大功率高频电波加热电离层建模及数值仿真研究

发布时间：2020-11-15 21:46

　　 电离层作为一个天然等离子体实验室,开展人工影响电离层研究既有利于人类加深对等离子体特性等方面的认识,也可以帮助人们满足短波通信、超视距雷达、航空航天等领域的各种需求。本文立足于高频电波加热电离层这一人工影响电离层的重要方式,从其研究历史和研究意义出发,建立电波加热的物理模型,并进行了相关仿真模拟,主要有以下研究成果:1.基于磁流体力学的动量方程、能量方程和连续性方程以及电波欧姆加热的主要机理,考虑不同高度上电离层主要等离子体参数及物理过程的差异,结合射线追踪程序,分别构建了低电离层欠密加热模型和高电离层过密加热模型。2.基于本文构建的低电离层加热模型并利用IRI-2012和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对几种不同初始条件下斜向加热低电离层进行了数值模拟,对比了不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况。研究结果表明,电波加热的效果随着入射仰角和有效辐射功率的增大而增大;电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小;相比O波模,X波模造成电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大,同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态;一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快地达到稳定,后两者也能加快电子温度达到稳定的过程,电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化,仰角为62°时达到最大。北半球冬季和高纬地区电波加热引起的电子温度扰动幅度更大,而夏季和低纬地区电波加热引起的电子密度扰动幅度更大。3.基于本文构建的高电离层三维加热模型并利用IRI-2012和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数首先具体模拟并分析了一次加热过程,之后分析对比了不同参数入射电波和不同参数背景电离层条件下加热效果,结果表明:电子温度和电子密度扰动三维结构的各经向切面上变化趋势相同;非均匀背景场中电波轨迹及反射面非对称,故电子温度及电子密度扰动结构也非对称;加热及冷却过程电子温度均将很快达到稳定,而电子密度扰动的发展将持续很长时间。电子温度和电子密度扰动区域尺度和峰值高度随电波频率增大而增大,且均不随电波有效辐射功率和波模发生变化;电子温度和电子密度变化率峰值随电波有效辐射功率的增大而增大,随电波频率的增大而减小,随波模变化程度很小。北半球夏季及高纬度地区电波加热引起电子温度和电子密度扰动区域尺度和峰值高度均大于冬季及低纬度地区;而冬季及低纬度地区电子温度和电子密度最大扰动率大于夏季及高纬度地区。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P352
【部分图文】：

国防科技大学研究生院硕士学位论文离层加热模拟二章建立的低电离层加热模型对几次不同初始条件的加热过程进行果分析了不同参数电波及背景电离层条件下加热引起低电离层电子的差异。离层加热模拟二章建立的高电离层加热模型结合射线追踪程序对几次不同初始条值模拟，并根据结果分析了不同参数电波及背景电离层条件下加热度和电子密度扰动的差异。与展望要工作及结论进行阐述，列出了本文的创新点及不足之处，并对下和重点做出规划。图如下：

(a) (b)图 3. 1 背景场电子温度(a)及电子密度(b)高度分布3.1.2 数值模拟及结果分析取入射电波频率为 9MHz，有效辐射功率为 200MW 的 O 波模，分别以斜向 45°和90°垂直入射电离层，经过 5ms 后电子温度和数密度的改变量的对比如图 3.2 所示。(a) (b)

国防科技大学研究生院硕士学位论文(a) (b)图 3. 1 背景场电子温度(a)及电子密度(b)高度分布3.1.2 数值模拟及结果分析取入射电波频率为 9MHz，有效辐射功率为 200MW 的 O 波模，分别以斜向 45°和90°垂直入射电离层，经过 5ms 后电子温度和数密度的改变量的对比如图 3.2 所示。
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本文编号：2885244