Analysis of the characteristics of modulated heating radiation wave in the high latitude ionosphere
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摘要: 基于2017—2019年我国利用欧洲非相干散射（European Incoherent Scatter，EISCAT）科学联合会加热装置开展电离层调制加热的实验数据，分析获得了高纬度电离层调制加热激励ULF/VLF电磁波辐射特性. 实验采用自然电流调制和双频双波束调制两种加热模式，分析两种加热模式下加热功率、加热波极化、辐射频率和地磁扰动对ULF/VLF电磁波强度的影响. 研究结果表明：激励辐射波强度与加热功率近似成正比例关系，自然电流调制和双频双波束调制激励辐射波的功率比例系数分别约为1.7和2.1；相对O波极化方式，加热波采用X极化波更有利于激励ULF/VLF电磁波辐射；随着辐射波频率的增加，辐射波强度先增加后减小，自然电流调制激励辐射波强度最大值出现在2 kHz附近，双频双波束调制激励辐射波强度最大值出现在8~14 kHz；自然电流调制加热激励辐射源强度依赖于电离层中自然电流的大小，而双频双波束调制激励辐射波强度与自然电流强弱相关性较小. 最后，针对目前电离层调制加热的热点问题−双频双波束调制加热形成ULF/VLF辐射源到底处于电离层中什么位置，采用实验和理论相结合的分析方法，对比两种加热模式激励ULF/VLF电磁波传播特性的差异，结果表明双频双波束调制模式辐射源的传播特性更加符合辐射源位于F层情形.Abstract: This paper presents the radiation characteristics of ULF/VLF electromagnetic wave excited by the ionospheric modulated heating in the high-latitude based on the experimental data of the ionospheric modulated heating conducted by Chinese scientific researchers using the European Incoherent Scatter (EISCAT) heating facility in 2017−2019. The effects of heating power, heating wave polarization, radiation frequency and geomagnetic disturbance on the electromagnetic wave intensity of ULF/VLF under two modulated heating modes of natural current modulation (AM) and dual-frequency double-beam modulation (BW) are experimentally analyzed. The results show that the intensity of the excitation radiation wave is approximately proportional to the heating power, and the power ratio coefficients of AM and BW are about 1.7 and 2.1, respectively. The heating wave employed with X wave is more beneficial to stimulate ULF/VLF electromagnetic wave radiation when compared to employing O wave. With the increase of the radiation wave frequency, the intensity of the radiation wave first increases and then decreases, but the maximum intensity of the radiation wave excited by AM and BW heating occur at 2 kHz and 8−14 kHz, respectively. The intensity of the radiation source excited by AM depends on the magnitude of the natural current in the ionosphere, while the intensity of the radiation wave excited by BW has little correlations with the intensity of the natural current. Finally, in perspective of the current hot issue of ionospheric modulation heating, the question of where is the location of the BW source in the ionosphere is raised. The differences in the propagation characteristics of ULF/VLF electromagnetic waves excited by two modulated heating modes are compared by combining the experimental and theoretical analysis methods. It is confirmed that the radiation source formed in the BW mode is likely to be located in the F region, which is different from the AM mode.
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0 引 言
按照我国无线电频率划分规定， 300~3 000 Hz为ULF，3~30 kHz为VLF. 频率低于30 kHz 的电磁波波长长，地/海面与电离层对于该频段属于良好的反射面，远距离传输传播衰减小，同时又对海水具有一定的穿透能力，是海军的战略通信频段. 但有效的电磁波发射天线尺寸应与电磁波的波长可比拟，所以地基ULF/VLF发射台站规模巨大，且发射效率低.
随着等离子物理相关理论的发展，1973年Willis等人[1]提出利用自然电流调制加热激励ULF/VLF电磁波辐射，其原理是利用幅度调制的HF波加热电离层，振荡改变电离层电子温度和电导率，使加热区域内自然电流按调制波频率周期振荡变化，形成ULF/VLF辐射源. 随后，Getmantsev等人[2]利用地面大功率HF加热装置对Wills等人[1]的理论进行了实验验证，实验首次成功激励出1.2~7 kHz的ULF/VLF电磁波. 实验的成功吸引了大量学者从事这项研究工作，通过几十年的理论与实验研究，获得了许多令人振奋的结果：地面接收ULF/VLF电磁波磁场强度超过20 pT，辐射源功率约为269 W[3]；在离加热装置约4 461 km处成功接收到辐射的ULF信号[4]；利用调制加热激励ULF/VLF电磁波进行近距离传输实验中，最高传输速率可达800 bit/s[5]，等等. 但学者们也发现，ULF/VLF电磁波强度受背景电离层参数影响非常大，尤其受自然电流/电场强度的影响，通常情况下它们之间存在强相关. 而电离层中自然电流分布不均匀且不稳定，导致位于中低纬度的Arecibo加热实验中激励ULF/VLF电磁波强度通常比位于高纬度地区的美国高频主动极光研究项目（High Frequency Active Auroral Research Program, HAARP）和欧洲非相干散射（European Incoherent Scatter, EISCAT）科学联合会实验低两个数量级，以及在同一位置不同时间辐射电磁波强度变化最大可达3个数量级以上，导致该技术难以在应用上有所突破. 为改善ULF/VLF电磁波激励效果，学者们相继提出快速扫描[6]、几何调制[7]、预加热[8-9]、双频双波束加热[10-12]等方法，其中快速扫描、几何调制和预加热方法都是基于自然电流调制原理的加热方式进行改进，其本质仍属于自然电流调制，并不能解决电离层自然电流和电场不利条件下ULF/VLF电磁波有效生成问题. 双频双波束调制加热原理是采用两束HF电磁波同时作用电离层同一区域，两束电磁波相互作用形成组合频率波，导致电离层中电子温度、电流等参量按照两束高频电磁波的差频或和频扰动，辐射的差频信号即为所对应的ULF/VLF电磁波信号.
双频双波束调制加热模式最早由Barr等人[10]提出，但由于当时实验条件的限制，辐射出的ULF/VLF电磁波强度远小于自然电流调制模式，且认为该模式本质上就是拍波幅度调制自然电流，导致该技术未受到大家的关注. 近年来，随着HAARP实验的发展，发现在背景自然电流较弱的夜间，利用双频双波束调制加热方法可获得较强的ULF/VLF电磁波辐射. 随后，Kuo等人[11]利用有质动力非线性加热理论定性解释了双频双波束激励ULF/VLF电磁波辐射原理，并建立了相应的理论仿真模型，从理论上指出激励的ULF/ULF辐射源位于F层. 但Moore等人[13]利用时间到达技术指出地面接收到的ULF/VLF电磁波主要来自D层， Cohen等人[14]建立的D层碰撞吸收理论模型证实了这一结论，并指出Kuo等人[11]基于质动力非线性加热理论解释F层双频双波束加热具有一定的合理性，但仍需要进一步验证. Tereshchenko等人[15]通过分析激励的ULF/VLF电磁波多普勒频移推算辐射源的移动速度与D层中性风速一致，推断出辐射源位于D层这一观点. 因此，双频双波束调制加热激励的ULF/ULF辐射源位于D层还是F层目前仍存在争议.
国内学者从20世纪90年代就开展电离层调制加热激励ULF/VLF电磁波理论研究[16-17]，但相关研究主要针对自然电流调制，理论仿真表明位于中低纬度地区的我国采用自然电流调制激励的ULF/VLF电磁波强度极弱. 2018年，杨巨涛等人[12]基于高电离层质动力非线性加热理论，引入差频双波束概念，建立了双频双波束调制加热理论仿真模型，仿真表明：中低纬度地区，在相同的条件下，相对于自然电流调制，采用双频双波束加热方式ULF/VLF电磁波强度可提升10 dB以上. 由于缺乏实验条件，相关研究仅涉及理论研究层面，没有得到实验验证.
本文给出了2017—2019年我国利用EISCAT加热系统开展电离层调制加热激励ULF/VLF电磁波辐射的实验结果. 首先对实验的整体情况进行介绍；然后分析加热功率、辐射频率、加热波极化和地磁扰动对ULF/VLF电磁波强度的影响，并对相应结论进行理论解释；最后基于星-地联合探测数据，结合全波法，从理论与实验的角度对ULF/VLF辐射源在电离层中的位置进行验证.
1 实验介绍
我国利用EISCAT加热系统开展的电离层调制加热实验，时间集中在冬季，分别为2017-11-10—29、2018-11-27—12-11和2019-11-11—28. 冬季电离层临界频率较低，主要选用工作频率（3.85~5.65 MHz）较低的2号加热天线阵，该天线阵由6×6交叉偶极子天线沿南-北方向排列组成. 自然电流调制方法，加热系统频率f0=4.04 MHz，实验期间辐射频率f包括517 Hz、518 Hz、529 Hz、1 005 Hz、1 017 Hz、1 018 Hz、2 003 Hz、2 017 Hz、2 517 Hz、3 017 Hz、3 517 Hz、4 017 Hz、4 517 Hz、5 017 Hz、5 517 Hz、6 017 Hz、6 517 Hz、7 017 Hz、7 517 Hz、8 012 Hz和10 017 Hz共21个频率；双频双波束调制方法，加热天线阵按南-北方向平均分阵，其中北边子阵工作频率F1=f0±f，南边子阵工作频率F2=f0，辐射频率f包括517 Hz、518 Hz、1 018 Hz、2 003 Hz、2 017 Hz、3 017 Hz、3 517 Hz、4 006 Hz、4 017 Hz、5 017 Hz、6 017 Hz、8 012 Hz、8 017 Hz、9 517 Hz、10 017 Hz、11 017 Hz、12 017 Hz、13 017 Hz、14 017 Hz、15 017 Hz、18 012 Hz、18 017 Hz、19 017 Hz、22 017 Hz、26 017 Hz和29 017 Hz共26个频率. 此外，分别采用位于EISCAT站内的电离层垂直探测仪和位于特罗姆瑟大学内的磁力计监测电离层状态和地磁场变化. ULF/VLF接收机位于EISCAT站以东15 km位置，同时在2019年首次利用我国地磁监测卫星“张衡一号”（China Seismo-Electromagnetic Satellite, CSES）在过境时对实验期间辐射的ULF/VLF信号进行监测.
三次实验共获得约50 h的实验数据. 图1给出了实验期间地面接收到的ULF/VLF磁场强度分布，可以看出：实验期间采用自然电流调制和双频双波束调制获得的最大辐射波强度分别为15.2 dBpT、−2.7 dBpT，对应的频率为2 017 Hz和8 017 Hz；实验期间加热参数和背景参数的差异，导致ULF/VLF磁场强度的变化范围非常大；当辐射波频率低于4 000 Hz时，自然电流调制激励的ULF/VLF电磁波强度高于双频双波束调制，而当辐射频率高于8 000 Hz，前者激励的ULF/VLF电磁波强度低于后者. 下面将针对特定参数条件下，两种调制加热模式激励的ULF/VLF电磁波的特性进行分析，并对比两者之间的差异. 为了简便说明，自然电流调制模式用AM表示，双频双波束调制模式用BW表示.
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图 1 2017—2019年EISCAT调制加热地面接收结果Fig. 1 Ground reception results of EISCAT modulation heating experiment from 2017 to 20192 实验结果分析
2.1 加热功率影响
选用2017-11-22T16:00 — 16:10UT （AM）和17:14—17:24UT（BW）实验数据对加热功率影响进行分析. 实验期间，f0为4.04 MHz，f为2 017 Hz，加热波极化方式为X波，即双频双波束加热模式下F1=4.04 MHz+2017 Hz，F2=4.04 MHz，加热系统功率按16 MW、48 MW、80 MW、128 MW和160 MW依次变换，每个功率等级工作2 min.
图2给出了实验期间电离层垂直探测仪的探测结果，其为典型的夜间电离图：电离层D/E层消失，同时F层存在明显的扩散吸收.
图3给出了ULF/VLF电磁波强度随加热功率的变化，可以看出，AM与BW两种模式下激励辐射波强度与加热功率P近似成正比例线性关系，比例系数分别约为1.7和2.1. 导致这种现象的主要原因是加热功率等级越高，进入电离层中的电磁波能流密度越强，调制加热过程中电子吸收的能量越高，激励形成的ULF/VLF电磁波强度也越强，这与文献[12]的理论仿真和文献[18]的实验结果是一致的.
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图 2 功率变化实验期间垂直探测仪探测结果Fig. 2 Detection results of vertical ionosonde during power change experiment2.2 加热波极化影响
选用2017-11-15（AM）和16日（BW）实验数据来研究加热波极化对ULF/VLF电磁波辐射强度的影响. 实验以45 min为一个周期，每个周期分别激励517 Hz、2 017 Hz和5 017 Hz三个频率信号，每个频率工作10 min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，可不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，结果如图4所示。可以看出，两种调制加热模式下，X波激励的ULF/VLF电磁波强度高于O波，即X波更有利于激励辐射ULF/VLF电磁波，其主要原因是形成ULF/VLF电磁波辐射源的本质是通过调制振荡改变电子温度，而X波加热可使得电子吸收更多的能量去改变电子温度，从而可辐射更强的ULF/VLF电磁波. 此外，对于AM模式，不同的辐射频率两种极化方式激励的电磁波强度差值维持在8~9 dB；但对于BW模式，辐射频率会影响到两种极化方式激励的电磁波强度差值，如辐射频率为517 Hz、2 017 Hz和5 017 Hz时，平均强度差值分别约为5 dB、11 dB和9 dB.
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图 4 加热波极化对辐射波强度的影响Fig. 4 Effect of heating wave polarization on radiation wave intensity2.3 辐射频率影响
电离层调制加热期间，电离层参数的振荡频率与辐射波频率f相同，因此f不仅会影响到辐射源的强度，同时由于辐射源位于电离层中，不同频率的电磁波在电离层中的传输衰减也不一样，导致地面接收到的不同辐射频率的ULF/VLF电磁波强度存在差异. 选取2017-11-24T13:05—13:35UT（AM）和2019-11-11T14:00—14:10UT（BW）的实验数据来研究辐射频率对辐射波强度的影响. 采用X波扫频工作模式，AM模式加热波频率为4.04 MHz，f分别为518 Hz、1 018 Hz、2 017 Hz、2 517 Hz、3 017 Hz、3 517 Hz、4 017 Hz、4 517 Hz、5 017 Hz、5 517 Hz、6 017 Hz、6 517 Hz、7 017 Hz、7 517 Hz和10 017 Hz，每个频率工作1 min 55 s，频率之间间隔5 s；BW模式F1=4.04 MHz，F2=4.04 MHz+f，f分别为2 003 Hz、4 006 Hz、6 017 Hz、8 012 Hz、10 017 Hz、14 017 Hz、18 012 Hz、22 017 Hz、26 017 Hz以及29 017 Hz，每个频率工作55 s，频率之间间隔5 s. 实验结果如图5所示，可以看出，在AM模式下辐射波强度随辐射频率增大先增大后整体下降，强度最大值出现在频率为2 017 Hz处，其原因是地球-电离层波导高度为60~80 km，与2 017 Hz的半波长相匹配，使得该频率电磁波传播衰减最小[19]. 但随着辐射频率的增大，单个加热周期内加热时间减小，调制加热激励的ULF/VLF辐射源强度就弱，使得辐射波强度随着辐射频率的增大而降低[19-21]；BW模式激发与AM模式一样，随辐射波频率的增大，辐射波强度先增大后减小，但其最大值位于8~14 kHz，这主要是两种加热模式形成ULF/VLF辐射源的位置不一样. 此外，当辐射波频率超过4 kHz时，BW模式辐射波强度超过AM模式，与图2的统计结果是一致的，也与文献[12]的理论结果及文献[11,22]的实验结果一致.
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图 5 辐射波强度随辐射频率的变化Fig. 5 The variation of radiation wave intensity with radiation frequency2.4 地磁扰动影响
BW模式理论研究上的一个重要分歧是辐射的ULF/VLF电磁波强度是否依赖于电离层自然电流，能否在自然电流较弱的时段激励较强的ULF/VLF电磁波. 但实验期间通过直接的手段去测量自然电流强度是非常困难的. 通常电离层中自然电流的强弱可以用地磁场水平分量的相对扰动量（|∆H|）来体现[22-24]，即|∆H|值越大，相应的自然电流强度越强；反之，|∆H|值越小，对应的自然电流强度越弱. 因此，通过研究地磁扰动对ULF/VLF电磁波强度的影响，可侧面反映出双频双波调制加热对电离层自然电流的依赖性. 选取2017-11-21T19:10—22:10UT（AM）和2018-12-3T10:00—15:00UT（BW）实验数据. AM模式实验以30 min为1个周期，f按1 018 Hz-3 017 Hz-1 018 Hz-3 017 Hz-2 017 Hz依次变化，每个频率工作5 min，最后5 min系统关闭. BW模式f为2 017 Hz，加热周期为5 min开5 min关. 两种模式加热波极化均为X波，f0为4.04 MHz. 图6给出了两种加热模式下辐射波强度和水平地磁相对扰动随时间变化的对应关系.
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图 6 辐射波强度与水平地磁相对扰动相关性Fig. 6 Correlation between radiation wave intensity and horizontal geomagnetic relative disturbance在图6(a)中，AM模式加热实验期间|∆H|值变化较大，其最大值达到280 nT，同时1 018 Hz、3 017 Hz和2 017 Hz三个频率信号强度随时间变化趋势与|∆H|的变化趋势基本一致，表明ULF/VLF信号强度与|∆H|正相关，即通过AM模式加热形成ULF/VLF辐射源强度依赖于电离层中自然电流的大小，这与以往的研究结论[23,25]是一致的. 在图6(b)中，BW模式加热实验期间地磁场相对平静，大多数实验时段|∆H|小于25 nT，仅在14:30以后，出现|∆H|较大的突增，最大值达到了126 nT. 实验不仅出现了文献[11]中地磁扰动较弱时段辐射ULF/VLF波的幅度高于地磁扰动较强时段的实验现象，如10:30—11:30时段ULF/VLF信号强度明显高于12:00—13:00时段；还出现文献[15]中地磁扰动较强时段辐射ULF/VLF波的幅度高于地磁扰动较弱时段的实验现象，如14:00—15:00时段ULF/VLF信号强度明显高于其他实验时段. 结果表明，通过BW模式辐射的ULF/VLF波强度变化趋势与|∆H|的变化趋势相关性较差，即BW模式并不像AM模式一样在调制加热过程中对电离层中自然电流大小具有较强的依赖性.
3 讨 论
虽然上述实验结果不能证实利用BW加热模式激励的ULF/VLF电磁波辐射不依赖于自然电流，但可确定是在自然电流较弱电离层背景下，如低电离层的电离减弱、地磁相对平静等，利用BW加热模式能获较强的ULF/VLF电磁波辐射. 下面我们将针对BW加热理论与实验研究中“辐射源位于电离层哪个区域”这一争论性问题进行讨论分析.
2019-11-21T13:47:00—13:50:00UT地面和CSES卫星同时接收ULF/VLF电磁波信号进行BW辐射源位置实验. 实验采用AM和BW两种加热方式交替开展，每种方式工作30 s，前30 s为AM调制，后30 s为BW调制，f为2 017 Hz，加热波极化为X波. 地面接收机用于接收辐射的ULF/VLF电磁波磁场信号，CSES电场仪用于接收辐射的ULF/VLF电磁波电场信号. 与Demeter卫星工作方式一样，为保护卫星上设备，CSES卫星经过地理纬度>65°N或>65°S的区域时卫星上探测设备关闭. 卫星轨迹及各点位置关系如图7所示，卫星仅在13:37:30—13:49:00观测到辐射的ULF/VLF电磁波，对应图7中A、B、C和D四个点，与EISCAT加热装置的地面距离分别为435 km、646 km、860 km和1 072 km，其中A和C对应BW模式、B和D对应AM模式. 磁场强度和电场强度的关系[26]为
H≈nE/nEZ0Z0 (1) 式中：n为折射指数；Z0为真空中波阻抗，约为377 Ω. 由CSES卫星携带的高能粒子探测仪[27]得到卫星轨道处电子密度为2.4×104 cm−3，得到频率2 017 Hz的折射指数n约为28. 根据式(1)将CSES电场仪测得的电场转换为磁场，各点接收的ULF/VLF电磁波磁场强度如图8所示. 可以看出：卫星分别处于A和B两点时，对应BW和AM两种加热模式下，卫星上信号强度相差不到2 dB，但地面上信号强度相差超过30 dB，即相对于AM模式，BW模式激励的辐射波向下传播进入地球-电离层波导中受到更强的衰减；卫星位于B点和C点时，调制方式由AM变为BW，卫星与地面接收到的辐射波强度之差增加了12.7 dB，表明两种加热模式形成的ULF/VLF辐射波的传播特性存在较大的差异，辐射源在电离层中的位置，以及辐射源形态等因素都会导致这种实验现象发生. 此外，随着传输距离的增加，卫星上辐射波磁场强度降低，在BW模式下，卫星由A点运动到C点，相对于地面辐射场，卫星接收到的信号磁场强度降低19.5 dB；在自然电流调制下，卫星由B点运动到D点，相对于地面辐射场，卫星接收到的信号磁场强度降低5.5 dB，进一步表明两种加热方式形成的ULF/VLF辐射波在电离层中传播特性不一致.
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图 8 地面与CSES卫星接收到的辐射波强度对比Fig. 8 Comparison of radiation wave intensity received by ground and CSES satellite利用全波法[28-30]对位于电离层D层和F层ULF/VLF辐射源的辐射传播特性进行估算，来探寻AW和BW模式形成ULF/VLF辐射源差异的原因. 电离层背景采用IRI-2018模型，其中120 km以上电离层电子浓度随高度变化比较平缓，仿真中将其看作均匀的各向异性等离子体；60 km以下为中性大气层，60~120 km之间为过渡区，共分为60分层，每一分层内电离层参数认为无变化. 辐射源近似等效为与地磁场垂直的电偶极子，强度为30 A·km，辐射频率为2 017 Hz，D层辐射源位于85 km，F层辐射源位于250 km. 图9所示分别为D层和F层辐射源的辐射波磁场强度分布的仿真结果，其中h表示离地高度，d表示离加热站的水平距离. 可以看出，向上辐射进入磁层的电磁波强度要高于向下辐射进入地球-电离层波导中电磁波强度. 即对于D层辐射源，在电离层500 km处辐射波磁场强度为−113 dBA/m，而地面辐射波磁场强度为−131 dBA/m，两者相差18 dB；对于F层辐射源，在电离层500 km处辐射波磁场强度为−105 dBA/m，而地面辐射波磁场强度为−145 dB A/m，两者相差40 dB. 也就是说，相对于D层辐射源，位于F层辐射源的激励波向下辐射进入地-电离层波导中具有更强的传播衰减，但更易向上传播进入磁层. 同时，在电离层中传播时，位于F层辐射源的激励波在卫星轨道高度处随距离传播衰减更快，这些对电离层不同高度辐射源的传播特性的仿真结果与AM和BW模式加热实验结果是相符的. 因此，考虑到AM模式加热形成的ULF/VLF辐射源位于D层[10,18-20]， BW模式辐射源的传播特性更加符合辐射源位于F层情形.
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图 9 电离层中辐射源位于不同位置时辐射磁场分布仿真结果Fig. 9 Simulation results of radiation magnetic field distribution when radiation sources are located at different positions in the ionosphere4 结 论
本文针对高纬度电离层调制加热激励的ULF/VLF电磁波辐射特性，基于我国2017—2019年利用EISCAT加热装置开展的调制加热实验数据，分析了AM和BW两种加热模式加热功率、加热波极化、辐射频率和地磁扰动对辐射波强度的影响，研究结果表明：
1） ULF/VLF电磁波强度与加热功率等级近似成正比例线性关系，AM和BW两种模式功率比例系数分别约为1.7和2.1.
2） X波激励辐射的ULF/VLF电磁波强度高于O波. AM模式下，采用X波和O波激励辐射波强度的差值受辐射波频率影响较小，实验期间维持在8~9 dB；BW模式下，两种极化激励辐射波强度的差值受辐射波频率影响较大，如辐射频率为517 Hz时，X波激发电磁波强度与O波激发强度之差约为5 dB，但辐射频率为2 017 Hz时，差值可达11 dB.
3）随着辐射波频率的增加，辐射波强度先增大后减小，但AM调制激励辐射波强度最大值出现在2 kHz附近，BW模式激励辐射波强度最大值出现在8~14 kHz.
4） AM模式下，激励辐射源强度依赖于电离层中自然电流的大小，而BW模式激励的辐射波强度与自然电流强弱相关性较小，表明自然电流较弱背景下，利用BW模式能获较强的ULF/VLF电磁波辐射.
针对BW模式调制加热在电离层中形成ULF/VLF辐射源的位置问题，采用实验和理论相结合的分析方法，对比两种加热模式激励的ULF/VLF电磁波传播特性的差异，以及基于AM模式激励的辐射源位于D层这一事实，BW模式辐射源的传播特性更加符合辐射源位于F层情形. 但需说明的是，在利用全波法对电离层不同高度处辐射源的传播特性进行仿真估算中，将辐射源等效为单一的电偶极子并不能完全代表电离层调制加热实际形成ULF/VLF辐射源. 实际上，调制加热形成的辐射源是一个区域体源，与调制加热区域的大小有关，在加热电磁波经过电离层各高度上都有可能形成辐射源，因此本文中AM和BW两种模式形成辐射源位置指的是对应模式加热下激励ULF/VLF波的主要电离层高度. 由于缺乏对ULF/VLF辐射源高度直接诊断测量的手段，后期还须对更多的相关实验数据进行统计分析，以及从加热激发ELF/VLF物理机理的层面，结合背景电离层参数，进行更深入的建模仿真来确认辐射源的位置.
此外，针对电离层调制加热激发ULF/VLF电磁波应用问题，在2019年EISCAT调制加热实验中，还开展了利用自然电流激励ULF/VLF电磁波进行信息传输实验[31-32]，实验实现了最高速率400 bit/s的信息传输，并在CSES卫星轨道对信息信号的接收，表明利用电离层调制加热激发ULF/VLF电磁波辐射具有重要的应用前景.
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图 1 2017—2019年EISCAT调制加热地面接收结果
Fig. 1 Ground reception results of EISCAT modulation heating experiment from 2017 to 2019
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图 2 功率变化实验期间垂直探测仪探测结果
Fig. 2 Detection results of vertical ionosonde during power change experiment
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图 4 加热波极化对辐射波强度的影响
Fig. 4 Effect of heating wave polarization on radiation wave intensity
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图 5 辐射波强度随辐射频率的变化
Fig. 5 The variation of radiation wave intensity with radiation frequency
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图 6 辐射波强度与水平地磁相对扰动相关性
Fig. 6 Correlation between radiation wave intensity and horizontal geomagnetic relative disturbance
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图 8 地面与CSES卫星接收到的辐射波强度对比
Fig. 8 Comparison of radiation wave intensity received by ground and CSES satellite
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期刊类型引用(1)
1. 陈靓，杨巨涛，何凌磊，李清亮，郝书吉，马广林，闫玉波，车海琴，梁勇敢，李海英，张文超. 极区受激电磁辐射实验研究. 地球物理学报. 2024(07): 2487-2495 . 
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