利用ELF地基大功率高频调幅波对电离层进行周期性地加热,可有效地引起局部电离层电子温度的周期性振荡,并引起电离层电导率的周期性变化,从而使得加热区域内的电离层电流周期性变化,形成等效的ELF虚拟天线,辐射调制频率范围内的无线电波。电离层人工调制激发ELF波研究的重要意义在于：(1)有助于深入理解电离层中的物理过程,并分析新的现象,对于人类更好的主动控制和改变局部范围内的电离层参数提供更好的理论支持；(2)通过人工调制电离层激发ELF信号克服了传统的低频天线系统占地面积庞大,架设困难等缺点。(3)通过高频电波人工调制电离层所激发出的ELF波可以进入地球-电离层波导,用来实现远距离对潜通信和地下目标探测等实际用途。(4)人工调制电离层激发的ELF波还可以向上传播进入磁层,与磁层中的高能电子发生波粒相互作用,使得高能电子发生沉降,降低其含量,保障航天器设备的安全,延长它们的寿命。早在20世纪50年代就开始对利用地面大功率激励装置发射高频电磁波对电离层实施人工改变甚至有目的控制的工作进行理论方面的研究,而地基高频电波加热电离层的实验阶段则是从20世纪70年代开始的,并取得了引人注目的实验观测结果。其中,由于通过大功率高频调幅波在空间中激发低频信号在科学研究和军事应用上都具有重要的意义,从而也就成为了人工改变电离层的研究热点之一,众多相应的实验也相继付诸实施。由于在极区电离层上空存在强大的自然电流,即极区电急流,这使得现有的加热装置以及人工调制实验几乎都集中在高纬和极区,实际上,在低纬度地区同样也具备人工调制的先决条件,因为在磁赤道电离层上空也存在着强大的向东电流,即赤道电急流,因此也需要我们分析和解决。但是由于加热设备耗资巨大,因此建立在加热物理模型和电离层初始背景模型基础上的数值模拟方法逐渐成为高频电波人工电离层研究的重要手段之一。目前数值模型选择的都是典型的中高地磁纬度的电离层背景,以便和已有的加热观测结果相比较。鉴于国内目前尚无大型加热装置,需要科学论证在低纬地区进行高频电波人工调制电离层实验的可行性,为在中国实施地基高频电波人工调制电离层工程提供可靠的科学依据。基于此,本文分别从理论分析和数值模拟角度来探讨地基大功率高频电波人工调制电离层所产生ELF波的激发理论及传播理论。本文研究成果主要体现如下：1.在对已有的高频电波人工调制电离层的实验观测结果进行综述的基础上,详细阐述了高频电波人工调制电离层的机理,并利用高频电波加热电离层模型,建立了一维调制加热模型,在考虑Perdersen电导率和Hall电导率的同时,还考虑了赤道地区中引起赤道电急流的Cowling电导率,并通过数值模拟,考虑了不同加热参数对调制效果的影响,并在相同的加热参数条件下,与高纬地区的调制效果进行比较。数值模拟结果表明,低纬地区在90km以下电离层高度能够形成有效地调制；电离层电导率能随着脉冲周期振荡,振荡周期与选取的调制周期基本一致,且在电离层D层,Pedersen电导率与Hall电导率相位变化相反,而Pedersen电导率随着高度的增加还有个反相的过程；在较低高度处Hall电导率的调制占主要地位,而在更高的电离层区域,Pedersen电导率的变化较Hall电导率更大些；采用X波相对于O波的的调制效果来说要更好；辐射功率可能存在一个极值,如果辐射功率继续增大也不会再对电导率变化产生更大的影响；由于不同频率每个脉冲的加热时间不同,所以当用不同调制频率加热时,调制频率越大,对电导率调制的作用反而越小；低频波的辐射与高频波束的频率有关,入射频率越高,低电离层的能量吸收越低；通过电离层电流的振荡可以判断电离层某高度处的特征时间；在相同的调制条件下,低纬地区电离层人工调制也能收到很好的效果,并且低纬地区电离层电导率的调制效果要好于高纬,但是由于中低纬度地区自然电场要比高纬度地区自然电场小1个量级,所以高纬度地区比中低纬度地区加热产生低频信号的效果还是要更明显。这些数值模拟结果,在误差允许范围内,与许多实验观测结果能很好地吻合。2.本文利用全波有限元法建立了ELF波的在低电离层中的传播模型,并详细介绍了模型当中所涉及到的计算过程,模型中将背景电离层当作不均匀介质进行分层,并将模拟的区域分为两个部分进行讨论：源以上的区域和源以下的区域,其中源以下的区域包括电离层部分和中性大气层部分。对于源以上的区域,源产生的低频信号会受到每层上边界的反射,我们认为最上层是没有上边界的,反射系数为0,通过递归方法由第i+1层的反射系数Ru(i+1)计算第i层的反射系数Rui；对于源以下的区域,源产生的低频信号会受到每层下边界的反射,我们认为海平面是良导体,电场为0,通过在真空中的Maxwell方程确认中性大气层的反射系数,同样通过递归方法由第i层的反射系数Rdi计算得到第i+1层的反射系数Rd(i+1),从而获得了每一层的反射系数。通过人工调制电离层所确定的源项可以确定源所在高度处的激励系数,从而确定源所在高度处上行和下行波模的振幅,对于源以上区域通过第i层上行波模的振幅Ui来计算得到第i+1层的上行波模的振幅Ui-1,然后通过上层区域的反射系数来确定上层区域中的下行波模Di,而对于源以下区域,通过第i+1层的下行波模振幅Di-1计算得到第i层下行波模的振幅D1,再通过下层区域的反射系数来确定源以下每层中上行波模的振幅Ui,这样就得到了每一层当中的波振幅,从而确定每一层的波场的傅里叶变化,再做反变换即可得到每一层当中的电场和磁场强度。数值模拟结果表明,文中所建立的全波解模型能较好的和实验结果相吻合,在海面上所激发的低频信号的波场振幅约在pT量级,对于激发出的向上传播的ELF波会形成波束,波束的宽度与调制电流的尺度相当,对于所激发出的向下传播的ELF波会在中性大气层中形成地球电离层波导。随着纬度的降低,电波的衰减越来越大,所能接收到的场也就越来越小,另外,对于相同地理位置所激发出的ELF频段的电磁波,频率越低,损耗越大,因此,虽然在磁赤道地区上空有天然形成的赤道电急流,通过调制加热可以形成有效的辐射源,但是由于衰减很大,所以能量损失很剧烈,并且中低纬地区的透射角十分有限,因而也很难向下传播进入地球-电离层波导。3.本文详细阐述了射线追踪理论,分别给出了低频信号在磁层中传播的二维射线追踪方程,磁层背景模型和相折射指数,以及数值模拟中所需要求取的偏微分方程。并对冷等离子体中的色散关系进行理论分析,阐述了低频信号在磁层反射的原因,分析结果表明,包含电子成分的相折射指数面与考虑了离子后的相折射指数面的差异,对于仅包含电子的相折射指数面,由于并不是闭合的,所以相折射指数面中存在损失锥,电波在这个区域类的相折射指数是无穷大,低频信号不能形成磁层反射,对于考虑了离子情况的相折射指数面,当频率较低时,相折射指数面会闭合,因此射线可以反转从而实现磁层反射。根据磁层射线追踪理论,本文对ELF波在磁层中的传播进行了数值模拟,得到了低频信号在磁层中的传播路径。模拟结果表明,对于同一纬度出发的不同频率的信号,频率越高,传播距离越近,而频率越低,则倾向于在传播到更远处。低频信号都是在南北半球来回弹跳,逐渐传播到更远处的,在传播过程中,L值的变化越来越缓慢,最后趋于一个固定值,另外,波法相角也逐渐变小,也就是说低频信号在磁层中的运动过程中,倾向于沿着背景磁场运动。对于纬度较高的地区,则容易形成PL模哨声。