VLF电磁波在地-电离层波导中的传输特性研究

发布时间：2017-06-17 06:07

  本文关键词：VLF电磁波在地-电离层波导中的传输特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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,5k Hz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。
【关键词】：VLF电磁波 电离层 FDTD 传输特性 频率特性 极化特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O441.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 VLF仿真模型的发展现状10-12
• 1.2.2 VLF的观测和应用发展现状12-13
• 1.3 本文的主要研究内容13-15
• 第2章 VLF传输模型15-32
• 2.1 电离层介质15-19
• 2.1.1 电离层的特性15-16
• 2.1.2 电离层的分层结构16-17
• 2.1.3 电离层中电磁波的传输17-19
• 2.2 建立VLF的二维FDTD传输模型19-29
• 2.2.1 仿真模型19-21
• 2.2.2 不同的差分方法21-22
• 2.2.3 FDTD迭代方程推导22-29
• 2.3 H-J和E-J法对比29-30
• 2.3.1 迭代方程对比29
• 2.3.2 仿真结果对比29-30
• 2.4 本章小结30-32
• 第3章 VLF在地-电离层波导中横向传输特性32-47
• 3.1 模型仿真参数32-36
• 3.1.1 低电离层参数32-33
• 3.1.2 信号模型33-36
• 3.1.3 信号源的添加方式36
• 3.2 单频带信号的传输特性36-43
• 3.2.1 不同季节传输特性37-39
• 3.2.2 不同频率传输特性39-41
• 3.2.3 晨昏线效应41-43
• 3.3 宽频带信号的传输特性43-45
• 3.3.1 宽频带信号源43-44
• 3.3.2 宽频带信号仿真结果44-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第4章 VLF在地-电离层波导中纵向传输特性47-58
• 4.1 电离层参数47-49
• 4.1.1 IRI参数模型47-48
• 4.1.2 电离层参数曲线48-49
• 4.2 VLF的竖直传输特性49-52
• 4.2.1 电场的幅度特性49-50
• 4.2.2 能量衰减特性50-52
• 4.3 VLF随高度的极化特性52-56
• 4.3.1 电磁波的极化52-54
• 4.3.2 极化面的传输特性54-56
• 4.4 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-67
• 致谢67

  本文关键词：VLF电磁波在地-电离层波导中的传输特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：457547