基于FDTD的舒曼谐振谱非对称性分析

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舒曼谐振是地球-电离层空腔中的电磁谐振波,其传播特性体现了全球雷暴源分布和电离层电特性的变化。有研究表明,舒曼谐振传播过程中,行波和驻波交互作用,使得舒曼谐振波呈现出非对称谐振波。本文对舒曼谐振的传播进行了仿真和实测数据的研究,探讨了舒曼谐振的对称谱与非对称谱的可能性。首先,本课题基于三维FDTD模型对均匀腔和非均匀腔中ELF的传播进行了仿真特性的研究,分析单一激励源条件下的舒曼谐振电磁功率谱,提取了舒曼谐振的中心频率、谐振幅度等特性。对各参数的距离依赖性进行了分析,结果表明一阶电场频谱幅度在距离源较近以及接近对映点时取得极大值,在波节点附近取得极小值;在波节点之间谐振频率随着距离的增加逐渐远离计算值,并且在波节点附近存在谐振频率消失的现象。之后对knee模型和day-night模型下的功率谱进行拟合研究,分别使用经典洛伦兹拟合、complex拟合以及非对称拟合三种方法,分析拟合误差并提取其中的谐振频率以及品质因数等谱线参数。结果表明,非对称拟合的误差在不同的距离条件下都比另外两种方法小(多数小于3%),其中经典方法的误差相对最大(误差值大部分在5%~10%以内);对三种拟合方法得到的谐振频率与原始频率进行对比,拟合误差随着距离的变化而变化,在波腹处误差较小,波节点处误差较大;品质因数的误差表现了与谐振频率相似的变化关系,并且与经验值的误差大部分在50%以内,靠近对映点时降低到20%;对于谱线的非对称参数在两种电导率模型下具有相似变化关系,当闪电源位于极点时,近源点位置以及波节点附近取值较大,波腹处以及靠近对映点处的取值接近零,这种变化规律在低阶的时候表现的更加明显。并且在不同的源放置位置非对称参数在不同的电导率模型中仍然有着相同的变化规律。最后针对一天内的实测数据采用了上述三种拟合方法进行了功率谱曲线的拟合和参数提取。三种拟合方法中非对称方法的拟合误差最小,误差不超过7%;一阶谐振频率变化范围最小,经典方法得到的结果最稳定;在低阶的时候Q值的结果变化范围小,其中一阶变化范围为1~5,三种方法之间的差异并不大,到了高阶之后complex方法和非对称方法有较大的波动;前三阶的非对称参数具有相同的变化趋势。
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