们作了较多的电波互作用实验,并从1970年起,开始研究电离层高频加热课题。高频加热能够激发电离介质参量的不稳定性及其同强力无线电波之间的非线性效应，改变电子热平衡状态和化学反应速率，产生场向大不均匀体和小不均匀体、朗缪尔波和离子声波、人造扩展 F层、人造气晕、地磁共轭区人造极光，导致电波附加吸收、超短波散射、F层变形以及引发Z模非常波传播。简单说来，电离层中存在的大量自由电子，通过折射指数和碰撞阻尼作用影响无线电波的传播，而电波射入电离介质后的欧姆加热作用也可改变介质的电动
19、力学特性。地面设备还可使用甚低频发射手段进行电离层加热，激发上电离层及质子层（等离子层）的不稳定性，产生磁流体力学波和粒子沉降。除使用地面高频雷达和甚低频发射机这两种方法外，用空间飞行器和航天飞机装载的带电粒子加速器，也能实现场与粒子的能量交换，进行波束与等离子体互作用实验。以航天飞机和轨道站作为工作平台施放化学物和游离基，可进行钡云实验。施放钠、锂、铝和氧化氮等化学物还能进行电离层运动和电场示踪实验，以研究电离交换与粒子掺杂等化学反应。核爆炸对电离层的影响，也属于电离层调变范畴。核爆炸产生多种辐射,包括红外线、可见光、紫外线、X射线、射线在内的电磁辐射，以及含有粒子、粒子、二次电子和中子流等
20、在内的粒子辐射，并产生强大的电磁脉冲和冲击波气流。由于电离层高度上空气稀薄，大当量核爆炸，尤其是高空核爆炸可使其过量电离或全部离化，并且具有复杂的时空分布。这种核爆炸电离层调变的后效时间长达数十分钟至数小时，比高频加热的后效时间长得多。核爆炸电离层调变会强烈影响无线电波传播。局部空间的极度电离和介质电导率的巨大改变，可严重扰乱或中断无线电通信，使雷达工作失效。核爆炸还会促使电子总含量激增而形成电离层行扰，即声重力波。导弹推进器和卫星运载火箭及其高温等离子体喷焰，也能造成电离层的局部扰动，使电离层变态。电离层调变的结果，一方面相当于在高空悬挂大反射镜和良散射体,有利于超短波远程传播,可进行跨距达
21、3500公里的调频广播与电视传送以及无线传真电报；但是，另一方面则相当于在高空悬挂吸收屏或黑障，影响短波正常的电离层传播。它还可以人为地产生电离层空洞即等离子体窗口，并激发等离子体新谱线。法拉第旋转法拉第旋转 法拉第旋转就是线极化电波通过电磁场时，会在电磁场的影响下产生极化面相对入射波的旋转。电磁场对电磁波的这种影响称为法拉第效应，这种影响是电磁场固有的特性，由物理学家法拉第发现，并由此命名。其大小与电波频率、电离层电子密度、传播路径长度有关。旋转效应正比于电子密度，因此白天旋转值最大（出现电离峰值）；旋转效应还正比于电磁场强，因此沿地球磁场线方向传播时旋转大；地球站的仰角低时，通过电离层的路
22、径长，旋转大。当传播方向平行于地球磁场时（沿经度方向传播），旋转角与频率的平方成正比，当传播方向垂直于地球磁场时（横向传播），旋转角与频率的立方成反比。电离层闪烁 ionosphericscintillation 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
23、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 scintillation may cause problems such as singal power fading,phase cycle slips,receiver
24、loss of lock,etc.,and degrade the quality of satellite navigation systems.Being concerned about the effects,the National Space Weather Program(NSWP)lists ionospheric irregularities/scintillation as one key component of the space weather.The program requires systems capable of monitoring,nowcasting,and forecasting solar influences on Earths space environment,including global activity of ionospheric irregularities and scintillation.EffectsonNavigationSystemsandtheNationalSpaceWeatherProgram ROTI监测(Rate of TEC Index)
