（无线电物理专业论文）电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究.pdf

摘要 摘要 本文以随机介质中波传播理论为研究基础，围绕高纬电离层对电波信号传播 的影响以及电离层中衰减信号短期预测的可行性进行了相关的研究。首先利用 i r l 2 0 0 1 国际电离层参考模型，给出了中国南极中山站上空电离层等离子体的相关 参数，并结合此数据利用双频双点互相干函数的解析解和时间矩方法，从理论和 数值计算两方面较为详细地研究了脉冲信号穿过极区电离层随机介质传播时的时 间特性，包括平均到达时间、脉冲展宽、偏度和峰度等，分析了它们随电离层不 规则体特征参数的变化。然后基于传统的混沌时间序列预测方法，给出了一种适 合于信号衰减时间序列的非线性预测方法，并利用这种方法对电离层中电波信号 的衰减时间序列进行了预测，获得了比较好的结果。最后，利用传统的线性自回 归预测技术对穿过电离层随机介质的电波信号衰减时间序列做了预测，并对这两 种方法的优缺点进行了比较和讨论。 关键词：电离层电波传播不规则体时间特性预测 a b s t r a c t a bs t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fw a v ep r o p a g a t i o ni nr a n d o mm e d i a , i o n o s p h e r i ce f f e c t so n r a d i ow a v ep r o p a g a t i o na n dt h ef e a s i b i l i t yo fs h o r t t e r mf o r e c a s t i n go ff a d i n gs i g n a l si n i o n o s p h e r ea r ee x a m i n e d f i r s t l y , t h ei o n o s p h e r ep l a s m ap a r a m e t e r s i nz h o n g s h a n s t a t i o na r e a o fa n t a r c t i c as k ya r eo b t a i n e d 、析t ht h ei n t e r n a t i o n a lr e f e r e n c ei o n o s p h e r e i r l 2 0 01m o d e l ，t h es t a t i s t i c a lt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp u l s es i g n a lp r o p a g a t i o n t h r o u g ht h et u r b u l e n ti o n o s p h e r ea r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n dn u m e r i c a l l y 、析t ht h e d a t ab yu s i n gt e m p o r a lm o m e n tm e t h o da n dt h ea n a l y t i cs o l u t i o nt ot h et w o - f r e q u e n c y a n dt w o p o s i t i o nm u t u a lc o h e r e n c ef u n c t i o n t h et e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi n c l u d e m e a na r r i v a lt i m e ，p u l s eb r o a d e n i n g ，s k e w n e s sa n dk u r t o s i s ，a sw e l la st h e i rc h a n g i n g w i t l lt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ei o n o s p h e r i ci r r e g u l a r i t i e sa r ea l la n a l y z e d s e c o n d l y , b a s e do nt h et r a d i t i o n a lp r e d i c t i o nm e t h o do fc h a o t i ct i m es e r i e s ，an o n l i n e a r p r e d i c t i o nm e t h o dw h i c hf i r sf o rf a d i n gs i g n a l st i m es e r i e si sp r e s e n t e d ，a n dt h i s m e t h o di su s e dt op r e d i c tr a d i ow a v ef a d i n gt i m es e r i e sw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s f i n a l l y , t h et r a d i t i o n a ll i n e a ra u t o r e g r e s s i v ep r e d i c t i o nt e c h n o l o g yi su s e dt op r e d i c tr a d i ow a v e f a d i n gt i m es e r i e s ，a n dt h ec o m p a r i s o no ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa b o v e t w om e t h o d si sg i v e na n dd i s c u s s e d k e yw o r d s ：i o n o s p h e r e ，r a d i ow a v ep r o p a g a t i o n ，i r r e g u l a r i t i e s ，t e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，p r e d i c t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期：山fo - 、 日期：办乃勘 血、午 盘 、竺 址年 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 高纬电离层电波传播问题的研究背景和意义 地球空间、行星际空间与太阳大气构成的日地空间是人类赖以生存的空间环 境【l 】。电离层是近地空间环境的重要组成部分，按照美国电气和电子工程师协会标 准( 1 9 6 9 ) ，电离层定义是“地球大气层的一部分，其中存在的离子和电子在数量 上多到足以影响无线电波的传播。” 电离层是离地表最近的大气层电离部分，也是对人类生活有最大影响的大气 电离区域。电离层中有充分多的自由电子和正离子，在最低高度区域还有一定数 目的负离子。电离层介质从整体上看是电中性的，即在任意给定区域都有相同数 量的正负带电粒子。尽管带电粒子在数量上可能是大气的气体粒子的很少一部分， 但它们的存在非常明显地改变了大气的电性质，使这部分大气成为等离子体状态， 有十分重要的意义。地球电离层中电离的另一个源是高能粒子，高能粒子在中纬 度不太重要，但在高纬度非常重要，在那儿它们有时可能是主要的电离源。在高 纬度，两个非常重要的电离源是与极光相联系的电子和在太阳耀斑爆发期间来自 太阳的质子和a 粒子。 电离层研究作为空间物理学中的重要研究方向之一，是远距离通信和航天技 术发展的理论基础。在实际应用中可以提高通信质量和卫星导航的精度，可以预 报电离层骚扰情况，以便采取措施、避免地面通信和卫星通信等设施受到破坏。 总之，积极探测与发现电离层中的各种现象，研究现象背后的本领与物理机制， 探索电离层对人类生存活动的影响，对繁荣国民经济与参与国际竞争是十分重要 的。 2 0 世纪以来，伴随着现代通信科学、空间科学、海洋科学等在众多相关领域 应用的迅速发展，电离层对人类生产与生活的影响显得更为突出，特别地表现在 各种基于无线电技术的卫星定位与跟踪系统中。尤为突出的就是全球定位系统 g p s ，g p s 信号传播到地球或低轨飞行器，穿透电离层，产生路径延迟，是g p s 钡, 4 量的主要误差源之一。电离层影响首先为利用g p s 实现高精度测量和定位的大地测 量及导航等领域所重视、研究，用以减弱甚至消除其对测量结果的影响。 另外，电离层中电子密度不规则体的存在会导致如雷达信号的起伏，降低雷 达的分辨率，使得星载s a r 图像中出现斑纹噪声等虚假图像信息。同时，它也影 响g p s 接收机的跟踪能力，对卫星通信、卫星导航，以及其它地一空无线电系统 产生很大影响。通常，无线电信号通过不规则体后产生的随机起伏称为电离层闪 2 电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究 烁。电离层不规则体不仅能引起无线电信号的幅度起伏，同时还能引起信号相位 的起伏、到达角起伏、波极化的起伏等等，电离层闪烁研究则以幅度闪烁和相位 闪烁为多。我们知道地球上有两个电离层闪烁较为严重的区域：即磁赤道2 0 度以 内和高纬度区。我国长江以南地区以及长江以北的部分地区均属于电离层活动高 峰区，电离层闪烁现象在上述地区在春分和秋分前后在4 g h z 表现非常明显，峰值 超过1 0 d b 。一般讲，电离层闪烁直接与信号衰落统计特性、信道设计、测距、测 速和测角的精度、图像分辨率等相关。因此，对电离层闪烁的研究成为专家学者 关注的热点问题之一。 由于我国地处中低纬，对于开展低纬赤道地区电离层闪烁观测分析具有地理 优势，近年来，在国家8 6 3 项目、国家自然科学基金项目和中科院创新方向性项 目支持下，在我国低纬地区开展了电离层闪烁观测分析研究，并在三亚建立了包 括电离层闪烁观测在内的多手段永久性观测站，重点观测研究低纬赤道地区电离 层不规则体结构特性，已经积累了多年的观测数据和一批研究成果。而在高纬极 区几乎还是空白。结合国际国内发展趋势，利用我们在低纬赤道地区观测的技术、 分析方法和有关项目的支持，将我们的观测研究进行扩充延伸，在高纬极区开展 高纬极区电离层不规则体引起的电离层闪烁工作，具有重要的意义，进一步开展 高纬极区和我国低纬赤道电离层闪烁对比分析，以及为今后我国开展全球电离层 闪烁研究奠定基础。 1 1 2 衰减时间序列预测的研究背景和意义 预测一直是科学界的一个重要问题，如果我们能在知道过去的条件下预测到 将来的状态，那么我们就可以有效的减少或避免一些自然灾害。对电离层中电波 信号的衰减进行预测可以有效的避免和减轻由电离层和分布其中的电子密度不规 则体所引起的通信系统可靠性的下降。 在过去的几十年，随着现代计算机科学技术的迅猛发展和普遍应用，对混沌 时间序列的研究经历了飞速的发展。研究表明，自然界中大部分运动如水文、天 文、气象等产生的时间序列如径流量、太阳黑子数、降雨量等都具有一定的混沌 特性。通常，这些实际观测到的时间序列，其动力学特性常常未知，并且，由于 受到各种主、客观因素如仪器的精度、测量的客观外界条件、不同的测量主题等 的限制，在数据测量、传输等过程中可能受到噪声的影响。因此，如何根据不同 的的应用背景和需求，从实际观测的时问序列中建立一个有效、精确的模型是混 沌时间序列分析中迫切需要解决的问题之一。而建立精确模型的前提是对所研究 的混沌时间序列有一个系统的分析判断过程，困此，我们需要有准确而有效的手 段来进行分析。 第一章绪论 电磁波穿过电离层传播时，受到背景电离层和电离层中电子密度不规则体的 影响，电磁波将发生波形形变，引起衰减。由于电离层环境是动态的，处于其中 的电子密度不规则体也是随机的，而它们共同影响着电磁波的振幅，所以当电波 信号穿过电离层时它的振幅将随着时间发生变化。每一时刻的振幅就构成了时间 序列，这些振幅的特性和变化趋势是难以描述的，给我们的预测带来了很大的障 碍。在1 9 9 2 年b h a t t a c h a r y y a ，f r i d m a n 等人就证明电离层扰动通常表现为种低 维的确定性过程 2 , 3 - 6 j ，那么我们就可以利用混沌时间序列的预测方法来预测衰减 信号时间序列。 1 2 国内外研究发展动态 。 1 2 1 电离层电波传播问题的国内外研究现状 人类对电离层的初步研究，可追溯到二十世纪初起。1 9 2 6 年，w a s t o n 首次引 入“i o n o s p h e r e ( 即电离层) 一词。h u l b e r t 和c h a p m a n n 提出的大气层电离及电离层 形成理论，是现代电离层理论的起点。1 8 8 7 年，h e r t z 成功地进行了电磁波存在性 实验，从而揭开了无线电科学的序幕。2 0 世纪2 0 年代中期的脉冲探测法等实验最 早证实了电离层存在。从此，在更科学的意义上，开辟了电离层实验研究的新领 域l7 。1 9 4 6 年，h e y ，p a r s o n s 禾i l p h i l l i p s | s j 观测到射电星天鹅座( c y g n u s ) 射频的( 6 4 m h z ) 辐射强度有明显的短周期不规则起伏，随后的观测证实【9 】，这种信号起伏是由电离 层中电子密度分布的不规则体结构引起的。这是最早观测到的电离层闪烁现象。 2 0 世纪5 0 年代，大功率雷达、激光雷达、长波探测等新的、更强大的地面探测技 术得到了极大发展。 1 9 5 7 年第一颗人造卫星发射之后，使得利用卫星发射的无线电波来观测电离 层闪烁成为可能1 10 。一般，人们研究的兴趣有两个方面。一方面，闪烁问题的研 究与穿过电离层通信的问题，比如信号衰减统计特性、信道设计、测距分辨率等 等直接有关；另一方面，闪烁数据包含着关于电离层的地球物理参量的信息，适 当地解释这些数据对于更好的理解高层大气物理学和高层大气力学都是非常重要 的。在积累了大量观测数据后，讨论电离层闪烁的全球形态就成为可制1 1 】。七十 年代初，发现在千兆赫频段上也有闪烁【1 2 1 ，这一发现对闪烁研究领域提出了新的 挑战。为闪烁研究特别设计的两个卫星( a t s 6 及宽带卫星) 信标试验【1 4 】给我们提供 了新的观测数据，帮助我们大大增加了有关闪烁现象的知识。 理论方面，早期是依据薄屏理论来研究电离层闪烁的。早期t a t a r s 虹i 采用r y t o v 近似【1 6 1 并引入现代湍流的统计理论获得了成功。随后，很多学者将其用于电离层 闪烁研究。然而，实验表明以r y t o v 解为核心的弱起伏理论是比较满意的，弱起伏 4 电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究 情况下，闪烁指数& 、互相干函数以及谱密度都可以利用相位屏理论或者r y t o v 解 来计算【1 4 】。当起伏增强时，多重散射效应变得重要，以r y t o v 解为基础的弱起伏理 论不再适用( 因为它本质上是闪烁问题的单次散射解) 。在随机介质起伏较强的 情况下，人们又提出了多种研究方法：如图解法【1 4 】、积分方程法【1 4 1 、扩展 h u y g e l l s f r e s n e l 原理 1 4 1 、抛物方程法【1 4 1 、多相位屏方法【1 4 1 、m a r k o v 近似理论【1 4 l 、 路积分法【1 4 】等。理论表明，对于二阶矩所有这些求解方法在一定的近似条件下都 是等效的，但对四阶矩的求解数学上存在一定的困难。这也就是说，电离层闪烁 的强起伏理论还存在一些尚未解决的问题。 我国电离层与电波传播领域的研究开始于上世纪三十年代，在老一辈专家学 者如桂质廷，梁百先，吕保维等的努力下，我国的电离层物理研究取得了长足的 进步【l 7 眇】，其中中国电波传播研究所，武汉大学，中国科学院空间科学与应用中 心，武汉物理与数学研究所，北京大学，中国科技大学，西安电子科技大学等科 研机构都有着良好的电离层物理方面的研究传统和较强的科研实力。近年来，关 于随机介质电波传播方面的相关问题，国内也有许多学者做了相应的研究工作： 张民等【2 0 】利用数值方法求解二阶矩并研究了星际湍流介质中脉冲传播特性。吴健 和刘瑞源利用矩空间内积分方程迭代方法【2 1 1 求解出了( m + 刀) 阶一般矩方程的解析 解，李桂珍等利用矩方程的简单变形方法求解了伽切) 阶高阶对称矩方程【2 2 1 。吴健， 许正文等在较为一般的散射机制下利用积分方程迭代方法求出了二阶矩解，并且 用于研究电离层电波传播的时间特性 2 3 2 8 1 ；文献 2 l ，2 5 ，2 8 】基于构造的特殊矩空间， 在更加一般的散射机制下求得了四解矩的一个解析解，并与电离层闪烁数据符合 得较好，并且继续在寻求更为满意的四阶矩解。在光学领域，从经典r y t o v 解出发， 将强度起伏看成是小尺度湍流起伏受大尺度湍流起伏的调制，将弱起伏情况下成 立的r y t o v 方法加以修正从而拓展到更宽的起伏条件，直至中等强度结果较好1 2 9 1 ， 郭立新、吴振森等人也对此进行了研究【3 0 1 ，我国地处中低纬，对于高纬极区电离层 闪烁观测分析目前尚属空白。 1 2 2 混沌时间序列预测的国内外研究现状 自从二十世纪九十年代以来，混沌时间序列理论的研究进入深入发展的阶段。 混沌科学与其他科学相互渗透。无论是在数学、物理学、生命科学、地球科学、 信息科学、还是在经济学、天文学等领域，混沌均得到了广泛的应用。2 0 多年来， 混沌科学虽然在某些基础理论方面取得了很大的进步，但还没有取得根本性的突 破，还有许多问题没有解决，根据混沌系统提取的非线性时间序列对系统的未来 进行预测，是一个十分重要的方面。复杂系统一般不是随机的，而是确定的。但 是，随着科研工作人员对混沌现象的不断深入研究，发现确定系统内部也存在随 第一章绪论 机性。对于那些确定性系统内部具有内在随机性的复杂系统，混沌动力学理论成 为一种有效的研究工具。我们运用基于混沌理论的非线性动力学方法来研究那些 复杂的确定性系统内部具有内在随机性的系统。我们通常考虑以下反问题：如何 由获取的一组或多组时间序列来分析并刻画原动力系统；从复杂系统中通过观测 或实验手段获取时间序列，如何由此来研究原复杂系统。一切科学的目的就是要 发掘出事物的因果关系。一个理论能否被接受，很重要的一个条件在于它能否对 事物的客观规律做出一定的预测，根据万有引力定律人们可以说出数千年后的月 食或日食。然而在自然界中也存在一些不可精确预言的现象，如大气运动一样都 遵从物理学定律，但目前人们只能从一定的概率作天气预报。由于不存在确定的 因果关系，就称这类现象中存在着随机性的因素。混沌现象的发现开创了科学模 型化的一个新典范，一方面，混沌现象所具有的确定性表明许多随机现象实际是 可以预测的；另一方面混沌现象所固有的对初值的敏感依赖性又意味着预测能力 受到的根本性限制，混沌现象是短期可以预测，而长期不能预测的。 实际问题中的复杂系统往往表现为多变量动态演化行为，多层次结构，系统 的结构参数和边界条件具有时变性和复杂性，而且获取的信息通常不完备，并且 具有不确定性，因此难以直接建立起精确的解析形式的数学模型。由于它们是具 有非线性因素的庞大系统，求其近似解难度很大，数值解的计算工作量也十分庞 大，故常常依赖于实验或现场测量所获得的数据，进行非线性动力系统的综合分 析。混沌时间序列分析就是研究如何由时间序列来辩识和重构混沌动力系统这一 基本问题，并由此预测非线性动力系统的发展趋势，进而达到控制的目的。：到目 前为止，人们提出了许多混沌时间序列的非线性预测方法，这些方法大致上可分 为局域预测法和全域预测法【3 。局域预测法比较有效简洁，如果时间序列数据足 够长，噪声级别比较小，可以利用局域预测法。局域预测法是将相空间轨迹的最 后一点作为中心点，把离中心最近的若干轨迹点作为相关点，然后对这些相关点 作平均或拟合，再估计轨迹下一点的走向，最后从预测出的轨迹点的坐标中分离 出所需要的预测值。根据对相关点作的不同处理，局域预测法可分为局部常数预 测法和局部线性预测法。全局建模比较直接，是将轨迹中的全部点作为拟合对象 找出其规律，由此预测轨迹的走向。 1 3 论文的内容和结构安排 全文共分五章，各章主要内容和结构安排如下： 第一章：绪论部分，简要描述了课题研究的背景和意义及论文的主要内容和 结构安排。 第二章：高纬电离层介质特性及电离层电波传播理论基础。简要介绍了高纬 6 电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究 电离层的特性、电离层中电波传播的相关参数、电离层不规则体产生机理及其表 征方法。随后，介绍了背景电离层对电波信号相位、极化、传播时间和频率等的 影响；介绍了电磁波在连续随机介质中传播的理论基础，包括弱起伏理论的r y t o v 解、强起伏理论的抛物方程法，并给出了双频双点互相干函数的解析解。 第三章：高纬电离层中电波传播的时间特性研究。给出了由i r l 2 0 0 1 国际电离 层参考模型得到的南极中山站上空电离层数据，利用时间矩方法和双频、双点互 相干函数的解析解，从理论和数值模拟两方面研究了电磁脉冲穿过高纬电离层随 机介质传播的时间特性，具体包括：平均到达时间、脉冲的展宽特性、脉冲偏度 和峰度。 第四章：电离层中衰减信号的非线性预测技术。介绍了混沌时间序列预测的 理论基础，给出了几种常见的混沌时间序列预测技术。并在此基础上进行修正， 给出了一种适合电离层中衰减时间序列的非线性预测技术，最后利用所给出的非 线性预测技术预测了一组电离层中电波传播的振幅衰减时间序列，并对其结果进 行分析讨论。 第五章：电离层中衰减信号的线性预测技术。简要介绍预测时间序列的线性 自回归技术，并用此技术预测了一组电离层中电波传播的振幅衰减时间序列。最 后将所得到的预测结果和上一章中非线性预测技术所得的结果进行比较，分析讨 论了两种预测技术的优劣性。 结束语：对本文的主要内容及相应的研究成果作了总结和展望，讨论了一些 有待解决的问题以及下一步的工作方向。 注：论文中的时谐因子均取e x p ( 一j c o t ) 。 第二章高纬电离层介质特性及电离层电波传播理论基础 7 第二章高纬电离层介质特性及电离层电波传播理论基础 摘要：本章首先介绍了高纬电离层特性，然后介绍了高纬电离层诸多特性中与电波传输有关 的部分，包括：高纬电离层中电波传播的相关参数，高纬电离层不规则体的产生机理，表征 方法和电离层对电波信号传播的影响等同时简要介绍了电磁波在连续随机介质中传播的弱 起伏理论和强起伏理论的抛物方程法，给出了双频双点互相干函数的解析解本章是后续章 节研究所需介质特性和电离层电波传播的理论基础。 2 1 高纬电离层介质特性 高纬电离层通过地磁场与外磁层以及发生在那里的各种动态过程相联系并受 太阳风与行星际磁场的直接控制，其空间环境远较低纬地区复杂。研究电离层介 质特性的方法主要有两类，一是建立各种电离层模式，二是利用各种探测技术对 其进行实验和观测研究。电离层对电波信号引起多种影响，首先通过电离层 t e c ( t o t a le l e c t r o nc o n t e n t ) 反映电离层背景和大尺度电子密度结构对电波信号传 播的影响。除此之外，电离层中含有各种尺度的不规则体结构，会导致电波信号 的电离层闪烁等随机波传播现象，主要包括振幅、相位、到达角和极化状态等的 闪烁等。 2 1 1 高纬电离层 因为地球高纬电离层通过地磁场与外磁层以及发生在那里的各种动态过程相 联系并受太阳风与行星际磁场的直接控制，其空间环境远较低纬地区复杂，所以 它具有与其他地区电离层不同的特点。极区地球磁场具有较为特殊的构形，极区 电离层通过对流电场、粒子沉降和场向电流与磁层紧密耦合在一起，在太阳风磁 层一电离层以及热层耦合过程中起着重要作用。因此，对极区电离层的研究可以获 得在其它地区无法获得的有关太阳风磁层电离层热层耦合过程的重要信息。 在极盖区，开放的磁力线将地磁场和行星际磁场连接在一起。在两个半球的 极盖区f 层高度上，黎明黄昏电场都能被观测到。在极光椭圆区来自焦耳加热和 粒子加热的能量可以改变全球热层循环的平均水平。焦耳加热在高纬电离层和热 层的相互影响中扮演着重要角色。所以高纬电离层在产生全球性的电离层扰动中 起着重要作用。 太阳风扰动能量主要通过南向i m f 时的磁重联机制进入磁层后，可由直接驱 动的形式或先将能量注入磁尾、待积累到一定程度时再释放的形式3 m 4 1 沿磁力线 输运至极区电离层，其主要表现是极盖区边界驱动电势突增和极光区电集流明显 加强。 8 电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究 高纬电离层具有两个特殊的过程：第一是高能粒子沉斛3 5 1 ，即高能粒子沉降 到电离层中，成为太阳辐射之外的具有一定空间分布且随时间变化的另一个重要 电离源；第二是等离子体对流【3 5 l ，即极区电离层等离子体处于一种大规模的对流 运动中，此对流运动主宰了整个极区电离层等离子体的水平输运过程。 2 1 2 高纬电离层中电波传播的相关参数 如果碰撞不能忽略，电离层中无线电波传播的折射指数可以表达为a p p l e t o n h a r t r e e 公式3 6 1 ，即电磁波在等离子体中传播的色散关系式： 矿。1 一品j 巫i 互孽习 p d 1 一z 一鱼旦4 旦堕嗓c o s 2 日r。 2 ( 1 一x j z ) i4 ( 1 一x j z ) 2l 上式涉及三个参数z 】，和z ，即所谓的a p p l e t o n 参数，它们是： x ：錾，矿：千盟云，z ：兰( 2 2 ) 国c oc o 其中日：电波法向和地磁场夹角，对于电子，矢量】，的方向与外磁场的方向相反， 对于正离子，矢量】，的方向与外磁场的方向相同。( 2 2 ) 式中，为自由电子与重粒 子碰撞频率，绵是等离子体频率，姊是磁旋频率，它们的定义为： ：削，；：壁( 2 - 3 ) i历i,from b d ：地磁场强度，p ：电子电量，m ：电子质量，m ：电子浓度，勖：自由空间介 电常数。当存在外加磁场时，等离子体被磁化。磁化等离子体是一种双折射介质， 或称各向异性介质。在方程( 2 1 ) 中，+ ”和- ，符号分别表示寻常波和非寻常波。 由a p p l e t o n h a r t r e e 公式可以看出，电离层浸在地磁场中，表现如下特征【2 3 , 3 7 】： 色散的：它的折射指数是频率的函数，群速度不一定等于相速度；吸收的： 电离层折射指数是复数的，具有实部和虚部。吸收总是耗散的，表明能量通过由 碰撞变为热能而保持守恒；双折射的：由于地磁场和自由电子运动的存在，折 射指数具有两个分立的值。这个特性表明两个可能的传播路径，每个路径由不同 的相位和群速度而表征；各向异性的：两个折射指数中的每一个分别是关于背 景地磁场的恒定波相位平面法向的函数。 在v h f 频段以上，近似认为吸收项为零，也就是( 2 1 ) 式中的u = l - ，z = l 。 除了那些几乎精确垂直于磁场的方向以外，其它方向的传播都可视为准纵传播 瞄，3 6 矧，那么： 甩l x ( 1 - t - y c o s o ) 2 ( 2 4 ) 第二章高纬电离层介质特性及电离层电波传播理论基础 9 如果磁离子射线裂变可忽略，在v h f 以上频率，承 - ( 1 一m 知卢2 ) ( 2 - 9 ) 1 2 电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究 式中p 。是与背景电子密度 l o ，由( 2 4 ) 式可得 。，并且介质起伏旧l ， a ， ，是不规则特