電離層中Ba和SF6復(fù)雜釋放的電波傳播效應(yīng)研究

馮杰 趙海生,2 許正文 吳健 徐彬

(1.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;2.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071)

?

電離層中Ba和SF6復(fù)雜釋放的電波傳播效應(yīng)研究

馮杰1趙海生1,2許正文1吳健1徐彬1

(1.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;2.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071)

單一點源方式的化學(xué)物質(zhì)釋放,一般僅能形成較簡單的電離層擾動結(jié)構(gòu),對電磁波的影響頻段和影響程度都較為局限,難以對甚高頻(Very High Frequency,VHF)以上頻段的無線電波產(chǎn)生顯著影響. 文章提出了一種Ba和SF6兩種不同性質(zhì)物質(zhì)組合的復(fù)雜釋放方法,并利用水平分層介質(zhì)傳播理論,分別以150、400、1 000 MHz三個典型頻率為代表,估算了VHF、超高頻(Ultrahigh Frequency,UHF)和L頻段常用衛(wèi)星電波信號穿越擾動區(qū)后幅度和相位的閃爍情況. 仿真結(jié)果表明,復(fù)雜釋放方法產(chǎn)生的電離層擾動結(jié)構(gòu)能夠?qū)HF以上波段信號傳播產(chǎn)生顯著影響,且信號所受影響隨著頻率的提高而變?nèi)?

電離層;化學(xué)物質(zhì)釋放;傳播效應(yīng);甚高頻;超高頻

DOI 10.13443/j.cjors.2015081902

引 言

為了深入研究電離層等離子體的復(fù)雜物理過程,空間物理主動試驗是一種極為有效的方法.而在電離層中釋放化學(xué)物質(zhì)的空間物理主動試驗是實現(xiàn)電離層人工變態(tài)的有效手段之一,自20世紀60年代以來,國外開展了大量電離層人工變態(tài)的理論和試驗研究[1-6],國內(nèi)也開展了理論研究和少量實驗[7-9]. 總的來說,釋放物種類包括電子密度增強型和耗空型兩類：前者能夠致使電離層電子密度增加,形成強等離子體云;后者能夠致使電子密度減小,形成電離層空洞[10-13]. 單一的點源釋放方式,僅能形成一定時空結(jié)構(gòu)的較為簡單的電離層洞及大尺度擾動,不足以對甚高頻(Very High Frequency,VHF)以上波段的電波信號產(chǎn)生閃爍等嚴重影響[14],在利用衛(wèi)星信號進行擾動形態(tài)的觀測研究方面欠缺. 而目前在軌的大量衛(wèi)星導(dǎo)航和通信信號源,為空間物理主動試驗的觀測研究提供了大量可利用的信號源,如果能夠有效利用則很有價值. 單一點源釋放難以產(chǎn)生復(fù)雜的擾動結(jié)構(gòu),故不利于研究中小尺度不規(guī)則體生成演化和VHF以上頻段的電離層閃爍機制. 通過改變釋放方式和釋放物種類,有望產(chǎn)生多尺度電離層不均勻體,進而利用穿過其間的多頻段衛(wèi)星信號對電離層閃爍的產(chǎn)生機理和演化形態(tài)進行細致的觀測研究,對于加深電離層閃爍的物理過程認識具有重要意義.

本文深入研究了釋放方式對電離層的擾動效果,提出一種增強型Ba和耗空型SF6兩種釋放物組合的復(fù)雜釋放方法,該方法能夠產(chǎn)生多尺度的電離層不均勻結(jié)構(gòu),從而對VHF以上頻率的電波信號產(chǎn)生閃爍等顯著影響. 建立了復(fù)雜釋放方法的電離層變態(tài)模型和傳播效應(yīng)模型,并利用水平分層介質(zhì)傳播理論,分別計算了VHF、UHF和L頻段的三個典型頻率150、400、1 000 MHz的電波信號穿越變態(tài)區(qū)后幅度和相位的閃爍情況.

1 模型的建立

火箭搭載的空間物理主動試驗,通過火箭攜帶多個釋放裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類釋放物在不同高度上的多次釋放. 設(shè)從150 km高度開始每隔20 km釋放2.8 kg Ba,一直釋放到330 km高度;從160 km高度開始每隔20 km釋放2 kg SF6,一直釋放到340 km高度. 由釋放物在電離層中的動力學(xué)過程和化學(xué)反應(yīng)過程[15-19]可知,該方法能夠形成增強區(qū)和耗盡區(qū)交錯出現(xiàn)的總體形態(tài)類似“糖葫蘆”的電離層擾動結(jié)構(gòu).

釋放物在電離層中的擴散主要取決于釋放物釋放后的初始密度梯度;但是不同釋放物的擴散速度又有所不同,分子量越小、溫度越高的釋放物擴散速度越快. 因此,釋放后Ba和SF6的密度分布,均采用密度分布公式(1)[20]計算,但Ba和SF6采用的擴散速度不同.

(1)

式中: ng(z)為釋放物密度分布; N為釋放物分子數(shù); Dg為釋放物擴散速度; z為計算點到釋放點的距離.

Ba釋放后主要發(fā)生光致電離,如式(2)[13]所示,SF6與電離層等離子體的自由電子發(fā)生親和過程,如式(3)[21]所示:

Ba+hv→Ba++e-;

(2)

(3)

在模型建立過程中,各個主要參數(shù)的取值(或取值來源)如表1所示.

表1 關(guān)鍵參數(shù)取值

電磁波在隨機復(fù)雜介質(zhì)中的傳播精確計算是非常復(fù)雜的,如果能將復(fù)雜介質(zhì)的波傳播問題簡化為水平分層介質(zhì)的波傳播問題將大大簡化計算過程,獲得較為精確的解析解. 水平分層近似成立的條件是,與穿越介質(zhì)的電波波長相比介質(zhì)的曲率可以忽略.本文的計算場景中,衛(wèi)星信標信號源位于1 000 km高度,信號頻率分別為150、400、1 000 MHz,對應(yīng)的波長分別為2、0.75、0.3 m;在150～330 km高度范圍內(nèi),釋放2.8 kg Ba產(chǎn)生的電離云形態(tài)近似球體,釋放后10 s擾動尺度大于5 km;在160～340 km高度范圍內(nèi),釋放2 kg SF6產(chǎn)生的電離層擾動形態(tài)近似球體,釋放后10 s擾動尺度大于10 km[12].顯然,每次釋放形成的電離層擾動尺度均遠遠大于穿越其中的衛(wèi)星信標信號波長. 因此,針對本文的計算場景,采用水平分層介質(zhì)波傳播理論近似求解是合理的.

2 傳播效應(yīng)的理論分析模型

電磁波傳播過程中,在分層介質(zhì)邊界處的反射和透射現(xiàn)象屬于邊值問題,由波動的基本物理量在邊界面的邊界條件確定.

設(shè)平面波入射到分層各向同性介質(zhì)(如圖1),第n+1區(qū)域為半無限,記為區(qū)域t,即t=n+1. 區(qū)域的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε、μ. 平面波自區(qū)域0入射,且入射平面為x-z面. 所有場矢量只是x和z的函數(shù),與y無關(guān). 由于?/?y=0,電磁場可分解為TE和TM波,且二者之間具有對偶性(在此只考慮TE波,TM波可用對偶原理得到).

圖1 分層介質(zhì)

設(shè)入射波為Ey=E0exp(-ikzz+ikxx),區(qū)域中的總場可寫為

(4)

式中,

(5)

為色散關(guān)系.根據(jù)相位匹配條件,各層中k的x分量相同,都記為kx.

(6)

式中,

(7)

總共有n+1個界面共給出2n+2個方程. 其中,在區(qū)域0,有

(8)

(9)

將式(6)的兩式分別相加和相減可得A和B的表達式,進而可得二者之比為[22]

(10)

式中,

(11)

(12)

將式(12)代入式(10)可以遞推出所有界面的反射系數(shù). 根據(jù)反射透射關(guān)系能夠計算出所有界面的透射系數(shù).

平面波穿過電離層分層介質(zhì)后場強的總表達式為

Bt=TallE0=T0×T1×T2×…×Tn·E0.

(13)

將上面求得的各層透射系數(shù)帶入式(13),可得信標信號穿過擾動區(qū)后的幅度和相位值.

3 傳播效應(yīng)仿真計算

根據(jù)以上理論分析,我們分別對150、400、1 000 MHz三個頻段的衛(wèi)星信標信號傳播效應(yīng)進行了理論計算. 首先分別計算了不同頻率信號在各個分界面的透射系數(shù),然后仿真了信號穿過擾動區(qū)后信號幅度和相位的閃爍情況. 計算的時間范圍為釋放后5～600 s,幅度[23]和相位閃爍指數(shù)的計算方法如式(14)和(15)所示:

(14)

φ2=〈φ2〉-〈φ〉2.

(15)

3.1 150 MHz信號傳播效應(yīng)

圖2給出了釋放后第100 s,150 MHz的衛(wèi)星信號在各個界面上的透射系數(shù). 圖3、4分別給出了該信號穿過擾動區(qū)后信號幅度和相位隨時間的起伏情況. 圖5給出了該信號幅度、相位隨時間的閃爍指數(shù),信號的采樣周期為1 s,每30 s得到一個幅度和相位閃爍指數(shù).

圖2 150 MHz衛(wèi)星信號在不同高度的透射系數(shù)

圖3 150 MHz衛(wèi)星信號幅度隨時間的變化

3.2 400 MHz信號傳播效應(yīng)

圖6給出了釋放后第100 s,400 MHz的衛(wèi)星信號在各個界面上的透射系數(shù). 圖7、8分別仿真了該信號穿過擾動區(qū)后信號幅度和相位隨時間的起伏情況. 圖9給出了該信號幅度、相位隨時間的閃爍指數(shù).

圖4 150 MHz衛(wèi)星信號相位隨時間的變化

圖5 150 MHz衛(wèi)星信號幅度、相位隨時間的閃爍指數(shù)

圖6 400 MHz衛(wèi)星在不同高度的透射系數(shù)

圖7 400 MHz衛(wèi)星信號幅度隨時間的變化

圖8 400 MHz衛(wèi)星信號相位隨時間的變化

圖9 400 MHz衛(wèi)星信號幅度、相位隨時間的閃爍指數(shù)

3.3 1 000 MHz信號傳播效應(yīng)

圖10給出了釋放后第100 s,1 000 MHz的衛(wèi)星信號在各個界面上的透射系數(shù). 圖11、12分別仿真了該信號穿過擾動區(qū)后信號幅度和相位隨時間的起伏情況. 圖13給出了該信號幅度、相位隨時間的閃爍指數(shù).

從計算結(jié)果可見,信號幅度和相位閃爍指數(shù)變化規(guī)律基本一致.隨入射頻率和釋放時間的增加電離層擾動結(jié)構(gòu)對電波信號的影響越來越小.電離層是色散介質(zhì),通過影響電波信號的介電系數(shù),影響電波的傳播過程.在電離層中,頻率高的信號介電系數(shù)大于頻率低的信號,所受電離層影響也小,因此本文計算結(jié)果與電離層的色散性質(zhì)相符.

圖10 1 000 MHz衛(wèi)星在不同高度的透射系數(shù)

圖11 1 000 MHz衛(wèi)星信號幅度隨時間的變化

圖12 1 000 MHz衛(wèi)星信號相位隨時間的變化

圖13 1 000 MHz衛(wèi)星信號幅度、相位隨時間的閃爍指數(shù)

4 結(jié) 論

增強型和耗空型釋放物組合復(fù)雜釋放,使電離層電子密度或增加或減少,形成了區(qū)域電離層的復(fù)雜擾動結(jié)構(gòu). 每次釋放形成的擾動區(qū)都在隨時間和空間演化,整個釋放區(qū)也隨時間和空間快速演化,形態(tài)上等效于一個時空隨機變化的局部擾動區(qū)域,從而導(dǎo)致穿過其中的衛(wèi)星信號閃爍.

本文仿真結(jié)果表明,組合復(fù)雜釋放產(chǎn)生的多尺度電離層擾動結(jié)構(gòu)能夠?qū)HF以上頻段衛(wèi)星信號傳播產(chǎn)生顯著影響,但所受影響的大小與信號頻率有關(guān),頻率越高受到的影響越小. 這為我們利用空間物理主動試驗觀測研究衛(wèi)星信號電離層閃爍的形態(tài)和頻率特性提供了有效途徑.

[1] HUNTON D E, WOLF P J, SHADID T M. Ionization mechanisms in CRRES chemical releases in-situ mea-surements and model results[J]. Journal of geophysical research, 1998, 103: 457-470.

[2] BERNHARDT P A, HUBA J D, PONGRATZ M B, et al. Plasma irregularities caused by cycloid bunching of the CRRES G-2 barium release[J]. Journal of geophysical research, 1993, 98: 1613-1627.

[3] MENDILLO M S, SMITH A, COSTER P, et al. Man-made space weather[J]. Space weather, 2008, 6: S09001.DOI:10.1029/2008SW000406.

[4] MENDILLO M S, HAWKINS G S, KLOBUCHAR J A. A large-scale hole in ionosphere caused by the launch of Skylab[J]. Science, new series,1975, 187: 343-346.

[5] KLOBUCHAR J A, ABDU M A. Equatorial ionospheric irregularities produced by the Brazilian ionospheric modification experiment(BIME)[J]. Journal of geophysical research, 1989, 94: 2721-2726.

[6] MITCHELL H G, FEDDER J A, HUBA J D, et al. Transverse motion of high-speed barium clouds in the ionosphere [J]. Journal of geophysical research, 1985, 90: 11091.

[7] 李清亮, 楊巨濤, 閆玉波, 等. 中低緯調(diào)制高頻加熱電離層ELF/VLF輻射模擬[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2008, 23(5): 883-887.

LI Q L, YANG J T, YAN Y B, et al. ELF/VLF waves radiated by modulated HF heating ionospheric in mid-latitude and equatorial regions[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(5): 883-887. (in Chinese)

[8] 郝書吉, 李清亮, 楊巨濤, 等.電離層預(yù)加熱幅度調(diào)制模式的理論與模擬[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2013, 28 (2): 231-236.

HAO S J, LI Q L, YANG J T, et al. Theory and simulation of ionospheric pre-heating amplitude modulated heating mode[J]. Chinese journal of radio science, 2013, 28 (2):231-236. (in Chinese)

[9] 王勁東, 李磊, 陶然, 等. 電離層等離子體主動釋放實驗研究[J]. 空間科學(xué)學(xué)報, 2014, 34(6): 837-842.

WANG J D, LI L, TAO R, et al. Research on Active plamas release experiment in ionosphere[J]. Space science, 2014, 34(6): 837-842. (in Chinese)

[10] MENDILLO M S, FORBES J M. Artificially created holes in the ionosphere[J]. Journal of geophysical research, 1978, 83:151-162.

[11]BERNHARDT P A. A critical comparison of ionospheric depletion chemicals[J]. Journal of geophysical research, 1987, 92: 4617-4628.

[12]胡耀垓, 趙正予, 張援農(nóng). 幾種典型化學(xué)物質(zhì)的電離層釋放效應(yīng)研究[J]. 物理學(xué)報, 2010, 59(11): 8293-8302.

HU Y G, ZHAO Z Y, ZHANG Y N. Disturbance effects of some representative chemical releases in ionosphere[J]. Acta physica sinica, 2010, 59(11): 8293-8302. (in Chinese)

[13]胡耀垓, 趙正予, 張援農(nóng). 電離層鋇云釋放早期動力學(xué)行為的數(shù)值模擬[J]. 物理學(xué)報,2012, 61(8): 089401.

HU Y G, ZHAO Z Y, ZHANG Y N. Numerical simulation on the early dynamic of barium clouds released in the ionosphere[J]. Acta physica sinica, 2012, 61(8): 089401. (in Chinese)

[14]HU Y G, ZHAO Z Y, ZHANG Y N. Ionospheric disturbances produced by chemical releases and the resultant effects on short-wave ionospheric propagation[J]. Journal of geophysical research, 2011, 116, (A7): 395-402. DOI: 10.1029/2011JA0 16438.

[15]BERNHARDT P A. High-altitude gas release: transition from collisionless flow to diffusive flow in a nonuniform atmosphere[J]. Journal of geophysical research,1979, 84(A8): 4341-4354.

[16]GATSONIS N A, HASTINGS D E. A three-dimensional model and initial time numerical simulation for an artificial plasma cloud in the ionosphere[J]. Journal of geophysical research,1991, 96(A5): 7623-7639.

[17]SCHUUNK R W, SZUSZCZEWICZ E P. Plasma expansion characteristics of ionized clouds in the ionosphere: macroscopic formulation[J]. Journal of geophysical research,1991, 96(A2): 1337-1349.

[18]DOLES J H, ZABUSKY N J, PERKINS F W. Deformation and striation of plasma clouds in the ionosphere, 3, Numerical simulations of multilevel model with recombination chemistry[J]. Journal of geophysical research,1976, 81(34): 5987.

[19]LLOYD K H, HAERENDEL G. Numerical modeling of the drift and deformation of ionospheric plasma clouds and of their interaction with other layers of the ionosphere[J]. Journal of geophysical research,1973, 78(31): 7389.

[20]ANDERSON D N, BERNHARDT P A. Modeling the effects of an Hgas release on the equatorial ionosphere [J]. Journal of geophysical research,1978, 83(A10): 4777-4790.

[21]BERNHARDT P A. Chemistry and dynamics of SF6injections into the F region[J]. Journal of geophysical research, 1984, 89(A6): 3929-3937.

[22]葛德彪.電磁波理論[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.

GE D B. Electromagnetic wave theory[M]. Xi’an: Xidian University Press, 2003. (in Chinese)

[23]YEH K C, LIU C H. Radio wave scintillations in the ionosphere[J]. Proceedings of the IEEE, 1982, 70: 324-360.

馮杰 (1990-),女,陜西人,中國電波傳播研究所在讀碩士研究生,專業(yè)為無線電物理.

趙海生 (1981-),男,河南人,工程師,2010年碩士畢業(yè)于中國電波傳播研究所,留所工作至今,現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)在讀博士研究生,主要從事電離層電波傳播、電離層物理的研究工作.

許正文 (1971-),男,安徽人,研究員，博士,主要從事電離層電波傳播理論與應(yīng)用、電離層物理等方面的研究工作.

吳健 (1962-),男,安徽人,研究員,博士生導(dǎo)師,中國電波傳播研究所所長,主要研究方向為電波在特殊環(huán)境中的傳播與散射、電離層物理和探測技術(shù)等.

徐彬 (1982-),男,遼寧人,高級工程師,博士,主要研究方向為非相干散射雷達、極區(qū)夏季中層回波等.

Effects of Ba and SF6combined releases in the ionosphere on radio wave propagation

FENG Jie1ZHAO Haisheng1,2XU Zhengwen1WU Jian1XU Bin1

(1.National Key Laboratory of Electromagnetic Environment, China Research Institute of RadiowavePropagation,Qingdao266107,China; 2.Schoolofphysicsandoptoelectronicengineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

The chemical release experiment by a single point-source can trigger simple ionospheric perturbations, which have an effect on signals of limited frequency and are difficult to influence signals above VHF. Based on complex releases using the combination of Ba and SF6, a new release approach is presented. The amplitude scintillations and the phase scintillations of VHF, UHF, L bands which are represented by 150 MHz, 400 MHz and 1 000 MHz signals respectively are calculated with the theory of horizontal stratification when they propagate through the disturbed area. The results show that multi-scales ionospheric disturbance effects induced by this method can influence radio-wave signals above VHF dramatically and the effects decrease with the increasing frequency.

ionosphere; chemical release; radio propagation effect; very high frequency; ultra high frequency

10.13443/j.cjors.2015081902

2015-08-19

國家自然科學(xué)基金(41104108，41104102)

TN011

A

1005-0388(2016)03-0585-07

陳明生 (1981-),男,安徽人,合肥師范學(xué)院教務(wù)處處長,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為電磁場積分方程快速計算理論、小波信號處理、稀疏微波成像等.

馮杰, 趙海生, 許正文, 等. 電離層中Ba和SF6復(fù)雜釋放的電波傳播效應(yīng)研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(3):585-591.

FENG J, ZHAO H S, XU Z W, et al. Effects of Ba and SF6combined releases in the ionosphere on radio wave propagation [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):585-591. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015081902

聯(lián)系人： 馮杰 E-mail：jiefengkai@126.com