極區電極流調制實驗研究

楊巨濤，李清亮，郝書吉，陳靚，閆玉波，馬廣林

中國電波傳播研究所,電波環境特性及模化技術重點實驗室，青島 266107

0 引言

電離層電極流調制是指利用幅度調制的大功率高頻(HF)電磁波加熱電離層，振蕩改變電離層電子溫度、碰撞頻率和電導率，從而使擾動區電離層中的電流產生振蕩變化，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加熱系統進行了實驗驗證，成功激發出1.2～7 kHz的ELF/VLF信號.后來，美國、前蘇聯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，以及2007年在阿拉斯加建立的高頻有源極光研究計劃(High Frequency Active Auroral Research Program,簡稱HAARP)，該系統主要研究目的之一就是通過調制加熱的方式在電離層中形成ELF/VLF輻射源，開發全球對潛通信新技術.利用建立的加熱系統，學者們開展了一系列的電離層電流調制實驗，獲得比較引人注目的實驗結果，如：形成ELF/VLF輻射源的功率最大可達269 W(Cohen and Gokowski,2013)；在離加熱系統約4400 km處成功接收到激發的ELF/VLF電磁波(Moore et al.，2007)；在與加熱系統附近站點進行信息傳輸時傳輸速率最大可達800 bps(Jin et al.，2013)等.同時，為提升調制效率，學者們在幅度調制的基礎上，相繼提出了快速掃描(Papadopoulos et al.，1990)、預加熱(Milikh and Papadopoulos,2007)、幾何調制(Cohen et al.，2010)等技術.

國內學者從20世紀90年代開展調制加熱研究，如從電子能量方程出發，建立了中低緯度地區幅度調制加熱模型(陳志雨和夏明耀，1996；李清亮等，2008)，分析了人工調制電極流形成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).但由于缺乏實驗條件，國內學者對于電離層調制加熱的研究僅僅涉及理論研究層面.2005年，中國正式加入歐洲非相干散射協會組織(EISCAT)，并利用EISCAT加熱系統先后開展多次電離層加熱實驗，但實驗關注的重點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制電極流試驗.

本文給出了2017—2019年我國利用EISCAT加熱系統開展電離層調制電極流實驗的主要結果.首先給出了實驗的加熱設施、實驗參數以及實驗總體情況；然后，在此基礎上，分析加熱波功率和極化，以及激發頻率和接收位置對調制加熱激發的ELF/VLF電磁波強度影響，并結合以往理論研究結果，給出了相應的結論.

1 實驗描述

2017—2019年利用EISCAT(69.583°N，19.233°E)加熱系統(程木松等，2014)開展了三次極區電極流調制實驗，實驗主要采用天線陣1和天線陣2，采用天線陣列1時加熱頻率(f0)為5.432 MHz，最大有效輻射功率為500 MW，采用天線陣列2時f0為4.04 MHz，最大有效輻射功率可達160 MW；幅度調制波為正弦波或者半波整形波，當調制波的頻率低于4017 Hz時，調制波采用半波整形波調制，否則采用正弦波調制.實驗期間診斷設備包括電離層垂測儀、磁力計和ELF/VLF接收機.其中電離層垂測儀位于EISCAT加熱站內，用于獲取背景電離層電子密度剖面和臨界頻率；磁力計位于特羅姆瑟大學，用來測量實驗期間地磁場變化，其數據可從其網站(http:∥flux.phys.uit.no/geomag.html)下載；ELF/VLF接收機由德國Metronix公司生產的大地電磁儀和數據處理計算機組成，可實現0.001 Hz～50 kHz范圍內電場與磁場測量.根據實驗項目的不同，ELF/VLF接收機分別放置于離加熱系統以東(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.三次實驗一共進行了21 d，獲得約20 h有效數據，激發ELF/VLF波頻率范圍是518～10017 Hz，若以30 s數據為1個數據包，則各數據磁場強度(B)分布如圖2所示.從圖2可以看出實驗期間激發ELF/VLF電磁波磁場強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，這是由于電離層調制加熱激發ELF/VLF電磁波強度與加熱功率、加熱波極化、激發頻率等參數有關，而每次實驗這些參數都存在差異，因此以下在針對電極流調制加熱激發ELF/VLF波的各種特性分析時，將對所采用的加熱參數進行分別說明.

圖1 實驗接收點布局Fig.1 Experimental receiver layout

圖2 地面接收ELF/VLF電磁波磁場強度分布Fig.2 Magnetic field intensity distribution of ELF/VLF electromagnetic waves received on the ground

2 實驗數據分析

2.1 加熱功率影響

為研究加熱功率對ELF/VLF波輻射強度的影響，選取2017年 11月22日15∶00～16∶40UT時段開展變加熱功率等級的調制實驗，其中Ap=10，Kp=2，F10.7=73，實驗期間加熱波極化為X波，加熱波束沿地磁方向，調制波頻率為518 Hz和2017 Hz交替開展，加熱功率(PHF)與加熱系統滿功率(PA)滿足PHF=δp×PA，其中δp為功率比例系數，按10%-30%-50%-80%-100%依次變換，每個功率等級工作2 min，ELF/VLF接收機位于Loca_1，f0在4.04 MHz與5.432 MHz兩個頻率交替使用，每個頻率間隔5 min.磁力計結果顯示實驗期間與自然電流相關的地磁場水平分量的相對變化量穩定維持在100 nT，即實驗期間背景自然電流相對穩定；垂測儀結果顯示E層的臨界頻率約為2.0 MHz，即實驗期間采用的4.04 MHz和5.432 MHz加熱頻率均超過E層的臨界頻率.

圖3給出了實驗期間ELF/VLF電磁波磁場幅度(B)隨加熱功率等級的變化，圖3a對應激發頻率為518 Hz，圖3b對應激發頻率為2017 Hz.圖3表明，隨著加熱功率等級的增加，ELF/VLF信號幅度增加，其主要原因是由于隨著加熱功率等級的增加，調制加熱周期內電子通過歐姆碰撞吸收能量增加，導致電子溫度振蕩變化的幅度增加，即形成的ELF/VLF輻射源強度增加，輻射的ELF/VLF信號也就增強了，這與文獻(汪楓等，2009;Papadopoulos et al.,1990)的理論研究結果是一致的；對比f0為5.432 MHz和4.04 MHz激發的ELF/VLF強度可以發現，雖然f0為5.432 MHz時PA高于f0為4.04 MHz的情況，但4.04 MHz和5.432 MHz遠超E層的臨界頻率，根據文獻(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輻射源強度迅速降低，因此加熱頻率增加導致在該實驗期間大多數情況下，f0為5.432 MHz激發ELF/VLF電磁波強度要弱于f0為4.04 MHz的情形.Papadopoulos等(1990)指出，在幅度調制加熱下，激發ELF/VLF電磁波磁場強度與加熱功率滿足：

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

(1)

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

圖4 實驗期間n隨功率等級變化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ELF/VLF電磁波輻射強度的影響，選取2017年11月15日15∶00～16∶40UT時段開展變加熱波極化的電極流調制實驗數據，其中Ap=14，Kp=4，F10.7=74，實驗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，實驗以45 min為一個周期，每個周期分別激發517 Hz、2017 Hz和5017 Hz三個頻率信號，每個頻率工作10 min然后加熱關閉5 min.考慮到極化改變在10 min以內，電離層背景變化不會很大，因此不需考慮背景電離層參數(地磁變化、電離層狀態等)變化對不同極化對比結果的影響，ELF/VLF接收機位于Loca_1.

圖5給出了本次實驗結果，其中圖5a對應第一個周期(14∶00～14∶45)不同加熱波極化激發ELF/VLF信號強度對比，圖5b給出實驗期間不同頻率下加熱波極化分別為X波激發信號幅度(BX)與O波激發信號幅度(BO)的差值(BX-BO).圖5表明，在幅度調制加熱中，相對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，其主要原因是極區電極流調制主要發生低電離層，而低電離層對X波的吸收系數大，因此加熱波采用X波時，電子可獲得更多的能量.這與文獻(汪楓等，2009)的理論分析結果是一致的；實驗期間在不同的時段，對應不同的調制波頻率，BX-BO的值不同，即電離層背景和激發頻率會影響到加熱波極化改變的效果，BX-BO的值在3.6～13.9 dB范圍內變化.

圖5 加熱波極化對ELF/VLF波輻射強度的影響(a)不同加熱波極化激發ELF/VLF信號強度對比;(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 激發頻率影響

理論研究(郝書吉等，2013b；汪楓等，2009)指出，隨著調制波的頻率的增加，在電離層中形成的ELF/VLF輻射源強度減小.考慮到由于電極流調制形成的ELF/VLF輻射源主要位于電離層中，輻射波能量在進入地球-電離層波導中將發生衰減損耗，且衰減強度與傳輸波的頻率有關.為研究激發頻率對地面接收到ELF/VLF電磁波強度的影響，選取2017年11月24日13∶05—13∶35UT(實驗1，其中Ap=10，Kp=0，F10.7=74)、2018年12月6日15∶45—15∶55UT(實驗2，其中Ap=5，Kp=1，F10.7=70)和2019年11月11日12∶45—12∶53UT(實驗3，其中Ap=7，Kp=2，F10.7=70)的實驗數據，實驗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，具體參數如表1所示.

表1 激發頻率影響實驗參數Table 1 Experimental parameters of excitation frequency affect experiments

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

圖6 ELF/VLF強度隨激發頻率的變化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的ELF/VLF電磁波強度的差異，選取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)實驗數據進行分析，實驗期間選擇兩個接收地點同時開展實驗，主要實驗參數如表2所示.為區分各接收地點數據，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電磁波磁場強度，用ΔB表示兩地磁場強度差值，結果如圖7所示.

表2 接收位置影響實驗參數Table 2 Experimental parameters of receiving position affects experiments

圖7 不同接收地點ELF/VLF信號幅度對比(a)2018年12月5日實驗結果;(b)2018年12月6日實驗結果;(c)2018年12月10日實驗結果.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，在幅度調制加熱下，激發頻率為2017 Hz，Loca_3與Loca_5接收到ELF/VLF電磁波強度差值ΔB隨時間不斷變化，這主要是由于電離層背景隨時間不斷變化，輻射的電磁波在電離層中的傳輸參數也隨時間不斷變化，導致輻射的電磁波強度發生衰落變化，但ΔB變化小于1 dB，即相同頻率下，Loca_3與Loca_5接收到ELF/VLF電磁波強度差值小于1 dB；同樣在圖7b中，不同的激發頻率，Loca_2與Loca_3兩地ΔB變化小于1 dB，即同一時刻下，Loca_2與Loca_3接收到ELF/VLF電磁波強度差值小于1 dB.考慮到Loca_2、Loca_3和Loca_5離加熱系統的距離相接近，因此利用幅度調制加熱激勵的ELF/VLF電磁波輻射不具有方向性.圖7c顯示，實驗期間Loca_1和Loca_4兩地的ΔB值超過12 dB，且激發頻率為2517 Hz為ΔB值最小，進一步實驗驗證了當激發頻率為2000 Hz附近時，由于電離層-地球波導諧振其傳輸衰減最小.同時考慮到調制加熱激勵的ELF/VLF電磁波輻射不具有方向性，即有輻射波由15 km傳輸到208 km時，信號幅度衰減超過12 dB.

3 結論與討論

本文通過對2017—2019年我國在極區利用EISCAT加熱系統開展的電極流調制實驗數據進行分析，獲得了電極流調制加熱激發ELF/VLF電磁波強度與加熱功率、加熱波極化和激發頻率的關系，以及不同位置接收ELF/VLF電磁波的差異.分析結果從實驗的角度驗證了國內相關學者的理論研究成果，具體表現在：

1)隨著加熱功率等級的增加，電離層電子通過歐姆碰撞吸收能量增加，形成的ELF/VLF輻射源強度增強，即激發的ELF/VLF電磁波強度增強.實驗中ELF/VLF電磁波的磁場強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O波，低電離層對X波吸收系數大，加熱波采用X波時電子可獲得多的能量，因此更有利于ELF/VLF電磁波的激發.實驗期間X波激發ELF/VLF電磁波磁場強度與O波的差值在3.6～13.9 dB范圍內變化，該差值受到電離層背景和激發頻率的影響；

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

進一步通過對不同位置接收ELF/VLF電磁波的差異分析表明，調制加熱形成的ELF/VLF輻射源激勵的電磁波在地球-電離層波導中傳播不具有方向性，且在遠距離傳輸時，激發頻率為2000 Hz附近時傳輸衰減最小，輻射波由15 km傳輸到208 km時，信號幅度衰減超過12 dB.最后，必須指出的是，雖然通過電極流調制可以激發ELF/VLF強度最大可達15.2 dBpT，但其激發效率易受到背景電離層狀態的影響，導致其強度并不穩定，同時實驗結果主要來自近場接收數據，在遠距離傳輸中將進一步衰減，其強度難以保持現在的水平，目前通過調制極區電流調制激發ELF/VLF波的強度與實際應用還有較大的差距，因此如何提升調制加熱效率將是該方向未來發展的重要課題.