地球電離層波導系統(tǒng)中電磁波傳播建模與仿真.pdf

1、震前電離層發(fā)生異常已經(jīng)被眾多震例所證實,震前電離層異常監(jiān)測有望成為短臨地震預測的有效方法之一。本文基于FDTD(時域有限差分法)方法建立了三維地球電離層波導系統(tǒng)模型,分析了該諧振腔電磁波的傳播特性。通過引入實際雷暴源和已觀測的震例分析了震前地—電離層的耦合機理。
　　本文首先采用FDTD方法推導了三維球坐標下的電磁波傳播迭代方程,推導了南北極點不連續(xù)點的迭代方程。在建立一般模型的基礎上引入了地球上的三個雷暴源,仿真了舒曼諧振波的傳

2、播特性。針對有損耗和無損耗的情況分別進行了仿真分析。仿真結果表明,在無損耗的情形下舒曼諧振波的諧振頻率一階是10.6Hz、二階18.4Hz、三階26Hz、四階33.5Hz以及五階41.1Hz。在實際情況下由于地球表面和電離層之間是有損耗的,所以本文把現(xiàn)有觀測的電導率引入到模型中,分析了有損耗情形下舒曼諧振的特征頻率,該特征頻率表明一階是7.8Hz、二階14Hz、三階20.2Hz、四階26.5Hz以及五階32.5Hz,這些值同實際觀測的相

3、一致。結果表明地球電離層電導率對諧振頻率有很大影響。
　　在上述模型的基礎上本文對舒曼諧振波的傳播特性進行了分析,主要討論了舒曼波的干涉特性。通過計算各階舒曼波的品質因數(shù)進而計算每一階舒曼的趨膚深度。通過計算的品質因數(shù)修正了討論干涉時各個階對應的星球半徑。在討論干涉的基礎上本文對電磁波的繞地球傳播的繞射也進行了分析,結果表明電磁波在地球電離層傳播過程中確實存在繞射的情形,其中繞射的結果就是直達波和繞射波在接收點發(fā)發(fā)生干涉。電磁波在

4、繞地球傳播過程中還會在過球對稱點相位發(fā)生90度跳變現(xiàn)象。繞射和過球對稱點相位翻轉以及直達波和繞射波的球面距離決定了干涉的效果,直接影響了諧振腔的諧振頻率譜峰。
　　在討論了干涉的前提下本文引入了實際的雷暴源和已有的地震震例并且根據(jù)東西半球的不對稱性引入了不對稱電導率模型。在震源附近通過引入電離層不規(guī)則體的方法仿真了震前舒曼諧振異常的情形。仿真結果同日本觀測臺灣的震前舒曼諧振異常相一致,其中異常表征為舒曼波諧振頻率發(fā)生偏移諧振強度改