地球電離層波導(dǎo)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(shí),震前電離層異常監(jiān)測(cè)有望成為短臨地震預(yù)測(cè)的有效方法之一。本文基于FDTD(時(shí)域有限差分法)方法建立了三維地球電離層波導(dǎo)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(shí)際雷暴源和已觀測(cè)的震例分析了震前地—電離層的耦合機(jī)理。
　　本文首先采用FDTD方法推導(dǎo)了三維球坐標(biāo)下的電磁波傳播迭代方程,推導(dǎo)了南北極點(diǎn)不連續(xù)點(diǎn)的迭代方程。在建立一般模型的基礎(chǔ)上引入了地球上的三個(gè)雷暴源,仿真了舒曼諧振波的傳

2、播特性。針對(duì)有損耗和無損耗的情況分別進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)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(shí)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(cè)的電導(dǎo)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(shí)際觀測(cè)的相

3、一致。結(jié)果表明地球電離層電導(dǎo)率對(duì)諧振頻率有很大影響。
　　在上述模型的基礎(chǔ)上本文對(duì)舒曼諧振波的傳播特性進(jìn)行了分析,主要討論了舒曼波的干涉特性。通過計(jì)算各階舒曼波的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)而計(jì)算每一階舒曼的趨膚深度。通過計(jì)算的品質(zhì)因數(shù)修正了討論干涉時(shí)各個(gè)階對(duì)應(yīng)的星球半徑。在討論干涉的基礎(chǔ)上本文對(duì)電磁波的繞地球傳播的繞射也進(jìn)行了分析,結(jié)果表明電磁波在地球電離層傳播過程中確實(shí)存在繞射的情形,其中繞射的結(jié)果就是直達(dá)波和繞射波在接收點(diǎn)發(fā)發(fā)生干涉。電磁波在

4、繞地球傳播過程中還會(huì)在過球?qū)ΨQ點(diǎn)相位發(fā)生90度跳變現(xiàn)象。繞射和過球?qū)ΨQ點(diǎn)相位翻轉(zhuǎn)以及直達(dá)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(shí)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(duì)稱性引入了不對(duì)稱電導(dǎo)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(jié)果同日本觀測(cè)臺(tái)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(qiáng)度改