馬廣林 閆玉波 楊巨濤 呂立斌

(中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266107)

電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射研究

馬廣林 閆玉波 楊巨濤 呂立斌

(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)

研究了電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射效應(yīng). 利用受激布里淵散射匹配條件,結(jié)合國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型,模擬計(jì)算了離子聲波(Ion Acoustic, IA)與靜電離子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron, EIC)頻率隨地理緯度、加熱頻率、波束指向、電子溫度等參數(shù)變化特性,并以我國(guó)海南與美國(guó)高頻主動(dòng)極光研究項(xiàng)目(High Frequency Active Auroral Research Program,HAARP)為例,研究IA與EIC頻率隨緯度的變化．模擬結(jié)果表明:隨著緯度的增加,IA與EIC頻率增大; 與IA頻率相比,EIC頻率隨加熱頻率、波束指向及電子溫度的變化相對(duì)較小;隨加熱頻率的增加高緯地區(qū)IA頻率增大,而低緯地區(qū)基本不變;隨加熱波束指向從南到北變化,海南IA頻率單調(diào)下降,HAARP則為先上升后下降的形態(tài),EIC具有相反的變化;電子溫度越高,IA與EIC頻率越大. 本文模擬結(jié)果可為我國(guó)將來(lái)開展同類實(shí)驗(yàn)提供參考.

電離層加熱;受激布里淵散射;離子聲波;靜電離子回旋波

引 言

受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)是指入射到介質(zhì)中的電磁波(稱為泵波)衰變?yōu)樯⑸涞碾姶挪ㄅc聲波．SBS最早由法國(guó)科學(xué)家布里淵提出,相關(guān)學(xué)者在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)此散射過(guò)程的觀測(cè)與研究．在激光核聚變中,SBS的激發(fā)會(huì)增強(qiáng)后向散射光,造成入射光能量吸收效率的下降[1];利用SBS相位共軛、慢光及濾波等特性,SBS在光纖通信方面具有較大的應(yīng)用前景[2];Fejer[3-4]理論預(yù)測(cè)并證實(shí)了大功率的非相干散射雷達(dá)可在電離層中激發(fā)SBS,并造成離子功率譜的非對(duì)稱性,引入額外的漂移運(yùn)動(dòng)速度反演誤差．

大功率高頻電波加熱電離層作為人工調(diào)控局部電離層的主要手段,自20世紀(jì)70年代以來(lái),在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論研究方面取得了重要進(jìn)展[5],并實(shí)現(xiàn)了SBS效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與研究．SBS散射過(guò)程與電離層加熱激發(fā)的最常見的朗繆爾參量不穩(wěn)定性相比具有明顯的差異性．首先,二者泵波轉(zhuǎn)化過(guò)程不同,雖然它們均為三波相互作用,但朗繆爾參量不穩(wěn)定性使高頻泵波衰變?yōu)楦哳l朗繆爾波與低頻離子聲波等兩種靜電波,離子聲波頻率一般在kHz量級(jí),而SBS使高頻泵波轉(zhuǎn)化為散射的高頻電磁波與低頻靜電波,靜電波頻率在幾十Hz量級(jí)．其次,二者激發(fā)功率閾值存在差別,朗繆爾參量不穩(wěn)定性在小功率情況下即可激發(fā),而 SBS在輻射功率達(dá)百兆瓦量級(jí)時(shí)產(chǎn)生．再次,兩種過(guò)程發(fā)生高度存在差異,朗繆爾參量不穩(wěn)定性主要發(fā)生在高頻泵波的等離子體共振高度,而SBS發(fā)生在等離子體共振高度與上混雜共振高度．SBS激發(fā)的低頻靜電波,除了常規(guī)的離子聲波(Ion Acoustic,IA)外,在電離層磁化等離子體中還會(huì)激發(fā)另一種稱為靜電離子回旋波(Electrostatic Ion Cyclotron, EIC)的靜電波模．Cragin[6]認(rèn)為SBS中泵波與散射波電場(chǎng)共同作用于電子形成的有質(zhì)動(dòng)力與熱壓力是人工擴(kuò)展F形成的主要原因,但未有直接的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證據(jù)．最近,利用高緯地區(qū)歐洲非相干散射聯(lián)合會(huì)[7](Europe Incoherent SCAtter, EISCAT)與美國(guó)高頻主動(dòng)極光研究項(xiàng)目[8](High Frequency Active Auroral Research Program,HAARP)的電離層加熱實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)了SBS效應(yīng)的直接觀測(cè)．Norin[9]在HAARP實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到強(qiáng)度接近泵波反射信號(hào)的窄帶受激電磁輻射現(xiàn)象,首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電離層加熱可激發(fā)SBS．Bernhardt[10]利用電磁波的準(zhǔn)縱近似條件,結(jié)合測(cè)量的IA頻率計(jì)算了加熱區(qū)域電子溫度,并理論預(yù)測(cè)EIC的激發(fā)．Mahmoudian[11]通過(guò)HAARP泵波功率步進(jìn)實(shí)驗(yàn),獲得了激發(fā)SBS的最低有效輻射功率,其中IA的激發(fā)功率閾值約為140 MW,EIC的激發(fā)功率閾值約為800 MW．Fu[12]首次給出EISCAT加熱實(shí)驗(yàn)中SBS觀測(cè)結(jié)果并與HAARP電子回旋諧波加熱時(shí)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較,證實(shí)兩地SBS特性基本一致．Mishin[13]仿真研究了加熱激發(fā)強(qiáng)等離子體湍流效應(yīng),尋常電磁波在SBS作用下形成了強(qiáng)朗繆爾湍流．

研究電離層加熱SBS效應(yīng)對(duì)了解泵波在電離層中的波模轉(zhuǎn)化過(guò)程及加熱區(qū)域電離層狀態(tài)具有重要作用,如基于IA頻率估算加熱區(qū)域電子溫度,利用EIC頻率確定電離層特別是E層的離子成分[14]．目前,國(guó)外學(xué)者側(cè)重于高緯地區(qū)電離層加熱激發(fā)SBS的實(shí)驗(yàn)觀測(cè),而對(duì)SBS特性尚未進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究,且未開展中低緯電離層加熱激發(fā)SBS特性分析．本文基于SBS理論,利用數(shù)值模擬計(jì)算方法,對(duì)比研究高緯與低緯地區(qū)SBS激發(fā)的IA與EIC頻率隨加熱頻率、波束指向、電子溫度等參數(shù)的變化特性．模擬結(jié)果可為我國(guó)未來(lái)開展同類實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究提供參考．

1 電離層加熱激發(fā)SBS理論

大功率高頻電波與等離子體的非線性相互作用會(huì)激發(fā)參量不穩(wěn)定性,在SBS不穩(wěn)定性作用下高頻泵波直接轉(zhuǎn)化為散射的電磁波與低頻靜電波．SBS主要發(fā)生在泵波的上混雜共振高度與等離子體共振高度,在電離層中尋常波可到達(dá)上述共振高度, 而異常波在共振高度之前發(fā)生反射[15],且目前尚未有異常波加熱激發(fā)SBS實(shí)驗(yàn)報(bào)道,因此,本文主要研究在上混雜共振高度上尋常波加熱激發(fā)SBS情況,并假定泵波功率達(dá)到SBS激發(fā)閾值．

受激布里淵散射過(guò)程中的高頻泵波、散射電磁波與低頻靜電波三波頻率與波傳播方向可以由

(1)

所示的動(dòng)量與能量守恒方程確定．式中:ω為波的角頻率;k是波矢量;下標(biāo)0代表泵波;下標(biāo)s代表散射的電磁波;下標(biāo)L代表低頻的靜電波．

低頻靜電波色散方程如

(2)

(3)

式中: +代表EIC;-代表IA波;θ是波傳播方向與地磁場(chǎng)夾角;Ωi為離子回旋角頻率;kL為低頻靜電波的波數(shù);cIA為離子聲速,其表達(dá)式如式(4)所示[16]:

(4)

式中:kB為玻恩斯坦常數(shù);mi為離子質(zhì)量;α是電子與離子溫度之比;Te為電子溫度．

在電離層中傳播的尋常波高頻泵波與散射電磁波色散關(guān)系如式(5)所示[10]:

(5)

式中:ωP是電離層等離子體頻率;Ωe為電子回旋角頻率．

SBS中低頻靜電波頻率一般為幾十Hz,而高頻泵波與散射電磁波的頻率均為MHz量級(jí),散射電磁波頻率幾乎與高頻泵波頻率相等,故有k0=-ks,將其代入式(1),得到kL=2k0,利用此關(guān)系式,式(3)可改寫為

(6)

由式(5)與式(6)可進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,獲得一組離子聲速情況下低頻離子聲波頻率隨電離層等離子體頻率變化曲線,此曲線即為SBS的匹配條件．

利用SBS匹配條件,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的IA頻率可用于估算加熱區(qū)域內(nèi)電子溫度．

在高緯地區(qū),高頻泵波在上混雜共振高度處滿足準(zhǔn)縱近似,式(5)可簡(jiǎn)化為

(7)

另外,在此高度上,泵波頻率與等離子體頻率具有如下關(guān)系式:

(8)

將式(8)代入式(7)得到

(9)

結(jié)合式(4)與式(9),可得到滿足準(zhǔn)縱近似條件下IA頻率與電子溫度之間的解析表達(dá)式:

(10)

在低緯地區(qū),高頻泵波在上混雜共振高度處不滿足準(zhǔn)縱近似條件,無(wú)法獲得電子溫度與IA頻率的解析表達(dá)式．在利用IA頻率估算加熱區(qū)域電子溫度時(shí),必須首先應(yīng)用SBS匹配條件的數(shù)值計(jì)算方法確定離子聲速,使測(cè)量的IA頻率與模擬計(jì)算的上混雜高度上的IA頻率一致,然后再利用式(4)得到加熱區(qū)域電子溫度．在不具備非相干散射雷達(dá)情況下,利用該方法獲得加熱區(qū)域的電子溫度對(duì)中低緯度電離層加熱模型的驗(yàn)證和發(fā)展有重要意義．

2 SBS特性分析

由匹配條件計(jì)算公式(5)、(6)可以看出,SBS激發(fā)的低頻靜電波頻率主要受地磁場(chǎng)、加熱頻率、加熱波束與地磁場(chǎng)夾角、離子聲速等影響．下面分別從地理緯度、加熱頻率、波束指向、電子溫度等方面研究高緯與低緯SBS特性．

2.1 地理緯度

文獻(xiàn)[10]給出了加熱頻率為4.5MHz、尋常波垂直入射加熱,cIA=1 600 m/s時(shí)位于高緯的HAARP(62.39°N,145.15°W,地磁傾角75.5°)激發(fā)SBS的匹配條件．為便于比較,本文采用同樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)模擬計(jì)算了位于低緯的我國(guó)海南(19°N,108°E,地磁傾角約25.6°)地區(qū)的匹配條件,并與文獻(xiàn)[10]進(jìn)行對(duì)比,模擬結(jié)果如圖1所示．其中,頻率負(fù)值代表下移SBS線,又稱為斯托克斯線,正值代表上移SBS線,又稱為逆斯托克斯線,在不考慮電離層運(yùn)動(dòng)情況下,上下移SBS線對(duì)稱．

從圖1可以看出：隨著頻率的增加IA與EIC頻率均降低; 在泵波頻率等于等離子共振頻率的位置,IA頻率接近于0,EIC頻率接近當(dāng)?shù)仉x子回旋頻率; 與高緯HAARP相比,海南IA頻率曲線更加陡峭,EIC頻率變化范圍更大,上混雜共振高度上的IA與EIC頻率均小于HAARP對(duì)應(yīng)數(shù)值．

圖1 海南與HAARP 匹配條件比較(cIA=1 600 m/s)

利用國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)輸出的地磁場(chǎng)強(qiáng)度與地磁傾角,模擬了尋常波加熱時(shí)上混雜共振高度處低頻靜電波頻率隨緯度的變化,其中,所選取的位置位于HAARP所在位置的經(jīng)線上,緯度范圍從10°～80°間隔2°,加熱波束垂直向上,頻率為4.5 MHz、cIA=1 600 m/s,模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示．其中HAARP所在緯度處的IA頻率約為25.7 Hz,EIC頻率約為50.1 Hz,文獻(xiàn)[11]給出HAARP實(shí)驗(yàn)測(cè)量上混雜高度處IA頻率在26 Hz,EIC頻率在50 Hz附近,本文計(jì)算結(jié)果與HAARP實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致．從圖2可以看出, 隨緯度的增加IA與EIC

圖2 低頻靜電波頻率隨緯度的變化

頻率均隨之增大,IA頻率從3.6 Hz變化到27.5 Hz,增加近6倍,EIC頻率由30 Hz增加到51 Hz,增加約0.7倍．在圖2中低頻靜電波頻率隨緯度呈單調(diào)增加形態(tài),因此,在后續(xù)的模擬中,以海南與HAARP為例模擬計(jì)算SBS特性及低緯與高緯差異．

2.2 加熱頻率

圖3為加熱頻率在4～10 MHz垂直加熱時(shí)海南與HAARP在上混雜共振高度上激發(fā)的低頻靜電波頻率,同樣,cIA設(shè)為1 600 m/s．

從圖3可以看出,隨著加熱頻率的增加低頻靜電波頻率增大,但低緯與高緯受影響程度不同．處于低緯地區(qū)的海南IA與EIC頻率受加熱頻率的影響較小,其數(shù)值變化小于1%,而HAARP受加熱頻率的影響較大,特別是IA頻率,其數(shù)值由24.05 Hz變化到34.88 Hz,增加近50%,EIC頻率從50.08 Hz變化到51.23 Hz,其變化約為2.2 %．

圖3 HAARP與海南低頻靜電波頻率隨加熱頻率變化

根據(jù)圖3模擬結(jié)果,其加熱頻率變化對(duì)海南IA與EIC頻率影響不大,因此,如在我國(guó)開展SBS激發(fā)實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可綜合考慮加熱天線陣增益與加熱高度,選擇在加熱高度處能流密度較大的加熱頻率,以利于SBS的激發(fā)．

2.3 波束指向

在上述的計(jì)算中,均假定加熱波束垂直向上輻射,本小節(jié)模擬加熱波束傾斜對(duì)SBS的影響．圖4給出波束在磁子午面內(nèi)從偏南20°(以北為正)到偏北20°變化時(shí)HAARP與海南激發(fā)低頻靜電波頻率的變化．

圖4 HAARP與海南低頻靜電波頻率隨波束指向變化

從圖4可以看出,加熱波束指向?qū)A與EIC的影響不同,IA頻率隨波束指向變化范圍較大,而EIC變化范圍較小．高緯與低緯的變化趨勢(shì)存在差別,海南IA波頻率隨波束指向由10.97 Hz單調(diào)下降到1.09 Hz,下降約90%, EIC頻率基本不變; HAARP低頻靜電波呈拋物型變化,隨著波束指向增加, IA波頻率先增大,當(dāng)波束指向偏南14°即接近地磁場(chǎng)方向后逐漸減小,其數(shù)值由26.97 Hz增加到27.31 Hz,之后降低至18.07 Hz,而EIC變化趨勢(shì)與IA相反,其數(shù)值由原先的49.69 Hz先下降至49.59 Hz,之后上升至51.45 Hz．HAARP與海南變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異的原因是兩地的地磁傾角不同,海南地磁傾角約為25.5°,加熱波束從偏南20°至偏北20°變化時(shí),加熱波束與地磁場(chǎng)夾角單調(diào)增加,而HAARP的地磁傾角約為76°,從偏南20°至偏北20°時(shí),加熱波與地磁場(chǎng)夾角為先減小后增大的變化趨勢(shì)．加熱波束沿地磁場(chǎng)方向時(shí)IA波頻率最大,EIC頻率最?。?/p>

在我國(guó)海南地區(qū)地磁傾角較小,很難實(shí)現(xiàn)沿地磁場(chǎng)方向加熱,根據(jù)IA與EIC增長(zhǎng)率比值之間的關(guān)系[14],海南加熱波束與地磁場(chǎng)的夾角較大,更易激發(fā)EIC波模,因此,實(shí)驗(yàn)可重點(diǎn)關(guān)注位于當(dāng)?shù)仉x子回旋頻率(～38 Hz)附近譜線測(cè)量結(jié)果．

2.4 電子溫度

根據(jù)式(4)離子聲速主要由電離層電子與離子溫度決定,為研究離子聲速對(duì)SBS影響,假定電子溫度從1 000 K變化到3 000 K,電子與離子溫度比α為3．在上述參數(shù)條件下,加熱波束垂直向上、頻率為4.5 MHz時(shí),HAARP與海南模擬結(jié)果如圖5所示．

圖5 HAARP與海南低頻靜電波頻率隨電子溫度變化

根據(jù)圖5,隨著電子溫度的增加,HAARP與海南SBS激發(fā)的IA與EIC頻率均增大,但I(xiàn)A比EIC更明顯,HAARP的IA頻率隨電子溫度變化曲線的斜率要小于海南,因此,在應(yīng)用SBS估算電子溫度中,要獲得相同的電子溫度估算精度,則海南對(duì)頻率分辨率的要求高于HAARP．如在圖5中,假定要獲得100 K的電子溫度估算精度,HAARP對(duì)測(cè)量頻率分辨率要求為0.58 Hz,海南對(duì)頻率分辨率的要求則為0.12 Hz．

3 結(jié)論與討論

本文分析了電離層加熱激發(fā)SBS效應(yīng),給出了SBS匹配條件數(shù)值模擬方法,并結(jié)合IGRF模型研究了高緯與低緯電離層加熱中激發(fā)IA與EIC頻率受參數(shù)變化的影響．模擬結(jié)果表明:

1) 隨著緯度的增加,IA與EIC頻率越大,IA頻率增加更明顯,緯度從10°到80°,IA頻率增加近7倍,我國(guó)海南地區(qū)IA頻率小于10 Hz,EIC頻率約為40 Hz．

2) 隨著加熱頻率的增加低頻靜電波頻率增大,但低緯與高緯受影響程度不同．加熱頻率在4～10 MHz時(shí),海南IA與EIC頻率增加不超過(guò)1%; HAARP的IA頻率增加接近50%,EIC頻率增加約2.2 %．我國(guó)中低緯度地區(qū)的IA和EIC頻率隨加熱頻率的變化較?。?/p>

3) 隨著加熱波束由南向北變化,IA頻率具有比EIC頻率更大的變化范圍,且高緯與低緯具有不同的變化形態(tài)．在加熱波束從南向20°到北向20°,海南IA頻率隨之單調(diào)下降近90%, HAARP的IA頻率呈現(xiàn)先上升后下降的變化,變化約30%; 海南與HAARP的EIC變化小于3%．我國(guó)中低緯地區(qū)EIC波模更易激發(fā)．

4) 電子溫度越高,IA與EIC頻率越大．在利用SBS估算電子溫度中,要得到相同的電子溫度估算精度,則要求海南SBS的頻率分辨率比HAARP高．

上述模擬結(jié)果可為未來(lái)我國(guó)開展電離層加熱激發(fā)SBS的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考,如選擇能流密度較大的加熱頻率開展實(shí)驗(yàn)、優(yōu)先選擇EIC波模作為觀測(cè)對(duì)象、提出估算加熱區(qū)域電子溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備的頻率分辨率要求等．下一步將研究電離層加熱激發(fā)SBS的門限條件、增長(zhǎng)率及利用EIC頻率確定電離層特別是Es層離子種類等問題．

[1] BODNER S E, COLOMBANT D G, GARDNER J H, et al. Direct-drive laser fusion: Status and prospects[J]. Physics of plasma, 1998, 5:1901-1918.

[2] 趙軍發(fā), 楊秀峰, 李元等. 光子晶體光纖中受激布里淵散射慢光研究 [J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(8): 2437-2440.

ZHAO J F, YANG X F, LI Y, et al. Stimulated Brillouin scattering slow light in photonic crystal fiber [J]. Acta optica sinica, 2010, 30(8): 2437-2440. (in Chinese)

[3] FEJER J A. Stimulated Brillouin scattering and incoherent backscatter [J]. Geophysical research letters, 1977, 4(7): 289-290.

[4] FEJER J A, RINNERT K, WOODMAN R. Detection of Stimulated Brillouin scattering by the Jicamarca radar [J]. Journal of geophysical research, 1978, 83(A5): 2133-2136.

[5] 黃文耿,古士芬,龔建村.大功率高頻無(wú)線電波加熱電離層[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 19(3):296-301.

HUANG W G, GU S F, GONG J C. Ionospheric heating by powerful high-frequency radio waves[J]. Chinese journal of radio science, 2004,19(3): 296-301. (in Chinese)

[6] CRAGIN B L, FEJER J A. Generation of artificial spread-F by a collisionally coupled purely growing parametric instability [J]. Radio science, 1977, 12(2):273-284.

[7] RIETVELD M T, KOHL H, KOPKA H, et al. Introduction to ionospheric heating at Troms?-I. experimental overview [J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1993, 55(4/5):577-599.

[8] KENNEDY E, KOSSEY J P. Description of the HAARP Gakona facility with some results from recent research[C]//Proceedings of the 27th URSI General Assembly, 2002.

[9] NORIN L, LEYSER T B, NORDBLAD E, et al. Unprecedentedly strong and narrow electromagnetic emissions stimulated by high-frequency radio waves in the ionosphere[J]. Physical review letters, 2009, 102: 065003.

[10] BERNHARDT P A, SELCHER C A, LEHMBERG R H, et al. Determination of the electron temperature in the modified ionosphere over HAARP using the HF pumped stimulated Brillouin scatter(SBS) emission lines[J]. Annales geophysicae, 2009, 27: 4409-4427.

[11] MAHMOUDIAN A, SCALES W A, BERNHARDT P A, et al. Investigation of ionospheric stimulated Brillouin scatter generated at pump frequencies near electron gyroharmonics[J]. Radio science, 2013, 48: 685-697.

[12] FU H Y, SCALES W A, BERNHARDT P A, et al. Stimulated Brillouin scattering during electron gyro harmonic heating at EISCAT [J]. Annales geophysicae, 2015, 33: 983-990.

[13] MISHIN E, WATKINS B, LEHTINEN N, et al. Artificial ionospheric layers driven by high frequency radiowaves: an assessment [J]. Journal of geophysical research: space physics, 2016, 121:3497-3524.

[14] BERNHARDT P A, SELCHER C A, LEHMBERG R. H, et al. Stimulated Brillouin scatter in a magnetized ionospheric plasma[J]. Physical review letters, 2010, 104: 165004.

[15] GUREVICH A V. Nonlinear effects in the ionosphere [J]. Physics Uspekhi, 2007, 50(11):1091-1121.

[16] 袁敬閎, 莫懷德. 等離子體中的波[M]. 成都:電子科技大學(xué)出版社,1990:68.

馬廣林 (1984-),男,河南人,中國(guó)電波傳播研究所工程師,碩士,研究方向?yàn)殡婋x層加熱理論仿真．

閆玉波 (1973-),男,山東人,中國(guó)電波傳播研究所研究員,博士,研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、目標(biāo)散射特性等．

楊巨濤 (1982-),男,湖南人,中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師,在職博士,研究方向?yàn)殡姴▊鞑ズ碗婋x層加熱理論仿真等．

呂立斌 (1982-),男,河南人,中國(guó)電波傳播研究所高級(jí)工程師,在職博士,研究方向?yàn)殡婋x層加熱及其效應(yīng)等．

Stimulated Brillouin scattering in ionospheric modification

MA Guanglin YAN Yubo YANG Jutao Lü Libin

(KeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The stimulated Brillouin scattering (SBS) in ionospheric modification by high power HF radio waves is studied. Based on momentum and energy conservation equations and dispersion relations, the SBS matching conditions are given briefly. The variations of frequencies of ion acoustic (IA) and electrostatic ion cyclotron (EIC) stimulated by SBS are calculated with different parameters including altitudes, heating frequency, the direction of pumping wave and electron temperature at perturbed region. The different of IA and EIC frequency between low and high latitude are compared taking Hainan and HAARP as examples. The simulation results show that: the stimulated electrostatic low frequency increases as the latitude increases; the frequency of EIC changes less than IA with the variation of heating frequency, the direction of pumping wave and electron temperature at perturbed region; along with increased pump frequency, the IA frequency at high latitude increases, but at low latitude the IA frequency almost keep constant; as the direction of pump wave changes from south to north, the IA frequency in Hainan decreases, but in HAARP it increases until the geomagnetic direction, and the EIC frequency is reverse; the increased electron temperature will increase IA and EIC frequency. These results provide support for our future experiments.

ionospheric modification; stimulated Brillouin scattering; ion acoustic; electrostatic ion cyclotron

10.13443/j.cjors.2016121601

2016-12-16

中國(guó)電科技術(shù)創(chuàng)新基金(A171601C01)

P352; TN011+.2

A

1005-0388(2016)06-1029-07

馬廣林, 閆玉波, 楊巨濤, 等.電離層加熱激發(fā)受激布里淵散射研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(6):1029-1035.

MA G L, YAN Y B, YANG J T, et al. Stimulated Brillouin scattering in ionospheric modification[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(6):1029-1035.(in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016121601

聯(lián)系人： 馬廣林 E-mail:maguanglin409@163.com

DOI 10.13443/j.cjors.2016121601