極區(qū)電極流調(diào)制實(shí)驗(yàn)研究

楊巨濤，李清亮，郝書吉，陳靚，閆玉波，馬廣林

中國(guó)電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266107

0 引言

電離層電極流調(diào)制是指利用幅度調(diào)制的大功率高頻(HF)電磁波加熱電離層，振蕩改變電離層電子溫度、碰撞頻率和電導(dǎo)率，從而使擾動(dòng)區(qū)電離層中的電流產(chǎn)生振蕩變化，形成極低頻/甚低頻(ELF/VLF)輻射源并向外輻射電磁波，也稱電離層調(diào)制加熱.該理論最早由Willis和Davis(1973)提出，并首次由Getmantsev等(1974)利用Zimenki加熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功激發(fā)出1.2～7 kHz的ELF/VLF信號(hào).后來，美國(guó)、前蘇聯(lián)和歐洲相繼在波多黎各、諾夫哥羅德和特羅姆瑟建立了Arecibo、SURA和EISCAT加熱系統(tǒng)，以及2007年在阿拉斯加建立的高頻有源極光研究計(jì)劃(High Frequency Active Auroral Research Program,簡(jiǎn)稱HAARP)，該系統(tǒng)主要研究目的之一就是通過調(diào)制加熱的方式在電離層中形成ELF/VLF輻射源，開發(fā)全球?qū)撏ㄐ判录夹g(shù).利用建立的加熱系統(tǒng)，學(xué)者們開展了一系列的電離層電流調(diào)制實(shí)驗(yàn)，獲得比較引人注目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如：形成ELF/VLF輻射源的功率最大可達(dá)269 W(Cohen and Gokowski,2013)；在離加熱系統(tǒng)約4400 km處成功接收到激發(fā)的ELF/VLF電磁波(Moore et al.，2007)；在與加熱系統(tǒng)附近站點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸時(shí)傳輸速率最大可達(dá)800 bps(Jin et al.，2013)等.同時(shí)，為提升調(diào)制效率，學(xué)者們?cè)诜日{(diào)制的基礎(chǔ)上，相繼提出了快速掃描(Papadopoulos et al.，1990)、預(yù)加熱(Milikh and Papadopoulos,2007)、幾何調(diào)制(Cohen et al.，2010)等技術(shù).

國(guó)內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代開展調(diào)制加熱研究，如從電子能量方程出發(fā)，建立了中低緯度地區(qū)幅度調(diào)制加熱模型(陳志雨和夏明耀，1996；李清亮等，2008)，分析了人工調(diào)制電極流形成ELF/VLF輻射源的特性(黃文耿等，2005；汪楓等，2009)，以及如何提升調(diào)制加熱過程中ELF/VLF的輻射效率(郝書吉等，2013a；楊巨濤等，2018)，并且利用全波法建立了電離層中ELF/VLF輻射源的傳播模型(常珊珊等，2011；汪楓等，2012).但由于缺乏實(shí)驗(yàn)條件，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于電離層調(diào)制加熱的研究?jī)H僅涉及理論研究層面.2005年，中國(guó)正式加入歐洲非相干散射協(xié)會(huì)組織(EISCAT)，并利用EISCAT加熱系統(tǒng)先后開展多次電離層加熱實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)是電離層加熱過程中電子密度和溫度的變化(徐彬等，2009，2010；王占閣等，2012；程木松等，2014；劉默然等，2017；周晨等，2018)，以及電子密度和溫度變化后引起的次級(jí)電子輻射(Wang et al.,2019;Feng et al.,2020),直到2017年才全面開展電離層調(diào)制電極流試驗(yàn).

本文給出了2017—2019年我國(guó)利用EISCAT加熱系統(tǒng)開展電離層調(diào)制電極流實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果.首先給出了實(shí)驗(yàn)的加熱設(shè)施、實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)總體情況；然后，在此基礎(chǔ)上，分析加熱波功率和極化，以及激發(fā)頻率和接收位置對(duì)調(diào)制加熱激發(fā)的ELF/VLF電磁波強(qiáng)度影響，并結(jié)合以往理論研究結(jié)果，給出了相應(yīng)的結(jié)論.

1 實(shí)驗(yàn)描述

2017—2019年利用EISCAT(69.583°N，19.233°E)加熱系統(tǒng)(程木松等，2014)開展了三次極區(qū)電極流調(diào)制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要采用天線陣1和天線陣2，采用天線陣列1時(shí)加熱頻率(f0)為5.432 MHz，最大有效輻射功率為500 MW，采用天線陣列2時(shí)f0為4.04 MHz，最大有效輻射功率可達(dá)160 MW；幅度調(diào)制波為正弦波或者半波整形波，當(dāng)調(diào)制波的頻率低于4017 Hz時(shí)，調(diào)制波采用半波整形波調(diào)制，否則采用正弦波調(diào)制.實(shí)驗(yàn)期間診斷設(shè)備包括電離層垂測(cè)儀、磁力計(jì)和ELF/VLF接收機(jī).其中電離層垂測(cè)儀位于EISCAT加熱站內(nèi)，用于獲取背景電離層電子密度剖面和臨界頻率；磁力計(jì)位于特羅姆瑟大學(xué)，用來測(cè)量實(shí)驗(yàn)期間地磁場(chǎng)變化，其數(shù)據(jù)可從其網(wǎng)站(http:∥flux.phys.uit.no/geomag.html)下載；ELF/VLF接收機(jī)由德國(guó)Metronix公司生產(chǎn)的大地電磁儀和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)0.001 Hz～50 kHz范圍內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)測(cè)量.根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不同，ELF/VLF接收機(jī)分別放置于離加熱系統(tǒng)以東(69.696°N，19.419°E；15 km)、(69.463°N，20.544°E；53 km)，以南(69.083°N，19.255°E；56 km)、(67.778°N，20.622°E；208 km)，和以北(69.977°N，19.369°E；45 km)，分別用Loc_1、Loc_2、Loc_3、Loc_4和Loc_5表示，布局如圖1所示.三次實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了21 d，獲得約20 h有效數(shù)據(jù)，激發(fā)ELF/VLF波頻率范圍是518～10017 Hz，若以30 s數(shù)據(jù)為1個(gè)數(shù)據(jù)包，則各數(shù)據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度(B)分布如圖2所示.從圖2可以看出實(shí)驗(yàn)期間激發(fā)ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍非常大，以2017 Hz為例，其變化范圍為-52.2～15.2 dB pT，這是由于電離層調(diào)制加熱激發(fā)ELF/VLF電磁波強(qiáng)度與加熱功率、加熱波極化、激發(fā)頻率等參數(shù)有關(guān)，而每次實(shí)驗(yàn)這些參數(shù)都存在差異，因此以下在針對(duì)電極流調(diào)制加熱激發(fā)ELF/VLF波的各種特性分析時(shí)，將對(duì)所采用的加熱參數(shù)進(jìn)行分別說明.

圖1 實(shí)驗(yàn)接收點(diǎn)布局Fig.1 Experimental receiver layout

圖2 地面接收ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.2 Magnetic field intensity distribution of ELF/VLF electromagnetic waves received on the ground

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 加熱功率影響

為研究加熱功率對(duì)ELF/VLF波輻射強(qiáng)度的影響，選取2017年 11月22日15∶00～16∶40UT時(shí)段開展變加熱功率等級(jí)的調(diào)制實(shí)驗(yàn)，其中Ap=10，Kp=2，F(xiàn)10.7=73，實(shí)驗(yàn)期間加熱波極化為X波，加熱波束沿地磁方向，調(diào)制波頻率為518 Hz和2017 Hz交替開展，加熱功率(PHF)與加熱系統(tǒng)滿功率(PA)滿足PHF=δp×PA，其中δp為功率比例系數(shù)，按10%-30%-50%-80%-100%依次變換，每個(gè)功率等級(jí)工作2 min，ELF/VLF接收機(jī)位于Loca_1，f0在4.04 MHz與5.432 MHz兩個(gè)頻率交替使用，每個(gè)頻率間隔5 min.磁力計(jì)結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)期間與自然電流相關(guān)的地磁場(chǎng)水平分量的相對(duì)變化量穩(wěn)定維持在100 nT，即實(shí)驗(yàn)期間背景自然電流相對(duì)穩(wěn)定；垂測(cè)儀結(jié)果顯示E層的臨界頻率約為2.0 MHz，即實(shí)驗(yàn)期間采用的4.04 MHz和5.432 MHz加熱頻率均超過E層的臨界頻率.

圖3給出了實(shí)驗(yàn)期間ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)幅度(B)隨加熱功率等級(jí)的變化，圖3a對(duì)應(yīng)激發(fā)頻率為518 Hz，圖3b對(duì)應(yīng)激發(fā)頻率為2017 Hz.圖3表明，隨著加熱功率等級(jí)的增加，ELF/VLF信號(hào)幅度增加，其主要原因是由于隨著加熱功率等級(jí)的增加，調(diào)制加熱周期內(nèi)電子通過歐姆碰撞吸收能量增加，導(dǎo)致電子溫度振蕩變化的幅度增加，即形成的ELF/VLF輻射源強(qiáng)度增加，輻射的ELF/VLF信號(hào)也就增強(qiáng)了，這與文獻(xiàn)(汪楓等，2009;Papadopoulos et al.,1990)的理論研究結(jié)果是一致的；對(duì)比f0為5.432 MHz和4.04 MHz激發(fā)的ELF/VLF強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，雖然f0為5.432 MHz時(shí)PA高于f0為4.04 MHz的情況，但4.04 MHz和5.432 MHz遠(yuǎn)超E層的臨界頻率，根據(jù)文獻(xiàn)(楊巨濤等，2018)的理論研究表明，隨著加熱頻率的增大，形成的ELF/VLF輻射源強(qiáng)度迅速降低，因此加熱頻率增加導(dǎo)致在該實(shí)驗(yàn)期間大多數(shù)情況下，f0為5.432 MHz激發(fā)ELF/VLF電磁波強(qiáng)度要弱于f0為4.04 MHz的情形.Papadopoulos等(1990)指出，在幅度調(diào)制加熱下，激發(fā)ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度與加熱功率滿足：

圖3 加熱功率等級(jí)對(duì)ELF/VLF磁場(chǎng)幅度的影響(a)518 Hz;(b)2017Hz.Fig.3 Influence of heating power level on magnetic field amplitude of ELF/VLF

(1)

其中A為電離層加熱擾動(dòng)區(qū)域范圍，n表示經(jīng)驗(yàn)功率因子，表征輻射波強(qiáng)度隨加熱功率變化的影響程度，Barr和Stubbe(1991)通過試驗(yàn)指出n的取值范圍0.5～1.1.令Pa-b表示δp由a變成b，根據(jù)(1)式可得Pa-b與n的關(guān)系如圖4所示，圖4表明，n的取值范圍0.5～2.3，比文獻(xiàn)(Barr and Stubbe,1991)略高.

圖4 實(shí)驗(yàn)期間n隨功率等級(jí)變化Fig.4 n varies with the power level

2.2 加熱波極化影響

為研究加熱波極化對(duì)ELF/VLF電磁波輻射強(qiáng)度的影響，選取2017年11月15日15∶00～16∶40UT時(shí)段開展變加熱波極化的電極流調(diào)制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中Ap=14，Kp=4，F(xiàn)10.7=74，實(shí)驗(yàn)期間加熱波束垂直向上輻射，加熱波極化為X波和O波交替開展，實(shí)驗(yàn)以45 min為一個(gè)周期，每個(gè)周期分別激發(fā)517 Hz、2017 Hz和5017 Hz三個(gè)頻率信號(hào)，每個(gè)頻率工作10 min然后加熱關(guān)閉5 min.考慮到極化改變?cè)?0 min以內(nèi)，電離層背景變化不會(huì)很大，因此不需考慮背景電離層參數(shù)(地磁變化、電離層狀態(tài)等)變化對(duì)不同極化對(duì)比結(jié)果的影響，ELF/VLF接收機(jī)位于Loca_1.

圖5給出了本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖5a對(duì)應(yīng)第一個(gè)周期(14∶00～14∶45)不同加熱波極化激發(fā)ELF/VLF信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比，圖5b給出實(shí)驗(yàn)期間不同頻率下加熱波極化分別為X波激發(fā)信號(hào)幅度(BX)與O波激發(fā)信號(hào)幅度(BO)的差值(BX-BO).圖5表明，在幅度調(diào)制加熱中，相對(duì)O波，加熱波極化采用X波將更加有利于ELF/VLF電磁波的激發(fā)，其主要原因是極區(qū)電極流調(diào)制主要發(fā)生低電離層，而低電離層對(duì)X波的吸收系數(shù)大，因此加熱波采用X波時(shí)，電子可獲得更多的能量.這與文獻(xiàn)(汪楓等，2009)的理論分析結(jié)果是一致的；實(shí)驗(yàn)期間在不同的時(shí)段，對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制波頻率，BX-BO的值不同，即電離層背景和激發(fā)頻率會(huì)影響到加熱波極化改變的效果，BX-BO的值在3.6～13.9 dB范圍內(nèi)變化.

圖5 加熱波極化對(duì)ELF/VLF波輻射強(qiáng)度的影響(a)不同加熱波極化激發(fā)ELF/VLF信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比;(b)不同頻率下BX-BO.Fig.5 Influence of heating wave polarization on ELF/VLF radiation intensity(a)Comparison of ELF/VLF signal intensities induced by different heating wave polarizations;(b)BX-BO at different frequencies.

2.3 激發(fā)頻率影響

理論研究(郝書吉等，2013b；汪楓等，2009)指出，隨著調(diào)制波的頻率的增加，在電離層中形成的ELF/VLF輻射源強(qiáng)度減小.考慮到由于電極流調(diào)制形成的ELF/VLF輻射源主要位于電離層中，輻射波能量在進(jìn)入地球-電離層波導(dǎo)中將發(fā)生衰減損耗，且衰減強(qiáng)度與傳輸波的頻率有關(guān).為研究激發(fā)頻率對(duì)地面接收到ELF/VLF電磁波強(qiáng)度的影響，選取2017年11月24日13∶05—13∶35UT(實(shí)驗(yàn)1，其中Ap=10，Kp=0，F(xiàn)10.7=74)、2018年12月6日15∶45—15∶55UT(實(shí)驗(yàn)2，其中Ap=5，Kp=1，F(xiàn)10.7=70)和2019年11月11日12∶45—12∶53UT(實(shí)驗(yàn)3，其中Ap=7，Kp=2，F(xiàn)10.7=70)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)期間加熱波束都沿垂直方向，加熱波極化為X波，采用掃頻工作模式，具體參數(shù)如表1所示.

表1 激發(fā)頻率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of excitation frequency affect experiments

圖6給出了這三次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.圖6表明，激發(fā)的ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著激發(fā)頻率的增大，其強(qiáng)度先增大后整體減小，其最大值出現(xiàn)在2000 Hz附近，這是由于2000 Hz的半波長(zhǎng)(75 km)正好與地球-電離層波導(dǎo)寬度相匹配，其傳播衰減最小；后面又隨激發(fā)頻率的增大，其幅度整體減小，這是與文獻(xiàn)(郝書吉等，2013b；汪楓等，2009)理論研究成果相符的.

圖6 ELF/VLF強(qiáng)度隨激發(fā)頻率的變化Fig.6 Variation of ELF/VLF intensity with excitation frequency

2.4 接收位置影響

為研究地面不同位置接收激勵(lì)的ELF/VLF電磁波強(qiáng)度的差異，選取2018年12月5日(其中Ap=5，Kp=1，F(xiàn)10.7=71)、6日(其中Ap=5，Kp=1，F(xiàn)10.7=70)和10日(其中Ap=11，Kp=2，F(xiàn)10.7=71)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)期間選擇兩個(gè)接收地點(diǎn)同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示.為區(qū)分各接收地點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別用B1、B2、B3、B4和B5代表Loca_1、Loca_2、Loca_3、Loca_4和Loca_5的ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度，用ΔB表示兩地磁場(chǎng)強(qiáng)度差值，結(jié)果如圖7所示.

表2 接收位置影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters of receiving position affects experiments

圖7 不同接收地點(diǎn)ELF/VLF信號(hào)幅度對(duì)比(a)2018年12月5日實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(b)2018年12月6日實(shí)驗(yàn)結(jié)果;(c)2018年12月10日實(shí)驗(yàn)結(jié)果.Fig.7 Amplitude comparison of ELF/VLF signals at different receiving locations(a)Experimental results on December 5,2018;(b)Experimental results on December 6,2018;(c)Experimental results on December 10,2018.

圖7a顯示，在幅度調(diào)制加熱下，激發(fā)頻率為2017 Hz，Loca_3與Loca_5接收到ELF/VLF電磁波強(qiáng)度差值ΔB隨時(shí)間不斷變化，這主要是由于電離層背景隨時(shí)間不斷變化，輻射的電磁波在電離層中的傳輸參數(shù)也隨時(shí)間不斷變化，導(dǎo)致輻射的電磁波強(qiáng)度發(fā)生衰落變化，但ΔB變化小于1 dB，即相同頻率下，Loca_3與Loca_5接收到ELF/VLF電磁波強(qiáng)度差值小于1 dB；同樣在圖7b中，不同的激發(fā)頻率，Loca_2與Loca_3兩地ΔB變化小于1 dB，即同一時(shí)刻下，Loca_2與Loca_3接收到ELF/VLF電磁波強(qiáng)度差值小于1 dB.考慮到Loca_2、Loca_3和Loca_5離加熱系統(tǒng)的距離相接近，因此利用幅度調(diào)制加熱激勵(lì)的ELF/VLF電磁波輻射不具有方向性.圖7c顯示，實(shí)驗(yàn)期間Loca_1和Loca_4兩地的ΔB值超過12 dB，且激發(fā)頻率為2517 Hz為ΔB值最小，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)激發(fā)頻率為2000 Hz附近時(shí)，由于電離層-地球波導(dǎo)諧振其傳輸衰減最小.同時(shí)考慮到調(diào)制加熱激勵(lì)的ELF/VLF電磁波輻射不具有方向性，即有輻射波由15 km傳輸?shù)?08 km時(shí)，信號(hào)幅度衰減超過12 dB.

3 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)2017—2019年我國(guó)在極區(qū)利用EISCAT加熱系統(tǒng)開展的電極流調(diào)制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得了電極流調(diào)制加熱激發(fā)ELF/VLF電磁波強(qiáng)度與加熱功率、加熱波極化和激發(fā)頻率的關(guān)系，以及不同位置接收ELF/VLF電磁波的差異.分析結(jié)果從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者的理論研究成果，具體表現(xiàn)在：

1)隨著加熱功率等級(jí)的增加，電離層電子通過歐姆碰撞吸收能量增加，形成的ELF/VLF輻射源強(qiáng)度增強(qiáng)，即激發(fā)的ELF/VLF電磁波強(qiáng)度增強(qiáng).實(shí)驗(yàn)中ELF/VLF電磁波的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨加熱功率變化的功率因子取值范圍為0.5～2.3；

2)相對(duì)O波，低電離層對(duì)X波吸收系數(shù)大，加熱波采用X波時(shí)電子可獲得多的能量，因此更有利于ELF/VLF電磁波的激發(fā).實(shí)驗(yàn)期間X波激發(fā)ELF/VLF電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度與O波的差值在3.6～13.9 dB范圍內(nèi)變化，該差值受到電離層背景和激發(fā)頻率的影響；

3)隨著激發(fā)頻率的增加，雖在電離層中形成的ELF/VLF輻射源強(qiáng)度減小，但不同頻率的輻射波在電離層以及地球-電離層波導(dǎo)中傳輸參數(shù)不一致，導(dǎo)致地面接收到ELF/VLF輻射波強(qiáng)度隨激發(fā)頻率變化也不一致.而2000 Hz的半波長(zhǎng)與地球-電離層波導(dǎo)寬度相匹配，實(shí)驗(yàn)中接收的ELF/VLF波在2000 Hz附近及其諧波附近具有最大值.

進(jìn)一步通過對(duì)不同位置接收ELF/VLF電磁波的差異分析表明，調(diào)制加熱形成的ELF/VLF輻射源激勵(lì)的電磁波在地球-電離層波導(dǎo)中傳播不具有方向性，且在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，激發(fā)頻率為2000 Hz附近時(shí)傳輸衰減最小，輻射波由15 km傳輸?shù)?08 km時(shí)，信號(hào)幅度衰減超過12 dB.最后，必須指出的是，雖然通過電極流調(diào)制可以激發(fā)ELF/VLF強(qiáng)度最大可達(dá)15.2 dBpT，但其激發(fā)效率易受到背景電離層狀態(tài)的影響，導(dǎo)致其強(qiáng)度并不穩(wěn)定，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要來自近場(chǎng)接收數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)距離傳輸中將進(jìn)一步衰減，其強(qiáng)度難以保持現(xiàn)在的水平，目前通過調(diào)制極區(qū)電流調(diào)制激發(fā)ELF/VLF波的強(qiáng)度與實(shí)際應(yīng)用還有較大的差距，因此如何提升調(diào)制加熱效率將是該方向未來發(fā)展的重要課題.