第三章电离层与磁层探测V0312课件.ppt

1、空间探测与天线组阵技术航空航天学院上课地点：B103教室上课时间：周四 9-11节单位：航空航天学院教师：王玉文电话：13908015631E-mail：办公地址：研究院大楼2楼211室 第一章 空间对地观测（4学时）第二章 中高层大气探测（4学时）第三章 电离层与磁层探测（4学时）第四章 太阳观测与太阳系探索（2学时）第五章 测试基础理论与技术（6学时）第六章 天线组阵基础理论（8学时）第七章 天线组阵技术及应用（8学时）第八章 天线技术的发展（4学时）空间探测课程目录教材及主要参考书目 教 材：1.焦维新 编著，空间探测，北京大学出版社，2002；2.(美)David H编著,李海涛译,深

2、空网的天线组阵技术，清华大学出版社，2005；参考书：1.周立伟 主编，目标探测与识别，北京理工大学出版社，2004 2.张光义 编著，空间探测相控阵雷达，科学出版社，2001考核方式与成绩评定 考核方式：课程设计（开卷考试）成绩评定：课程设计（70）+平时成绩（30）其中平时成绩包括出勤率、习题作业。第三章第三章 电离层与磁层探测电离层与磁层探测 3.1 3.1 电离层与磁层概况电离层与磁层概况 3.2 3.2 电离层介绍电离层介绍 3.3 3.3 电波在电离层的传播电波在电离层的传播 3.4 3.4 各波段在电离层的传播特性各波段在电离层的传播特性 3.5 3.5 等离子体介绍等离子体介绍

3、 3.63.6 等离子体信息技术等离子体信息技术 3.7 3.7 等离子体航天技术等离子体航天技术 3.1 电离层概况 3.1 电离层的结构特点 包围地球的是厚达两万多千米的大气层，大气层里发生的运动变化对无线电波传播影响很大，对人类生存环境也有很大影响。在离地面约1012km（两极地区为810km，赤道地区达1518km）以内的空间里，大气是相互对流的，称为对流层。离地面大约1060km的空间，气体温度随高度的增加而略有上升，但气体的对流现象减弱，主要是沿水平方向流动，故称平流层。平流层中水汽与沙尘含量均很少，大气透明度高，很少出现像对流层中的气象现象。对流层中复杂的气象变化对电波传播影响特

4、别大，而平流层对电波传播影响很小。从平流层以上直到1000km的区域称为电离层，是由自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。使高空大气电离的主要电离源有：太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星、其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等，其中最主要的电离源是太阳光中的紫外线。该层虽然只占全部大气质量的2左右，但因存在大量带电粒子，所以对电波传播有极大影响。从电离层至几万千米的高空存在着由带电粒子组成的两个辐射带，称为磁层。磁层顶是地球磁场作用所及的最高处，出了磁层顶就是太阳风横行的空间。在磁层顶以下，地磁场起了主宰的作用，地球的磁场就像一堵墙把太阳风挡住了，磁层是

5、保护人类生存环境的第一道防线。而电离层吸收了太阳辐射的大部分X射线及紫外线，从而成为保护人类生存环境的第二道防线。平流层内含有极少量的臭氧（O3），太阳辐射的电磁波进入平流层时，尚存在不少数量的紫外线，云雨臭氧层O3温度气温随高度变化曲线对流层顶50平流层顶10中层顶90热层顶1000卫星流星10102103104km磁层电离层平流层对流层珠穆朗玛峰107108109101010111012电子密度/个/m3DEF1F2 表1011 电离层各层的主要参数 图1012 大气的分层现象 氮原子N氧原子O氮分子N2氧分子O2均匀层(O2占20.95%，N2占78.08%)图1013 长、中、短波从不

6、同高度反射 F层E层D层长波中波短波100 km170 km300 km60 km70 km3.2电离层介绍 电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分，它从60千米一直延伸到大约1000千米的高度。电离区域在这个范围内，主要是太阳的紫外辐射及高能微粒辐射等，使得大气分子部分游离，形成了由电子，正、负离子和中性分子、原子等组成的等离子体 结构特点 电离层电子浓度的高度分布有几个峰值区域 按这些峰值区域划分D、E、F1、F2区图5-6 电离层电子浓度的高度分布3.2电离层介绍D层特点：6090km夜间消失，气体密度大，电子易与其它粒子复合而消失，夜间没有日照而消失在中午时达到最大电子密度对电波损

7、耗较大电子密度随季节有较大的变化。E层：90150km可反射几兆赫的无线电波在夜间其电子密度可以降低一个量级3.2电离层介绍F层：170200km为F1层，200km以上称F2层。在晚上，F1与F2合并为一层。F2层的电子密度是各层中最大的，在白可达21012个/m3，冬天大，夏天小。F2层空气极其稀薄，电子碰撞频率极低，电子可存在几小时才与其它粒子复合而消失。F2层的变化很不规律，其特性与太阳活动性紧密相关。3.2电离层介绍1电离层的规则变化 日夜变化。正午稍后时分达到最大值，到拂晓时各层的电子密度达到最小。D层消失，E层减小，F合并 季节变化。夏季的电子密度大于冬季，F2层反常。随太阳黑子

8、11年周期的变化。随地理位置变化。低纬度大于高纬度190019101920193019401950196019701980199020003002001000太 阳 黑 子 数年 份3.2电离层介绍 电离层的不规则变化 突发E层；电离层骚扰；电离层暴乱40030020010001081091010101110121013正常情况电离层骚扰时N/(个/m3)高度/kmDEDEFF3.2电离层介绍)(rktjDueEECDJJJeVNJCEjtEJD00eNVEjHeNVEjJ00,3.2电离层介绍mVjdtdVmeEEjEjmeeNEjHr0028.801fNr在不考虑电子和其他粒子碰撞在不考虑

9、电子和其他粒子碰撞的情况下，等效介电常数为实数，所以电离层具有理想电介质的特性。电场能量仅使电子发生震荡，并没有任何损耗。3.2电离层介绍VmmVjVmdtdVmeE)()(160222220200mNemNejEjEmjmeeNEjHrrrr考虑电子和其他粒子碰撞3.2电离层介绍22022002002202220222-118.80,211ffNffmNemNemNerr则为等离子体频令时当有3.2电离层介绍考虑地球的地磁场 地磁场将对电离层带来很大影响，地球的磁场是由地球飞快的自转和地核中的所形成的涡电流所产生的，磁场场的的南北极和地理的南北极有一定夹角，并且处在不断变化中，地磁场的强度也

10、在不断变化。把电子运动方向分解为平行于和垂直于磁场方向的两个分量，平行于磁场方向的分量不受磁力的作用，而垂直于磁场方向的分量受到垂直于运动方向和磁场方向的力而做圆周运动。3.2电离层介绍寻常波的小得多。寻常波的损耗要比非离层的反射高度不一样寻常波和非寻常波在电非寻常波：寻常波：常波。分别成为寻常波和非寻两个波由于地磁场的作用分为的电波进入电离层后，当某一频率为最小值。最大值，赤道附近达到在地理南北极附近达到通常角频率为：表达式为：质量和磁场强度有关。关，与电子的带电量、电子运动速度无率，称为磁旋频率，与为电子做圆周运动的频HxHHHHHffBmeBmeff023.3电波在电离层的传播电磁波等相

11、位面的前进速度称为相速度：能量的传播速度称为群速度。电磁波在色散媒质和非色散媒质中的传播特性是不同的。1.电波在非色散媒质中相速度和群速度相等，在色散媒质 中两者不同。2.信号在非色散媒质中传播不会变形，在色散媒质中会。3.信号在色散媒质中相速度和群速度相等，在非色散媒质 中两者不同。相速度随频率改变的现象叫做色散。媒质参数随频率变化的现象称为媒质色散。传播速度。可以理解为信号能量的大值所在，所以群速度值是电波能量密度最宽内。信号包络的极大信号的能量都集中在带时，说明宽度为速度。而当信号的频谱为信号振幅平面的移动可以理解不变，信号的传播速度等于常数时也就是不变时而当在随着时间和空间而改变为信号

12、的平均振幅，它取前两项可以得到展开为泰勒级数：将：信号的场强可以表示为假设信号的频谱宽度为2,)(,)()()()(,2)(,2000000)()(00)(mmtzddkjmzktjmkztjEtzddktzEdeAEdeEtzEddkkkkdeAtzE3.3电波在电离层的传播ncVddkVncddkVpgg001,1在非色散介质中：在色散媒质中群速度为3.3电波在电离层的传播)(8.8090)(8.801sinsin21100zNfifzNnininnr反射条件为：入射角折射定律：不考虑地磁场影响时，电波在电离层中的传播3.3电波在电离层的传播的仰角。入射波要有一定会引起地面吸收，所以射波与

13、地面相切时，一临界频率。但入射频率高于垂直入射的不垂直入射时，最高反可以发现当时有当入射角不为。的最高频率为临界频率时垂直入射能够反射回定义当反射的位置也就越高。要求的电子密度越大，比，即频率越高电离层的电子密度成正可以发生反射的频率与,sec)(90,8.80NNmaxmaxififNfcmc3.3电波在电离层的传播 慢行现象 寂静区电 离层231231电离层地面波静区r1r2地面波电离层静区(a)(b)3.4各波段在电离层的传播特性 短波 衰落衰落是接收信号强度的一种无规则变化。衰落时的信号强度可有几十到几百倍的变化。短波传输中的衰落现象是不同的几条电波射线在接收点干涉的结果。3.4各波段

14、在电离层的传播特性图a 天波和地波 图b 天波中的高角波和低角波、单跳与多跳传播 图c 寻常波和非常波之间的干涉 图d 电离层的漫射3.4各波段在电离层的传播特性 回波现象 短波天线传播在某些适当的传播条件下，即使在很大的距离上也只有较小的传输损耗，电波可能连续的在电离层内多次反射或在电离层与地表之间来回反射，有可能环绕地球再次出现，称为环球回波。在接收机中，若出现了信号回复，犹如在山谷中出现回声那样，这往往是出现了回波现象 3.4各波段在电离层的传播特性（a）反向回波；（）反向回波；（b）正向回波）正向回波 接收发射(a)(b)接收发射3.4各波段在电离层的传播特性 中波传播（300KHz3

15、MHz）地面波和天波传播 地面波传播，与长波相比，由于波长短，地面损耗大，且绕射能力差，所以传播的有效距离比长波近，但比短波远，一般为几百千米 中波在电离层临界频率以下，故可以反射，通常在E区反射 白天靠地面波传播，晚上既有地面波也有天波传播3.4 各波段在电离层的传播特性 长波传播（30KHz300KHz）在大气波导内来回反射 长波传播特点：传播损耗小 场强有较明显的日变化 场强的季节变化不明显 传播情况稳定概念：所谓等离子体就是被激发电离的气体。达到一定的电离度，气概念：所谓等离子体就是被激发电离的气体。达到一定的电离度，气体处于导电状态，这种状态的电离气体就体处于导电状态，这种状态的电离

16、气体就表现出集体行为表现出集体行为，即电离气，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电电离气体内正负电荷数相等离气体内正负电荷数相等，称这种气体状态为，称这种气体状态为等离子体态等离子体态。由于它的。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为物质第四态物质第四态。3.5 3.5 等离子体介绍等离子体介绍宇宙中90物质处于等离子体态 天

17、然等离子体：以闪电、极光的形式。天然等离子体：以闪电、极光的形式。地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹、离子源、强流束、

18、飞行器鞘套与尾迹固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体等离子体 电离气体电离气体等离子体是高度电离的气体等离子体是高度电离的气体自由基粒子自由基粒子原子原子分子分子离解离解激发激发激发态分子激发态分子电子、离子电子、离子原子原子电离电离激发激发激发态原子激发态原子普普通通气气体体等等离离子子体体特点：特点：）粒子具有高能量，是极活泼的反应性物种；）粒子具有高能量，是极活泼的反应性物种；）化学反应在高激发态下进行的，具有特大活化能的体系；）化学反应在高激发态下进行的，具

19、有特大活化能的体系；）粒子群集体运动；）粒子群集体运动；）导电流体，宏观电中性）导电流体，宏观电中性（空间电荷抵消）（空间电荷抵消）带电粒子系，运动受到磁场的支配）带电粒子系，运动受到磁场的支配、等离子体的特点等离子体的特点?发生发生方法方法气体气体放电放电热电离热电离激波激波电离电离光电离光电离辐射辐射电离电离燃烧燃烧电离电离场致场致电离电离、如何得到等离子体如何得到等离子体?气体放电气体放电：是指在：是指在电场作用电场作用下气体被击穿而导电的物理现象，下气体被击穿而导电的物理现象，由此产生的等离子体叫作气体放电等离子体。由此产生的等离子体叫作气体放电等离子体。放电是使气体转变成等离子体的一

20、种常见形式放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体等离子体 电离气体电离气体 3.6 3.6 等离子体信息技术等离子体信息技术 等离子体天线技术等离子体天线技术 等离子体天线原理等离子体天线原理 等离子体电子对抗等离子体电子对抗 等离子体宽带技术等离子体宽带技术 等离子体隐身技术等离子体隐身技术 等离子体隐身原理等离子体隐身原理 等离子体隐身应用等离子体隐身应用等离子体天线原理等离子体天线原理 金属中存在自由电子金属中存在自由电子 金属表面产生电磁波金属表面产生电磁波 与表面电磁波的耦合：信号的发射和接与表面电磁波的耦合：信号的发射和接收收 等离子体由离子与自由电子组成等离子体由离子与

21、自由电子组成 等离子体表面电磁波等离子体表面电磁波 等离子体表面波发生装置：等离子体表面波发生装置：Surfatron 等离子体天线等离子体天线 等离子体电子对抗等离子体电子对抗 等离子体天线的隐身性能等离子体天线的隐身性能 无金属天线无金属天线 功率转换效率高：体积小，容易携带功率转换效率高：体积小，容易携带 等离子体天线的载波特性等离子体天线的载波特性 频率连续可调频率连续可调 频率切换时间短（微秒）频率切换时间短（微秒）等离子体天线的自身防护等离子体天线的自身防护 方向性好、主频率单色性好方向性好、主频率单色性好 无金属接收部分，与无金属接收部分，与“后方后方”完全绝缘完全绝缘等离子体宽

22、带技术等离子体宽带技术 等离子体的宽带特性等离子体的宽带特性 主载频的连续可调（特征时间：微秒）主载频的连续可调（特征时间：微秒）等离子体运动模式多样性：自身宽带特性等离子体运动模式多样性：自身宽带特性 等离子体参数变化容易控制：频率可直接控制，省去等离子体参数变化容易控制：频率可直接控制，省去“后方后方”庞大电子线路庞大电子线路 等离子体等离子体3G技术技术 宽带特性宽带特性 宽波束特性宽波束特性等离子体隐身原理等离子体隐身原理 等离子体中存在各种频率的运动模式等离子体中存在各种频率的运动模式 高频电磁波与电子运动模式耦合将能量高频电磁波与电子运动模式耦合将能量传给等离子体传给等离子体 高速

23、运动的电子与中性粒子碰撞将运动高速运动的电子与中性粒子碰撞将运动能量转换为热能量转换为热 等离子体的电磁波吸收等离子体的电磁波吸收 等离子体隐身应用等离子体隐身应用 飞行器的等离子体隐身（雷达波段：飞行器的等离子体隐身（雷达波段：GHz）作战飞机的战场隐身：防预警作战飞机的战场隐身：防预警 导弹发射阶段的隐身：突破导弹发射阶段的隐身：突破TMD 地面与水面目标的等离子体隐身：防地面与水面目标的等离子体隐身：防精确打击精确打击3.7 等离子体航天技术 航天飞行器的空间环境航天飞行器的空间环境 地球空间环境与空间天气地球空间环境与空间天气 航天飞行器的空间环境航天飞行器的空间环境 航天器的等离子体

24、推进航天器的等离子体推进 等离子体推进介绍等离子体推进介绍 等离子体推进器（等离子体推进器（Plasma thrusters）航天飞行器的空间环境航天飞行器的空间环境 航天飞行器的等离子体环境航天飞行器的等离子体环境 表面充电（太阳能电池板的充电对探测一号的影响）表面充电（太阳能电池板的充电对探测一号的影响）鞘层、屏蔽、尾流效应等对卫星通信和控制的影响（鞘层、屏蔽、尾流效应等对卫星通信和控制的影响（GALELIO号号的尾流影响）的尾流影响）航天飞行器的能量辐照环境航天飞行器的能量辐照环境 热环境的影响热环境的影响 高能量粒子的轰击高能量粒子的轰击 中子辐照中子辐照有效载荷的电磁环境有效载荷的电

25、磁环境 有效载荷与卫星的整体电磁相容性有效载荷与卫星的整体电磁相容性 表面电荷存在对仪器读数的影响表面电荷存在对仪器读数的影响 表面鞘层的影响表面鞘层的影响 尾流对输出的影响尾流对输出的影响 感生磁场的影响感生磁场的影响空间风暴对卫星的影响空间风暴对卫星的影响 控制系统甚至卫星本身遭到损坏控制系统甚至卫星本身遭到损坏 探测二号的姿控计算机（四个）全部打坏探测二号的姿控计算机（四个）全部打坏 因为强电磁干扰而导致仪器失灵因为强电磁干扰而导致仪器失灵 空间风暴导致卫星通信完全中断空间风暴导致卫星通信完全中断 空间风暴对辐射带的填充直接影响间谍卫星空间风暴对辐射带的填充直接影响间谍卫星工作工作航天飞

26、行器的防护航天飞行器的防护 根据空间天气预报预防根据空间天气预报预防 改变轨道改变轨道“躲避躲避”空间风暴空间风暴 因为空间风暴而引起轨道改变因为空间风暴而引起轨道改变 需要小功率定位推进器需要小功率定位推进器 对航天飞行器直接进行防护对航天飞行器直接进行防护 需要数值与地面物理模拟需要数值与地面物理模拟 材料的表面改性材料的表面改性航天飞行器空间环境的航天飞行器空间环境的数值与地面物理模拟数值与地面物理模拟 根据空间天气预报预防根据空间天气预报预防 改变轨道改变轨道“躲避躲避”空间风暴空间风暴 因为空间风暴而引起轨道改变因为空间风暴而引起轨道改变 需要小功率定位推进器需要小功率定位推进器 对

27、航天飞行器直接进行防护对航天飞行器直接进行防护 需要数值与地面物理模拟需要数值与地面物理模拟 材料的表面改性材料的表面改性航天飞行器的轨道推进航天飞行器的轨道推进 先进化学推进器先进化学推进器 combined-cycle,pulsed-detonation engine,NASA航天飞行器的轨道推进航天飞行器的轨道推进 先进等离子体推进器先进等离子体推进器适用于深空探测的大功率、高比冲等离适用于深空探测的大功率、高比冲等离子体推进器子体推进器航天器的等离子体推进航天器的等离子体推进 功率变化范围广功率变化范围广 几十到几千瓦几十到几千瓦 高效率、高比冲高效率、高比冲 效率超过效率超过65%，

28、比冲，比冲1000-5000秒秒 长寿命长寿命 可以工作上万小时，相当与可以工作上万小时，相当与10年的卫星寿命，年的卫星寿命，东方红四号卫星平台的首选推进方式东方红四号卫星平台的首选推进方式等离子体推进器等离子体推进器 稳态等离子体推进器稳态等离子体推进器 SPT Hall thrusters(1600-5000 s)脉冲等离子体推进器脉冲等离子体推进器 PPT 电弧等离子体推进器电弧等离子体推进器 Arcjets(3000 s)微米推进器微米推进器 MEMS Thrusters总结总结 等离子体科学具有广泛的应用前景 从宇宙天体、外层空间、到聚变能源、纳米光学都需要等离子体理论 等离子体科学是一个很好的交叉学科的结合点