极区电极流调制实验研究

杨巨涛，李清亮，郝书吉，陈靓，闫玉波，马广林

中国电波传播研究所,电波环境特性及模化技术重点实验室，青岛 266107

0 引言

电离层电极流调制是指利用幅度调制的大功率高频(HF)电磁波加热电离层，振荡改变电离层电子温度、碰撞频率和电导率，从而使扰动区电离层中的电流产生振荡变化，形成极低频/甚低频(ELF/VLF)辐射源并向外辐射电磁波，也称电离层调制加热.该理论最早由Willis和Davis(1973)提出，并首次由Getmantsev等(1974)利用Zimenki加热系统进行了实验验证，成功激发出1.2～7 kHz的ELF/VLF信号.后来，美国、前苏联和欧洲相继在波多黎各、诺夫哥罗德和特罗姆瑟建立了Arecibo、SURA和EISCAT加热系统，以及2007年在阿拉斯加建立的高频有源极光研究计划(High Frequency Active Auroral Research Program,简称HAARP)，该系统主要研究目的之一就是通过调制加热的方式在电离层中形成ELF/VLF辐射源，开发全球对潜通信新技术.利用建立的加热系统，学者们开展了一系列的电离层电流调制实验，获得比较引人注目的实验结果，如：形成ELF/VLF辐射源的功率最大可达269 W(Cohen and Gokowski,2013)；在离加热系统约4400 km处成功接收到激发的ELF/VLF电磁波(Moore et al.，2007)；在与加热系统附近站点进行信息传输时传输速率最大可达800 bps(Jin et al.，2013)等.同时，为提升调制效率，学者们在幅度调制的基础上，相继提出了快速扫描(Papadopoulos et al.，1990)、预加热(Milikh and Papadopoulos,2007)、几何调制(Cohen et al.，2010)等技术.

国内学者从20世纪90年代开展调制加热研究，如从电子能量方程出发，建立了中低纬度地区幅度调制加热模型(陈志雨和夏明耀，1996；李清亮等，2008)，分析了人工调制电极流形成ELF/VLF辐射源的特性(黄文耿等，2005；汪枫等，2009)，以及如何提升调制加热过程中ELF/VLF的辐射效率(郝书吉等，2013a；杨巨涛等，2018)，并且利用全波法建立了电离层中ELF/VLF辐射源的传播模型(常珊珊等，2011；汪枫等，2012).但由于缺乏实验条件，国内学者对于电离层调制加热的研究仅仅涉及理论研究层面.2005年，中国正式加入欧洲非相干散射协会组织(EISCAT)，并利用EISCAT加热系统先后开展多次电离层加热实验，但实验关注的重点是电离层加热过程中电子密度和温度的变化(徐彬等，2009，2010；王占阁等，2012；程木松等，2014；刘默然等，2017；周晨等，2018)，以及电子密度和温度变化后引起的次级电子辐射(Wang et al.,2019;Feng et al.,2020),直到2017年才全面开展电离层调制电极流试验.

本文给出了2017—2019年我国利用EISCAT加热系统开展电离层调制电极流实验的主要结果.首先给出了实验的加热设施、实验参数以及实验总体情况；然后，在此基础上，分析加热波功率和极化，以及激发频率和接收位置对调制加热激发的ELF/VLF电磁波强度影响，并结合以往理论研究结果，给出了相应的结论.

1 实验描述

2017—2019年利用EISCAT(69.583°N，19.233°E)加热系统(程木松等，2014)开展了三次极区电极流调制实验，实验主要采用天线阵1和天线阵2，采用天线阵列1时加热频率(f0)为5.432 MHz，最大有效辐射功率为500 MW，采用天线阵列2时f0为4.04 MHz，最大有效辐射功率可达160 MW；幅度调制波为正弦波或者半波整形波，当调制波的频率低于4017 Hz时，调制波采用半波整形波调制，否则采用正弦波调制.实验期间诊断设备包括电离层垂测仪、磁力计和ELF/VLF接收机.其中电离层垂测仪位于EISCAT加热站内，用于获取背景电离层电子密度剖面和临界频率；磁力计位于特罗姆瑟大学，用来测量实验期间地磁场变化，其数据可从其网站(http:∥flux.phys.uit.no/geomag.html)下载；ELF/VLF接收机由德国Metronix公司生产的大地电磁仪和数据处理计算机组成，可实现0.001 Hz～50 kHz范围内电场与磁场测量.根据实验项目的不同，ELF/VLF接收机分别放置于离加热系统以东(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)，分别用Loc_1、Loc_2、Loc_3、Loc_4和Loc_5表示，布局如图1所示.三次实验一共进行了21 d，获得约20 h有效数据，激发ELF/VLF波频率范围是518～10017 Hz，若以30 s数据为1个数据包，则各数据磁场强度(B)分布如图2所示.从图2可以看出实验期间激发ELF/VLF电磁波磁场强度的变化范围非常大，以2017 Hz为例，其变化范围为-52.2～15.2 dB pT，这是由于电离层调制加热激发ELF/VLF电磁波强度与加热功率、加热波极化、激发频率等参数有关，而每次实验这些参数都存在差异，因此以下在针对电极流调制加热激发ELF/VLF波的各种特性分析时，将对所采用的加热参数进行分别说明.

图1 实验接收点布局Fig.1 Experimental receiver layout

图2 地面接收ELF/VLF电磁波磁场强度分布Fig.2 Magnetic field intensity distribution of ELF/VLF electromagnetic waves received on the ground

2 实验数据分析

2.1 加热功率影响

为研究加热功率对ELF/VLF波辐射强度的影响，选取2017年 11月22日15∶00～16∶40UT时段开展变加热功率等级的调制实验，其中Ap=10，Kp=2，F10.7=73，实验期间加热波极化为X波，加热波束沿地磁方向，调制波频率为518 Hz和2017 Hz交替开展，加热功率(PHF)与加热系统满功率(PA)满足PHF=δp×PA，其中δp为功率比例系数，按10%-30%-50%-80%-100%依次变换，每个功率等级工作2 min，ELF/VLF接收机位于Loca_1，f0在4.04 MHz与5.432 MHz两个频率交替使用，每个频率间隔5 min.磁力计结果显示实验期间与自然电流相关的地磁场水平分量的相对变化量稳定维持在100 nT，即实验期间背景自然电流相对稳定；垂测仪结果显示E层的临界频率约为2.0 MHz，即实验期间采用的4.04 MHz和5.432 MHz加热频率均超过E层的临界频率.

图3给出了实验期间ELF/VLF电磁波磁场幅度(B)随加热功率等级的变化，图3a对应激发频率为518 Hz，图3b对应激发频率为2017 Hz.图3表明，随着加热功率等级的增加，ELF/VLF信号幅度增加，其主要原因是由于随着加热功率等级的增加，调制加热周期内电子通过欧姆碰撞吸收能量增加，导致电子温度振荡变化的幅度增加，即形成的ELF/VLF辐射源强度增加，辐射的ELF/VLF信号也就增强了，这与文献(汪枫等，2009;Papadopoulos et al.,1990)的理论研究结果是一致的；对比f0为5.432 MHz和4.04 MHz激发的ELF/VLF强度可以发现，虽然f0为5.432 MHz时PA高于f0为4.04 MHz的情况，但4.04 MHz和5.432 MHz远超E层的临界频率，根据文献(杨巨涛等，2018)的理论研究表明，随着加热频率的增大，形成的ELF/VLF辐射源强度迅速降低，因此加热频率增加导致在该实验期间大多数情况下，f0为5.432 MHz激发ELF/VLF电磁波强度要弱于f0为4.04 MHz的情形.Papadopoulos等(1990)指出，在幅度调制加热下，激发ELF/VLF电磁波磁场强度与加热功率满足：

图3 加热功率等级对ELF/VLF磁场幅度的影响(a)518 Hz;(b)2017Hz.Fig.3 Influence of heating power level on magnetic field amplitude of ELF/VLF

(1)

其中A为电离层加热扰动区域范围，n表示经验功率因子，表征辐射波强度随加热功率变化的影响程度，Barr和Stubbe(1991)通过试验指出n的取值范围0.5～1.1.令Pa-b表示δp由a变成b，根据(1)式可得Pa-b与n的关系如图4所示，图4表明，n的取值范围0.5～2.3，比文献(Barr and Stubbe,1991)略高.

图4 实验期间n随功率等级变化Fig.4 n varies with the power level

2.2 加热波极化影响

为研究加热波极化对ELF/VLF电磁波辐射强度的影响，选取2017年11月15日15∶00～16∶40UT时段开展变加热波极化的电极流调制实验数据，其中Ap=14，Kp=4，F10.7=74，实验期间加热波束垂直向上辐射，加热波极化为X波和O波交替开展，实验以45 min为一个周期，每个周期分别激发517 Hz、2017 Hz和5017 Hz三个频率信号，每个频率工作10 min然后加热关闭5 min.考虑到极化改变在10 min以内，电离层背景变化不会很大，因此不需考虑背景电离层参数(地磁变化、电离层状态等)变化对不同极化对比结果的影响，ELF/VLF接收机位于Loca_1.

图5给出了本次实验结果，其中图5a对应第一个周期(14∶00～14∶45)不同加热波极化激发ELF/VLF信号强度对比，图5b给出实验期间不同频率下加热波极化分别为X波激发信号幅度(BX)与O波激发信号幅度(BO)的差值(BX-BO).图5表明，在幅度调制加热中，相对O波，加热波极化采用X波将更加有利于ELF/VLF电磁波的激发，其主要原因是极区电极流调制主要发生低电离层，而低电离层对X波的吸收系数大，因此加热波采用X波时，电子可获得更多的能量.这与文献(汪枫等，2009)的理论分析结果是一致的；实验期间在不同的时段，对应不同的调制波频率，BX-BO的值不同，即电离层背景和激发频率会影响到加热波极化改变的效果，BX-BO的值在3.6～13.9 dB范围内变化.

图5 加热波极化对ELF/VLF波辐射强度的影响(a)不同加热波极化激发ELF/VLF信号强度对比;(b)不同频率下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 激发频率影响

理论研究(郝书吉等，2013b；汪枫等，2009)指出，随着调制波的频率的增加，在电离层中形成的ELF/VLF辐射源强度减小.考虑到由于电极流调制形成的ELF/VLF辐射源主要位于电离层中，辐射波能量在进入地球-电离层波导中将发生衰减损耗，且衰减强度与传输波的频率有关.为研究激发频率对地面接收到ELF/VLF电磁波强度的影响，选取2017年11月24日13∶05—13∶35UT(实验1，其中Ap=10，Kp=0，F10.7=74)、2018年12月6日15∶45—15∶55UT(实验2，其中Ap=5，Kp=1，F10.7=70)和2019年11月11日12∶45—12∶53UT(实验3，其中Ap=7，Kp=2，F10.7=70)的实验数据，实验期间加热波束都沿垂直方向，加热波极化为X波，采用扫频工作模式，具体参数如表1所示.

表1 激发频率影响实验参数Table 1 Experimental parameters of excitation frequency affect experiments

图6给出了这三次实验的结果.图6表明，激发的ELF/VLF电磁波磁场强度随着激发频率的增大，其强度先增大后整体减小，其最大值出现在2000 Hz附近，这是由于2000 Hz的半波长(75 km)正好与地球-电离层波导宽度相匹配，其传播衰减最小；后面又随激发频率的增大，其幅度整体减小，这是与文献(郝书吉等，2013b；汪枫等，2009)理论研究成果相符的.

图6 ELF/VLF强度随激发频率的变化Fig.6 Variation of ELF/VLF intensity with excitation frequency

2.4 接收位置影响

为研究地面不同位置接收激励的ELF/VLF电磁波强度的差异，选取2018年12月5日(其中Ap=5，Kp=1，F10.7=71)、6日(其中Ap=5，Kp=1，F10.7=70)和10日(其中Ap=11，Kp=2，F10.7=71)实验数据进行分析，实验期间选择两个接收地点同时开展实验，主要实验参数如表2所示.为区分各接收地点数据，分别用B1、B2、B3、B4和B5代表Loca_1、Loca_2、Loca_3、Loca_4和Loca_5的ELF/VLF电磁波磁场强度，用ΔB表示两地磁场强度差值，结果如图7所示.

表2 接收位置影响实验参数Table 2 Experimental parameters of receiving position affects experiments

图7 不同接收地点ELF/VLF信号幅度对比(a)2018年12月5日实验结果;(b)2018年12月6日实验结果;(c)2018年12月10日实验结果.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.

图7a显示，在幅度调制加热下，激发频率为2017 Hz，Loca_3与Loca_5接收到ELF/VLF电磁波强度差值ΔB随时间不断变化，这主要是由于电离层背景随时间不断变化，辐射的电磁波在电离层中的传输参数也随时间不断变化，导致辐射的电磁波强度发生衰落变化，但ΔB变化小于1 dB，即相同频率下，Loca_3与Loca_5接收到ELF/VLF电磁波强度差值小于1 dB；同样在图7b中，不同的激发频率，Loca_2与Loca_3两地ΔB变化小于1 dB，即同一时刻下，Loca_2与Loca_3接收到ELF/VLF电磁波强度差值小于1 dB.考虑到Loca_2、Loca_3和Loca_5离加热系统的距离相接近，因此利用幅度调制加热激励的ELF/VLF电磁波辐射不具有方向性.图7c显示，实验期间Loca_1和Loca_4两地的ΔB值超过12 dB，且激发频率为2517 Hz为ΔB值最小，进一步实验验证了当激发频率为2000 Hz附近时，由于电离层-地球波导谐振其传输衰减最小.同时考虑到调制加热激励的ELF/VLF电磁波辐射不具有方向性，即有辐射波由15 km传输到208 km时，信号幅度衰减超过12 dB.

3 结论与讨论

本文通过对2017—2019年我国在极区利用EISCAT加热系统开展的电极流调制实验数据进行分析，获得了电极流调制加热激发ELF/VLF电磁波强度与加热功率、加热波极化和激发频率的关系，以及不同位置接收ELF/VLF电磁波的差异.分析结果从实验的角度验证了国内相关学者的理论研究成果，具体表现在：

1)随着加热功率等级的增加，电离层电子通过欧姆碰撞吸收能量增加，形成的ELF/VLF辐射源强度增强，即激发的ELF/VLF电磁波强度增强.实验中ELF/VLF电磁波的磁场强度随加热功率变化的功率因子取值范围为0.5～2.3；

2)相对O波，低电离层对X波吸收系数大，加热波采用X波时电子可获得多的能量，因此更有利于ELF/VLF电磁波的激发.实验期间X波激发ELF/VLF电磁波磁场强度与O波的差值在3.6～13.9 dB范围内变化，该差值受到电离层背景和激发频率的影响；

3)随着激发频率的增加，虽在电离层中形成的ELF/VLF辐射源强度减小，但不同频率的辐射波在电离层以及地球-电离层波导中传输参数不一致，导致地面接收到ELF/VLF辐射波强度随激发频率变化也不一致.而2000 Hz的半波长与地球-电离层波导宽度相匹配，实验中接收的ELF/VLF波在2000 Hz附近及其谐波附近具有最大值.

进一步通过对不同位置接收ELF/VLF电磁波的差异分析表明，调制加热形成的ELF/VLF辐射源激励的电磁波在地球-电离层波导中传播不具有方向性，且在远距离传输时，激发频率为2000 Hz附近时传输衰减最小，辐射波由15 km传输到208 km时，信号幅度衰减超过12 dB.最后，必须指出的是，虽然通过电极流调制可以激发ELF/VLF强度最大可达15.2 dBpT，但其激发效率易受到背景电离层状态的影响，导致其强度并不稳定，同时实验结果主要来自近场接收数据，在远距离传输中将进一步衰减，其强度难以保持现在的水平，目前通过调制极区电流调制激发ELF/VLF波的强度与实际应用还有较大的差距，因此如何提升调制加热效率将是该方向未来发展的重要课题.