電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射研究

馬廣林 閆玉波 楊巨濤 呂立斌

(中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室,青島 266107)

電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射研究

馬廣林 閆玉波 楊巨濤 呂立斌

(中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,青島 266107)

研究了電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射效應(yīng). 利用受激布里淵散射匹配條件,結(jié)合國際地磁場參考模型,模擬計算了離子聲波(Ion Acoustic, IA)與靜電離子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron, EIC)頻率隨地理緯度、加熱頻率、波束指向、電子溫度等參數(shù)變化特性,并以我國海南與美國高頻主動極光研究項目(High Frequency Active Auroral Research Program,HAARP)為例,研究IA與EIC頻率隨緯度的變化．模擬結(jié)果表明:隨著緯度的增加,IA與EIC頻率增大; 與IA頻率相比,EIC頻率隨加熱頻率、波束指向及電子溫度的變化相對較小;隨加熱頻率的增加高緯地區(qū)IA頻率增大,而低緯地區(qū)基本不變;隨加熱波束指向從南到北變化,海南IA頻率單調(diào)下降,HAARP則為先上升后下降的形態(tài),EIC具有相反的變化;電子溫度越高,IA與EIC頻率越大. 本文模擬結(jié)果可為我國將來開展同類實驗提供參考.

電離層加熱;受激布里淵散射;離子聲波;靜電離子回旋波

引 言

受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)是指入射到介質(zhì)中的電磁波(稱為泵波)衰變?yōu)樯⑸涞碾姶挪ㄅc聲波．SBS最早由法國科學(xué)家布里淵提出,相關(guān)學(xué)者在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)此散射過程的觀測與研究．在激光核聚變中,SBS的激發(fā)會增強(qiáng)后向散射光,造成入射光能量吸收效率的下降[1];利用SBS相位共軛、慢光及濾波等特性,SBS在光纖通信方面具有較大的應(yīng)用前景[2];Fejer[3-4]理論預(yù)測并證實了大功率的非相干散射雷達(dá)可在電離層中激發(fā)SBS,并造成離子功率譜的非對稱性,引入額外的漂移運動速度反演誤差．

大功率高頻電波加熱電離層作為人工調(diào)控局部電離層的主要手段,自20世紀(jì)70年代以來,在實驗觀測與理論研究方面取得了重要進(jìn)展[5],并實現(xiàn)了SBS效應(yīng)的實驗觀測與研究．SBS散射過程與電離層加熱激發(fā)的最常見的朗繆爾參量不穩(wěn)定性相比具有明顯的差異性．首先,二者泵波轉(zhuǎn)化過程不同,雖然它們均為三波相互作用,但朗繆爾參量不穩(wěn)定性使高頻泵波衰變?yōu)楦哳l朗繆爾波與低頻離子聲波等兩種靜電波,離子聲波頻率一般在kHz量級,而SBS使高頻泵波轉(zhuǎn)化為散射的高頻電磁波與低頻靜電波,靜電波頻率在幾十Hz量級．其次,二者激發(fā)功率閾值存在差別,朗繆爾參量不穩(wěn)定性在小功率情況下即可激發(fā),而 SBS在輻射功率達(dá)百兆瓦量級時產(chǎn)生．再次,兩種過程發(fā)生高度存在差異,朗繆爾參量不穩(wěn)定性主要發(fā)生在高頻泵波的等離子體共振高度,而SBS發(fā)生在等離子體共振高度與上混雜共振高度．SBS激發(fā)的低頻靜電波,除了常規(guī)的離子聲波(Ion Acoustic,IA)外,在電離層磁化等離子體中還會激發(fā)另一種稱為靜電離子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron, EIC)的靜電波模．Cragin[6]認(rèn)為SBS中泵波與散射波電場共同作用于電子形成的有質(zhì)動力與熱壓力是人工擴(kuò)展F形成的主要原因,但未有直接的實驗觀測證據(jù)．最近,利用高緯地區(qū)歐洲非相干散射聯(lián)合會[7](Europe Incoherent SCAtter, EISCAT)與美國高頻主動極光研究項目[8](High Frequency Active Auroral Research Program,HAARP)的電離層加熱實驗裝置,實現(xiàn)了SBS效應(yīng)的直接觀測．Norin[9]在HAARP實驗中觀測到強(qiáng)度接近泵波反射信號的窄帶受激電磁輻射現(xiàn)象,首次實驗證實了電離層加熱可激發(fā)SBS．Bernhardt[10]利用電磁波的準(zhǔn)縱近似條件,結(jié)合測量的IA頻率計算了加熱區(qū)域電子溫度,并理論預(yù)測EIC的激發(fā)．Mahmoudian[11]通過HAARP泵波功率步進(jìn)實驗,獲得了激發(fā)SBS的最低有效輻射功率,其中IA的激發(fā)功率閾值約為140 MW,EIC的激發(fā)功率閾值約為800 MW．Fu[12]首次給出EISCAT加熱實驗中SBS觀測結(jié)果并與HAARP電子回旋諧波加熱時觀測結(jié)果進(jìn)行了比較,證實兩地SBS特性基本一致．Mishin[13]仿真研究了加熱激發(fā)強(qiáng)等離子體湍流效應(yīng),尋常電磁波在SBS作用下形成了強(qiáng)朗繆爾湍流．

研究電離層加熱SBS效應(yīng)對了解泵波在電離層中的波模轉(zhuǎn)化過程及加熱區(qū)域電離層狀態(tài)具有重要作用,如基于IA頻率估算加熱區(qū)域電子溫度,利用EIC頻率確定電離層特別是E層的離子成分[14]．目前,國外學(xué)者側(cè)重于高緯地區(qū)電離層加熱激發(fā)SBS的實驗觀測,而對SBS特性尚未進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究,且未開展中低緯電離層加熱激發(fā)SBS特性分析．本文基于SBS理論,利用數(shù)值模擬計算方法,對比研究高緯與低緯地區(qū)SBS激發(fā)的IA與EIC頻率隨加熱頻率、波束指向、電子溫度等參數(shù)的變化特性．模擬結(jié)果可為我國未來開展同類實驗觀測研究提供參考．

1 電離層加熱激發(fā)SBS理論

大功率高頻電波與等離子體的非線性相互作用會激發(fā)參量不穩(wěn)定性,在SBS不穩(wěn)定性作用下高頻泵波直接轉(zhuǎn)化為散射的電磁波與低頻靜電波．SBS主要發(fā)生在泵波的上混雜共振高度與等離子體共振高度,在電離層中尋常波可到達(dá)上述共振高度, 而異常波在共振高度之前發(fā)生反射[15],且目前尚未有異常波加熱激發(fā)SBS實驗報道,因此,本文主要研究在上混雜共振高度上尋常波加熱激發(fā)SBS情況,并假定泵波功率達(dá)到SBS激發(fā)閾值．

受激布里淵散射過程中的高頻泵波、散射電磁波與低頻靜電波三波頻率與波傳播方向可以由

(1)

所示的動量與能量守恒方程確定．式中:ω為波的角頻率;k是波矢量;下標(biāo)0代表泵波;下標(biāo)s代表散射的電磁波;下標(biāo)L代表低頻的靜電波．

低頻靜電波色散方程如

(2)

(3)

式中: +代表EIC;-代表IA波;θ是波傳播方向與地磁場夾角;Ωi為離子回旋角頻率;kL為低頻靜電波的波數(shù);cIA為離子聲速,其表達(dá)式如式(4)所示[16]:

(4)

式中:kB為玻恩斯坦常數(shù);mi為離子質(zhì)量;α是電子與離子溫度之比;Te為電子溫度．

在電離層中傳播的尋常波高頻泵波與散射電磁波色散關(guān)系如式(5)所示[10]:

(5)

式中:ωP是電離層等離子體頻率;Ωe為電子回旋角頻率．

SBS中低頻靜電波頻率一般為幾十Hz,而高頻泵波與散射電磁波的頻率均為MHz量級,散射電磁波頻率幾乎與高頻泵波頻率相等,故有k0=-ks,將其代入式(1),得到kL=2k0,利用此關(guān)系式,式(3)可改寫為

(6)

由式(5)與式(6)可進(jìn)行數(shù)值計算,獲得一組離子聲速情況下低頻離子聲波頻率隨電離層等離子體頻率變化曲線,此曲線即為SBS的匹配條件．

利用SBS匹配條件,結(jié)合實驗測量的IA頻率可用于估算加熱區(qū)域內(nèi)電子溫度．

在高緯地區(qū),高頻泵波在上混雜共振高度處滿足準(zhǔn)縱近似,式(5)可簡化為

(7)

另外,在此高度上,泵波頻率與等離子體頻率具有如下關(guān)系式:

(8)

將式(8)代入式(7)得到

(9)

結(jié)合式(4)與式(9),可得到滿足準(zhǔn)縱近似條件下IA頻率與電子溫度之間的解析表達(dá)式:

(10)

在低緯地區(qū),高頻泵波在上混雜共振高度處不滿足準(zhǔn)縱近似條件,無法獲得電子溫度與IA頻率的解析表達(dá)式．在利用IA頻率估算加熱區(qū)域電子溫度時,必須首先應(yīng)用SBS匹配條件的數(shù)值計算方法確定離子聲速,使測量的IA頻率與模擬計算的上混雜高度上的IA頻率一致,然后再利用式(4)得到加熱區(qū)域電子溫度．在不具備非相干散射雷達(dá)情況下,利用該方法獲得加熱區(qū)域的電子溫度對中低緯度電離層加熱模型的驗證和發(fā)展有重要意義．

2 SBS特性分析

由匹配條件計算公式(5)、(6)可以看出,SBS激發(fā)的低頻靜電波頻率主要受地磁場、加熱頻率、加熱波束與地磁場夾角、離子聲速等影響．下面分別從地理緯度、加熱頻率、波束指向、電子溫度等方面研究高緯與低緯SBS特性．

2.1 地理緯度

文獻(xiàn)[10]給出了加熱頻率為4.5MHz、尋常波垂直入射加熱,cIA=1 600 m/s時位于高緯的HAARP(62.39°N,145.15°W,地磁傾角75.5°)激發(fā)SBS的匹配條件．為便于比較,本文采用同樣的實驗參數(shù)模擬計算了位于低緯的我國海南(19°N,108°E,地磁傾角約25.6°)地區(qū)的匹配條件,并與文獻(xiàn)[10]進(jìn)行對比,模擬結(jié)果如圖1所示．其中,頻率負(fù)值代表下移SBS線,又稱為斯托克斯線,正值代表上移SBS線,又稱為逆斯托克斯線,在不考慮電離層運動情況下,上下移SBS線對稱．

從圖1可以看出：隨著頻率的增加IA與EIC頻率均降低; 在泵波頻率等于等離子共振頻率的位置,IA頻率接近于0,EIC頻率接近當(dāng)?shù)仉x子回旋頻率; 與高緯HAARP相比,海南IA頻率曲線更加陡峭,EIC頻率變化范圍更大,上混雜共振高度上的IA與EIC頻率均小于HAARP對應(yīng)數(shù)值．

圖1 海南與HAARP 匹配條件比較(cIA=1 600 m/s)

利用國際地磁場參考模型(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)輸出的地磁場強(qiáng)度與地磁傾角,模擬了尋常波加熱時上混雜共振高度處低頻靜電波頻率隨緯度的變化,其中,所選取的位置位于HAARP所在位置的經(jīng)線上,緯度范圍從10°～80°間隔2°,加熱波束垂直向上,頻率為4.5 MHz、cIA=1 600 m/s,模擬計算結(jié)果如圖2所示．其中HAARP所在緯度處的IA頻率約為25.7 Hz,EIC頻率約為50.1 Hz,文獻(xiàn)[11]給出HAARP實驗測量上混雜高度處IA頻率在26 Hz,EIC頻率在50 Hz附近,本文計算結(jié)果與HAARP實驗結(jié)果基本一致．從圖2可以看出, 隨緯度的增加IA與EIC

圖2 低頻靜電波頻率隨緯度的變化

頻率均隨之增大,IA頻率從3.6 Hz變化到27.5 Hz,增加近6倍,EIC頻率由30 Hz增加到51 Hz,增加約0.7倍．在圖2中低頻靜電波頻率隨緯度呈單調(diào)增加形態(tài),因此,在后續(xù)的模擬中,以海南與HAARP為例模擬計算SBS特性及低緯與高緯差異．

2.2 加熱頻率

圖3為加熱頻率在4～10 MHz垂直加熱時海南與HAARP在上混雜共振高度上激發(fā)的低頻靜電波頻率,同樣,cIA設(shè)為1 600 m/s．

從圖3可以看出,隨著加熱頻率的增加低頻靜電波頻率增大,但低緯與高緯受影響程度不同．處于低緯地區(qū)的海南IA與EIC頻率受加熱頻率的影響較小,其數(shù)值變化小于1%,而HAARP受加熱頻率的影響較大,特別是IA頻率,其數(shù)值由24.05 Hz變化到34.88 Hz,增加近50%,EIC頻率從50.08 Hz變化到51.23 Hz,其變化約為2.2 %．

圖3 HAARP與海南低頻靜電波頻率隨加熱頻率變化

根據(jù)圖3模擬結(jié)果,其加熱頻率變化對海南IA與EIC頻率影響不大,因此,如在我國開展SBS激發(fā)實驗,在實驗設(shè)計中可綜合考慮加熱天線陣增益與加熱高度,選擇在加熱高度處能流密度較大的加熱頻率,以利于SBS的激發(fā)．

2.3 波束指向

在上述的計算中,均假定加熱波束垂直向上輻射,本小節(jié)模擬加熱波束傾斜對SBS的影響．圖4給出波束在磁子午面內(nèi)從偏南20°(以北為正)到偏北20°變化時HAARP與海南激發(fā)低頻靜電波頻率的變化．

圖4 HAARP與海南低頻靜電波頻率隨波束指向變化

從圖4可以看出,加熱波束指向?qū)A與EIC的影響不同,IA頻率隨波束指向變化范圍較大,而EIC變化范圍較小．高緯與低緯的變化趨勢存在差別,海南IA波頻率隨波束指向由10.97 Hz單調(diào)下降到1.09 Hz,下降約90%, EIC頻率基本不變; HAARP低頻靜電波呈拋物型變化,隨著波束指向增加, IA波頻率先增大,當(dāng)波束指向偏南14°即接近地磁場方向后逐漸減小,其數(shù)值由26.97 Hz增加到27.31 Hz,之后降低至18.07 Hz,而EIC變化趨勢與IA相反,其數(shù)值由原先的49.69 Hz先下降至49.59 Hz,之后上升至51.45 Hz．HAARP與海南變化趨勢出現(xiàn)差異的原因是兩地的地磁傾角不同,海南地磁傾角約為25.5°,加熱波束從偏南20°至偏北20°變化時,加熱波束與地磁場夾角單調(diào)增加,而HAARP的地磁傾角約為76°,從偏南20°至偏北20°時,加熱波與地磁場夾角為先減小后增大的變化趨勢．加熱波束沿地磁場方向時IA波頻率最大,EIC頻率最?。?/p>

在我國海南地區(qū)地磁傾角較小,很難實現(xiàn)沿地磁場方向加熱,根據(jù)IA與EIC增長率比值之間的關(guān)系[14],海南加熱波束與地磁場的夾角較大,更易激發(fā)EIC波模,因此,實驗可重點關(guān)注位于當(dāng)?shù)仉x子回旋頻率(～38 Hz)附近譜線測量結(jié)果．

2.4 電子溫度

根據(jù)式(4)離子聲速主要由電離層電子與離子溫度決定,為研究離子聲速對SBS影響,假定電子溫度從1 000 K變化到3 000 K,電子與離子溫度比α為3．在上述參數(shù)條件下,加熱波束垂直向上、頻率為4.5 MHz時,HAARP與海南模擬結(jié)果如圖5所示．

圖5 HAARP與海南低頻靜電波頻率隨電子溫度變化

根據(jù)圖5,隨著電子溫度的增加,HAARP與海南SBS激發(fā)的IA與EIC頻率均增大,但I(xiàn)A比EIC更明顯,HAARP的IA頻率隨電子溫度變化曲線的斜率要小于海南,因此,在應(yīng)用SBS估算電子溫度中,要獲得相同的電子溫度估算精度,則海南對頻率分辨率的要求高于HAARP．如在圖5中,假定要獲得100 K的電子溫度估算精度,HAARP對測量頻率分辨率要求為0.58 Hz,海南對頻率分辨率的要求則為0.12 Hz．

3 結(jié)論與討論

本文分析了電離層加熱激發(fā)SBS效應(yīng),給出了SBS匹配條件數(shù)值模擬方法,并結(jié)合IGRF模型研究了高緯與低緯電離層加熱中激發(fā)IA與EIC頻率受參數(shù)變化的影響．模擬結(jié)果表明:

1) 隨著緯度的增加,IA與EIC頻率越大,IA頻率增加更明顯,緯度從10°到80°,IA頻率增加近7倍,我國海南地區(qū)IA頻率小于10 Hz,EIC頻率約為40 Hz．

2) 隨著加熱頻率的增加低頻靜電波頻率增大,但低緯與高緯受影響程度不同．加熱頻率在4～10 MHz時,海南IA與EIC頻率增加不超過1%; HAARP的IA頻率增加接近50%,EIC頻率增加約2.2 %．我國中低緯度地區(qū)的IA和EIC頻率隨加熱頻率的變化較?。?/p>

3) 隨著加熱波束由南向北變化,IA頻率具有比EIC頻率更大的變化范圍,且高緯與低緯具有不同的變化形態(tài)．在加熱波束從南向20°到北向20°,海南IA頻率隨之單調(diào)下降近90%, HAARP的IA頻率呈現(xiàn)先上升后下降的變化,變化約30%; 海南與HAARP的EIC變化小于3%．我國中低緯地區(qū)EIC波模更易激發(fā)．

4) 電子溫度越高,IA與EIC頻率越大．在利用SBS估算電子溫度中,要得到相同的電子溫度估算精度,則要求海南SBS的頻率分辨率比HAARP高．

上述模擬結(jié)果可為未來我國開展電離層加熱激發(fā)SBS的實驗設(shè)計提供參考,如選擇能流密度較大的加熱頻率開展實驗、優(yōu)先選擇EIC波模作為觀測對象、提出估算加熱區(qū)域電子溫度對實驗測量設(shè)備的頻率分辨率要求等．下一步將研究電離層加熱激發(fā)SBS的門限條件、增長率及利用EIC頻率確定電離層特別是Es層離子種類等問題．

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馬廣林 (1984-),男,河南人,中國電波傳播研究所工程師,碩士,研究方向為電離層加熱理論仿真．

閆玉波 (1973-),男,山東人,中國電波傳播研究所研究員,博士,研究方向為計算電磁學(xué)、目標(biāo)散射特性等．

楊巨濤 (1982-),男,湖南人,中國電波傳播研究所高級工程師,在職博士,研究方向為電波傳播和電離層加熱理論仿真等．

呂立斌 (1982-),男,河南人,中國電波傳播研究所高級工程師,在職博士,研究方向為電離層加熱及其效應(yīng)等．

Stimulated Brillouin scattering in ionospheric modification

MA Guanglin YAN Yubo YANG Jutao Lü Libin

(KeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The stimulated Brillouin scattering (SBS) in ionospheric modification by high power HF radio waves is studied. Based on momentum and energy conservation equations and dispersion relations, the SBS matching conditions are given briefly. The variations of frequencies of ion acoustic (IA) and electrostatic ion cyclotron (EIC) stimulated by SBS are calculated with different parameters including altitudes, heating frequency, the direction of pumping wave and electron temperature at perturbed region. The different of IA and EIC frequency between low and high latitude are compared taking Hainan and HAARP as examples. The simulation results show that: the stimulated electrostatic low frequency increases as the latitude increases; the frequency of EIC changes less than IA with the variation of heating frequency, the direction of pumping wave and electron temperature at perturbed region; along with increased pump frequency, the IA frequency at high latitude increases, but at low latitude the IA frequency almost keep constant; as the direction of pump wave changes from south to north, the IA frequency in Hainan decreases, but in HAARP it increases until the geomagnetic direction, and the EIC frequency is reverse; the increased electron temperature will increase IA and EIC frequency. These results provide support for our future experiments.

ionospheric modification; stimulated Brillouin scattering; ion acoustic; electrostatic ion cyclotron

10.13443/j.cjors.2016121601

2016-12-16

中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金(A171601C01)

P352; TN011+.2

A

1005-0388(2016)06-1029-07

馬廣林, 閆玉波, 楊巨濤, 等.電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(6):1029-1035.

MA G L, YAN Y B, YANG J T, et al. Stimulated Brillouin scattering in ionospheric modification[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1029-1035.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016121601

聯(lián)系人： 馬廣林 E-mail:maguanglin409@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016121601