VLF电磁波在地-电离层波导中的传输特性研究

摘要

甚低频（VLF）电磁波是地球-电离层波导中传播的电磁波，其传播衰减小，穿透性强，在远距离通信、全球雷电分布和空间天气事件监测等方面被广泛应用。VLF电磁波受电离层参数变化的影响，传播特性呈现出日变化、季节变化等变化。为了系统研究 VLF电磁波在波导中的传播特性随电离层参数的变化，以及电磁波在电离层各向异性介质中的传播属性，论文建立了VLF在波导中基于FDTD（Finite Difference Time Domain Method）的传播模型，并进行了一系列仿真分析。
　　首先建立VLF电磁波在地-电离层波导中的传输模型，引入电离层电导率模型，推导了VLF电磁波在各向异性介质中的电流密度方程和麦克斯韦方程的迭代式。论文针对H-J法和E-J法进行了仿真比对，仿真结果表明H-J法简单，但仿真时间长；E-J法复杂，占内存多，但仿真时间短，更适用于实际仿真应用。
　　其次，论文针对冬季/夏季，白天/夜间等不同类型电导率模型分析了VLF电磁波的日变化和季节变化以及频率特性。仿真结果表明白天时，冬季电场强度略低于夏季电场强度，曲线相比于夏季更为平缓；夜间夏季和冬季的电离层参数相同。白天电场强度明显低于夜间，说明电离层参数对电磁波的传输特性产生明显影响，这与D层电离层在夜间消失相一致。在不同的距离，直达波与波跳干涉效应引起的信号衰减不同，电离层高度的变化引起场强度曲线极小值（波节点）和极大值（波腹点）距源点的距离发生了明显变化。不同频率的电磁波干涉效应不同，5kHz电磁波随距离传播过程中干涉效应不明显，强度随距离变化曲线较为平缓。晨昏线位置对场强影响较大。
　　另外，论文针对VLF电磁波极化特性、强度特性等参数特性随高度的变化进行了分析。仿真结果表明，在80-110km高度上，垂直和水平电场强度随高度出现快速衰减，随后小幅减小。曲线中两个峰值间距离大约等于信号波长。随着高度增加，电场的极化平面出现旋转，和电磁波在磁化各向异性介质中的传输特性相吻合。在不同高度的极化平面上，极化椭圆的轴比随高度逐渐增大，信号由线极化波变为椭圆极化波，进入D层后轴比减小，说明电离层各向异性引起电磁波极化特性改变，这与传播过程中水平Φ方向电场的产生相一致。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 VLF仿真模型的发展现状

1.2.2 VLF的观测和应用发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 VLF传输模型

2.1 电离层介质

2.1.1 电离层的特性

2.1.2 电离层的分层结构

2.1.3 电离层中电磁波的传输

2.2 建立VLF的二维FDTD传输模型

2.2.1 仿真模型

2.2.2不同的差分方法

2.2.3 FDTD迭代方程推导

2.3 H-J和E-J法对比

2.3.1 迭代方程对比

2.3.2 仿真结果对比

2.4 本章小结

第3章 VLF在地-电离层波导中横向传输特性

3.1 模型仿真参数

3.1.1 低电离层参数

3.1.2 信号模型

3.1.3信号源的添加方式

3.2 单频带信号的传输特性

3.2.1 不同季节传输特性

3.2.2 不同频率传输特性

3.2.3 晨昏线效应

3.3 宽频带信号的传输特性

3.3.1 宽频带信号源

3.3.2 宽频带信号仿真结果

3.4 本章小结

第4章 VLF在地-电离层波导中纵向传输特性

4.1 电离层参数

4.1.1 IRI参数模型

4.1.2 电离层参数曲线

4.2 VLF的竖直传输特性

4.2.1 电场的幅度特性

4.2.2 能量衰减特性

4.3 VLF随高度的极化特性

4.3.1 电磁波的极化

4.3.2极化面的传输特性

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢