基于软件无线电的加热电离层中电波传播特性研究

摘要

由于电离层的存在会对在其中传输的无线电波产生影响，所以对无线电波在空间等离子体中传播问题的研究非常有意义。本文从欧姆加热理论和随机媒质中的波传播理论出发，对电波在人工空间等离子体中的传播特性开展了研究。本文主要工作如下：
　　第一、对电离层的结构特征作简要阐述，主要包括电离层的分层结构、形成机制，以及电离层中各种常见的变化和现象。给出描述各向异性等离子体介质中的 A-H色散关系公式和描述不规则体的功率谱函数Shkarofsky幂率谱，及基于Shkarofsky谱的二维横向相关函数的具体表达式。
　　第二、从大功率高频电波加热电离层的欧姆加热模型出发，应用交替方向隐式方法，对电子在电场作用下碰撞加热过程的动量方程和能量方程进行数值离散。结合国际电离层参考模型和中性大气模型，运用计算机模拟分析不同加热功率、加热频率和加热时间对电离层加热效果的影响。根据仿真结果可以得到，高功率高频电磁波一般在高电离层反射，反射处附近的电子会在电场的作用下碰撞加热，越接近反射点的电子温度增加越多，即有一个以反射高度为中心的同心圆。而电子密度分别在反射高度上下有一个极大值点和极小值点。此外，随着加热功率和加热时间的增加，电离层的加热效果会趋于饱和；而加热频率的增加，加热效果有先增加后减小的趋势。
　　第三、从非均匀介质中的电磁波传播理论出发，将具有四阶精度的龙格库塔法应用于球坐标系下的Haselgrove方程中，通过数值仿真的方式模拟电磁波在空间等离子体中的传播轨迹，并分析电离层的加热效应对电磁波在电离层中传播轨迹的影响。一般而言，发射仰角越大，发射频率越高，电磁波在电离层的发射高度就越高，但电磁波的穿透性也会随之增加，甚至穿透电离层。而电离层的加热现象会使得短波的传播轨迹发生或高或低的偏折，甚至在某些特定的发射频率和发射仰角，电波会在电离层中多次反射。
　　第四、将电离层的电子密度分解成常规电离层和电子密度不均匀体，其中不均匀体包括高斯分布的随机起伏和加热过程中的电子密度变化梯度。根据高频电磁波与电离层相互作用引起的多普勒频移公式，对不同因素对多普勒效应的影响进行数值仿真分析。根据仿真结果可以得到，多普勒效应主要由电离层的运动和电子密度的不均匀性产生。而电离层加热过程中的电子密度变化会加重多普勒频移现象。
　　第五、从多重散射理论下的高阶对称矩方程出发，给出一般强度起伏情况下一般解析解，包括完全饱和情况下的高斯解与非高斯修正项。结合平面波入射下二阶矩和四阶矩的具体表达式，对电离层闪烁指数、双频双点相关函数以及横向相关函数等进行仿真分析，得到相关函数和强起伏下的电离层闪烁与电波频率、谱指数、内外尺度和电子密度均方起伏等参数的变化关系。一般而言，闪烁指数和相关函数与谱指数和电子密度起伏等参数均呈正相关的关系。但是无论强起伏还是弱起伏情况，高频的闪烁指数总是小于低频的闪烁指数。此外，在闪烁较弱时，可以用高斯谱代替Shkarofsky谱进行简化运算。
　　第六、对软件无线电的理论基础进行简要阐述，包括信号采样定理、多速率信号处理和数字混频正交变化。介绍由GNU Radio和USRP构成的开源软件无线电系统，并基于该系统模拟电磁波信号（包括ASK信号和DPSK信号）在无线信道中的传播特征，分析加热电离层的存在对电磁波信号传输质量的影响。

目录

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插图索引

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景和研究意义

1.2国内外研究现状的概况

1.3论文的研究内容以及主要贡献

第二章 电离层模型基础理论

2.1电离层结构简介

2.2空间等离子体随机介质特性

2.3欧姆加热理论

2.4非均匀介质中电磁波传播的计算方法

2.5本章小结

第三章 加热电离层中短波传播特性

3.1加热电离层的仿真分析

3.2短波在加热电离层中的传播轨迹的仿真分析

3.3短波在加热电离层中的多普勒频移

3.4本章小结

第四章 加热电离层中的闪烁效应

4.1高阶对称矩

4.2场的二阶对称矩

4.3场的四阶矩理论

4.4电离层闪烁指数

4.5本章小结

第五章 基于软件无线电模拟电磁波在加热电离层中的传播特性

5.1软件无线电的基本理论

5.2GNU Radio和USRP

5.3GNU Radio和USRP在电离层中的应用

5.4本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

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