人工沿場不均勻體對短波垂直探測影響的理論分析?

呂立斌 李清亮 郝書吉 吳振森

1)(西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071)

2)(中國電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及?；夹g重點實驗室,青島 266107)

人工沿場不均勻體對短波垂直探測影響的理論分析?

呂立斌1)?李清亮2)郝書吉2)吳振森1)?

1)(西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071)

2)(中國電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及模化技術重點實驗室,青島 266107)

(2016年8月31日收到;2016年11月14日收到修改稿)

從人工沿場不均勻體的產(chǎn)生機制出發(fā),分析其對無線電波的散射特性,基于射線追蹤技術,建立了短波垂直探測波經(jīng)人工沿場不均勻體散射的傳播模型,理論分析了不同緯度人工沿場不均勻體對垂直探測波傳播路徑的影響.結(jié)果表明:人工沿場不均勻體所導致的垂直探測電離圖人工擴展描跡隨地理緯度升高和地磁傾角增大而變短,解釋了高緯度地區(qū)電離層加熱不能有效觀測人工擴展描跡的緣由.最后對中低緯度地區(qū)存在人工沿場不均勻體時可能產(chǎn)生的人工擴展描跡現(xiàn)象進行了預測評估,并分析了其重要應用方向.

電離層加熱,人工沿場不均勻體,短波垂直探測,人工擴展描跡

1 引 言

地基大功率高頻無線電波照射電離層,會改變局部電離層的電子密度分布結(jié)構(gòu),在F層加熱區(qū)域,由于加熱波能量的注入,在電離層對流和擴散的作用下,將增強電子密度的不均勻性,生成人工電離層不均勻體,從而對無線電波的傳播路徑產(chǎn)生重要影響.國外學者對此開展了一系列的理論和實驗研究[1?8],其中把短波垂直探測作為人工不均勻體探測的最直觀手段,并利用其進行了大量實驗觀測和探測結(jié)果研究分析.1970年,Utlaut等[1,2]利用電離層垂測儀在Platteville加熱站附近首次觀測到了人工擴展F現(xiàn)象,即在加熱開啟30 s后,垂測電離圖中F層O波(尋常波)和X波(非尋常波)描跡發(fā)生擴展(稱作人工擴展F);Georges等[3]認為人工擴展F和人工不均勻體的產(chǎn)生有關.針對這一推測,在Platteville站的加熱試驗中首次觀測到并確認了來自人工不均勻體的雷達回波[4],并進一步研究了人工不均勻體的物理模型和散射特性[5].Tsai等[6]于1992年在HIPAS站的加熱試驗中,利用短波垂直探測研究了人工不均勻體的空間位置及其強度的探測方法.隨著HAARP站大規(guī)模加熱試驗的開展,在垂測電離圖上觀測到了明顯的高度擴展[7],并通過分析人工擴展F的形式及其隨時間的演化規(guī)律,研究了參量不穩(wěn)定性的激發(fā)閾值及產(chǎn)生機理[8].

近年來,我國學者開始對電離層加熱理論進行關注,開展了相關理論和數(shù)值模擬研究[9?14].謝紅和肖佐[11]對中低緯度地區(qū)電離層F區(qū)中的Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性進行了研究,認為可能成為導致中緯人工擴展F發(fā)展的一種機制;黃朝松和李鈞[12]研究了中緯電離層F區(qū)大尺度不均勻體的基本性質(zhì);周磊和唐昌建[13]對不均勻等離子體中電磁波與Langmuir波的相互作用進行了研究;鄧峰等[14]對中低緯電離層加熱大尺度場向不均勻體進行了二維數(shù)值模擬.此外,在對電離層及自然不均勻體的短波垂直探測方面,國內(nèi)學者也進行了深入的理論和實驗研究,積累了豐富的經(jīng)驗[15?17].

大量理論和實驗研究結(jié)果[18?21]表明,基于電離層加熱產(chǎn)生的人工不均勻體是沿地磁場方向排列的,因此也被稱為人工沿場不均勻體(artificialfield-aligned irregularities,AFAI).不同緯度的地磁傾角不同,加熱產(chǎn)生的人工不均勻體的沿場方向不同,其對垂直探測波產(chǎn)生的影響也將不同.國外加熱實驗大多集中在高緯地區(qū),地磁傾角大,目前基于電離層垂測儀觀測到的人工擴展F集中表現(xiàn)為距離擴展(電離圖描跡在虛高方向擴散)和頻率擴展(電離圖描跡在頻率方向擴散).若將這些實驗現(xiàn)象“移植”到中低緯度地區(qū),情況如何?目前未見公開報道.

本文嘗試從AFAI的產(chǎn)生機制出發(fā),分析其對無線電波的散射特性.利用射線追蹤技術,建立垂直探測波經(jīng)AFAI散射的傳播模型,進而仿真垂直探測波經(jīng)AFAI的傳播路徑,通過分析不同緯度地區(qū)AFAI對垂直探測波傳播路徑的影響,對國外人工擴展描跡的觀測結(jié)果進行解釋.最后,對中低緯地區(qū)開展電離層加熱可能產(chǎn)生的人工擴展描跡現(xiàn)象進行預測評估,并分析AFAI的重要應用方向.

2 物理模型

2.1 AFAI產(chǎn)生機制

電動力學理論認為,電離層中的擴散和熱傳導是影響電子密度分布的主要因素.擴散系數(shù)可以用兩個相互關聯(lián)的參量描述:平均自由程L(兩次碰撞之間粒子平均運動的距離定義為平均自由程,其中kB為玻爾茲曼常數(shù),Te為電子溫度,me為電子質(zhì)量)和碰撞頻率v,且擴散系數(shù)正比于L2v.在平行于磁場方向,平均自由程正比于電子(或離子)的熱速率和碰撞頻率的倒數(shù),即這意味著擴散速率D//正比于kBTe/(mev).在垂直于磁場方向,電子的平均自由程被磁場束縛,它正比于電子的磁旋半徑re=(kBTe/me)1/2ω?1(其中ωe為電子的磁選頻率),將其代入平均自由程得到可以看出,垂直于磁場的擴散系數(shù)正比于v.因此,垂直于磁場和平行于磁場的擴散系數(shù)之比為:

熱傳導可以用方程Q=?κ?kBT來描述,其中Q是熱流,κ是熱導率,?kBT是電子溫度的梯度.Braginskii[22]給出了平行于磁場的電子熱導率和垂直于磁場的電子熱導率(其中Ne為電子密度).兩者之比有如下表達式:

圖1給出了中緯度地區(qū)(30?N,120?E)白天(當?shù)貢r間上午10時)的F層電子碰撞頻率和磁旋頻率比值,可以看出,在電離層F區(qū),因此,電子在平行于磁場方向上的擴散和熱導率遠遠大于在垂直于磁場方向,這也意味著,無論什么樣的初始電子密度擾動或者溫度擾動,都快速傾向于轉(zhuǎn)換為沿地磁場方向劇烈拉伸的不均勻體結(jié)構(gòu),即AFAI,如圖2所示.

2.2 垂直探測波經(jīng)AFAI散射的傳播模型

理論和試驗研究[4,5,18?21]表明,照射到AFAI上的無線電波會發(fā)生依賴于地磁場方向的散射(即沿場散射,field-aligned scattering,FAS),特別地,當無線電波垂直于AFAI入射時,會發(fā)生很強的后向散射[5].也就是說,AFAI的存在會使無線電波的傳播路徑發(fā)生變化,甚至是沿原路徑返回.

無線電波在電離層中傳播時,由于電子密度的變化和地磁場的影響,使折射率發(fā)生變化,進而導致傳播方向的偏移.基于此,本文采用射線追蹤方法[23],通過計算無線電波在電離層中的折射率變化來追蹤射線的傳播軌跡.該方法中包含了由六個微分方程組成的方程組:

其中H為哈密頓算符,

n是折射率,Re為對復變量求實部.P′為群路徑,r,θ,φ為射線路徑上點的球坐標,kr,kθ,kφ為傳播矢量(在自由空間中有ω=2πf為波的角頻率,c是電磁波在自由空間中的傳播速度,k為波矢量,f為電磁波頻率)的分量.

在球坐標系中,定義射線參量(位置參數(shù)和傳播矢量參數(shù))集:

其中,re為地球半徑,h為射線距離地面高度,la和lo分別為緯度和經(jīng)度;射線仰角和方位角由ψe和ψa表示.利用初始位置和初始傳播矢量,結(jié)合背景電離層參數(shù),即可實現(xiàn)對任意射線的傳播路徑計算.

在利用短波垂直探測手段研究電離層加熱產(chǎn)生的AFAI過程中,根據(jù)電離層電波傳播理論,大部分探測波將在反射高度hr(等離子體頻率和探測波頻率相等的高度)上發(fā)生反射,其中一部分將沿原路徑返回,形成通常情況下的電離圖描跡.與此同時,頻率等于或高于加熱頻率(fdiag>fheat)的探測波能夠到達AFAI,根據(jù)沿場散射理論,若垂直入射AFAI將發(fā)生強烈的后向散射,沿原路徑返回并被地面接收,由于傳播路徑長度的差異,將在電離圖中形成人工擴展描跡.存在AFAI時的垂直探測波傳播路徑如圖3所示.

圖3 存在AFAI時的探測波傳播機制①在hr發(fā)生反射,其中垂直向上的探測波沿原路徑返回;②fdiag>fheat時,在AFAI發(fā)生沿場散射,其中垂直地磁場方向入射時發(fā)生后向散射,沿原路徑返回Fig.3.Propagation mechanism of sounding wave with AFAI:①Reflect at hr,vertical part will turn back;②FAS occurs when fdiag>fheat,the part which perpendicular to the geomagnetic will turn back.

基于射線追蹤技術仿真電離層加熱過程中存在AFAI條件下的垂測電離圖的基本方法是,根據(jù)垂測電離圖數(shù)據(jù)反演背景電子密度剖面,在此基礎上利用射線追蹤技術計算各個頻率探測波的射線路徑,最終獲得頻率-虛高描跡,即仿真電離圖.根據(jù)對存在AFAI時的垂直探測波傳播路徑的分析,仿真計算分為兩部分.

1)正常描跡仿真.射線垂直向上指向,ψe=90?,初始參數(shù)集為:

2)人工擴展描跡仿真.根據(jù)圖3所示原理,為了仿真探測波在AFAI上后向散射的射線路徑,首先根據(jù)電離層加熱理論,近似將等離子體頻率和加熱頻率相等時所對應的電離層高度huh,作為AFAI所在高度;然后采用試射法在垂直探測波束中尋找能夠垂直入射AFAI的射線,計算不同仰角的射線路徑,滿足條件:A)射線能夠到達huh,B)到達huh時和地磁場的夾角為90?時,可發(fā)生后向散射.因此,射線的初始傳播矢量

至此,在(1)—(7)式的基礎上,將人工沿場不均勻體存在時的(8)—(10)式融合進來,即可實現(xiàn)存在AFAI條件下的垂測電離圖的仿真.

3 理論分析

3.1 模型驗證

為驗證垂直探測波經(jīng)AFAI散射的傳播模型,首先給出中低緯度地區(qū)(30?N,120?E)白天(當?shù)貢r間2015年6月28日10時)典型的垂測電離圖,如圖4所示,其中紅色描跡對應O波,藍色描跡對應X波.圖5為依據(jù)電離圖反演得到的背景電子密度剖面.圖6給出了利用模型對垂測電離圖的仿真結(jié)果,和實測結(jié)果一致.

3.2 AFAI存在時電離圖仿真

利用模型以及3.1節(jié)中的參數(shù),對存在AFAI條件下的垂測電離圖進行仿真,結(jié)果如圖7所示.可以看出,除正常描跡外,還形成了人工擴展描跡,并且人工擴展描跡具有如下特點:1)從加熱頻率附近開始向更高頻率擴展;2)隨著信號頻率的增大,虛高(射線傳播路徑長度)逐漸減小.

圖4 垂測電離圖Fig.4.Ionogram for HF vertical sounding.

圖5 根據(jù)電離圖得到的電子密度剖面Fig.5.Electron density profile obtained from ionogram.

圖6 垂測電離圖仿真(無AFAI)Fig.6.Ionogram simulation(without AFAI).

根據(jù)垂直探測波經(jīng)AFAI散射的傳播特性,分析認為:1)當探測波頻率超過加熱頻率時,更容易到達不均勻體高度并滿足后向散射條件,因此AFAI導致的人工擴展描跡從加熱頻率附近開始向更高頻率擴展;2)探測波信號頻率越大,電離層中的折射效應越小,滿足后向散射條件的射線路徑越短,導致電離圖中的虛高越小.

圖7 垂測電離圖仿真(存在AFAI)Fig.7.Ionogram simulation(with AFAI).

圖8 AFAI存在時不同地區(qū)電離圖仿真 (a)10?N,120?E;(b)20?N,120?E;(c)30?N,120?E;(d)40?N,120?E;(e)50?N,120?E;(f)60?N,120?EFig.8.Ionogram simulation with AFAI for different location:(a)10?N,120?E;(b)20?N,120?E;(c)30?N,120?E;(d)40?N,120?E;(e)50?N,120?E;(f)60?N,120?E.

根據(jù)沿場散射理論,散射波的傳播具有很強的方向性,并且和地磁場方向密切相關.利用模型對不同緯度地區(qū)存在AFAI時的垂測電離圖進行仿真,圖8是典型的仿真結(jié)果.圖9給出了人工擴展描跡隨地理緯度(以120?E為例)和地磁傾角的變化.計算中,背景電離層參數(shù)來源于國際參考電離層模型IRI-2016,地磁場參數(shù)來源于IGRF-12,計算時間選擇當?shù)貢r間2015年6月25日18:00時,假設人工散射體半徑為100 km,探測波束寬度為120?.

圖9 人工擴展描跡變化 (a)隨地理緯度變化(120?E);(b)隨地磁傾角變化Fig.9.Change of spread trace:(a)with latitude(120?E);(b)with inclination.

圖8和圖9的仿真結(jié)果表明:AFAI存在時所導致的垂測電離圖人工擴展描跡,隨地理緯度(120?E)升高而減小,隨地磁傾角增大而減小:a)10?N—25?N,地磁傾角5?—40?范圍內(nèi),從AFAI正下方入射的探測波可產(chǎn)生明顯的人工擴展描跡,若將入射的探測波向南移動,人工擴展描跡可延伸到短波頻段高端;b)25?N—70?N,地磁傾角40?—80?范圍內(nèi),從AFAI正下方入射的探測波不能產(chǎn)生人工擴展描跡;若將入射的探測波向南移動,可產(chǎn)生明顯人工擴展描跡;c)70?N,地磁傾角80?以上,從AFAI正下方入射的探測波不能產(chǎn)生人工擴展描跡,即使將入射的探測波向南移動,也不會產(chǎn)生人工擴展描跡.

3.3 國外實驗現(xiàn)象解釋

國外主要加熱站多位于高緯度地區(qū),且電離層垂測儀一般位于加熱站附近,在其加熱試驗中并沒有觀測到圖7中類似的人工擴展描跡.下面根據(jù)本文建立的模型,對國外主要加熱站存在AFAI條件下的垂直探測波傳播路徑進行仿真分析.計算中,背景電離層參數(shù)來源于國際參考電離層模型IRI-2016,地磁場參數(shù)來源于IGRF-12,計算時間選擇當?shù)貢r間2015年6月25日18:00時,假設人工散射體半徑為100 km,探測波束寬度為120?.

圖10—圖12所示分別為電離層垂測儀位于Arecibo站(18.48?N,66.67?W,地磁傾角約44?,臨界頻率約9.4 MHz),Platteville站(40.18?N,104.73?W, 地 磁 傾 角 約67?, 臨 界 頻 率 約 為6.1 MHz),HAARP站(62.87?N,146.83?W,地磁傾角約76.5?,臨界頻率約為5.2 MHz)附近時,垂直探測波的傳播路徑仿真結(jié)果.

仿真結(jié)果表明:

1)Arecibo站的探測波束內(nèi),能夠滿足后向散射條件(到達AFAI高度并且和地磁場垂直)的射線,對于探測頻率10,15,20和30 MHz,射線偏移距離分別為130,200,215和230 km,均已超出了AFAI范圍;

2)Platteville站的探測波束內(nèi),能夠滿足后向散射條件的射線,對于探測頻率6.5,7,8,10和12 MHz,射線偏移距離分別為210,230,270,340和380 km,均已超出了AFAI范圍;13 MHz時探測波束內(nèi)沒有滿足后向散射條件的射線;

3)HAARP站的探測波束內(nèi),能夠滿足后向散射條件的射線,對于探測頻率5.5,6和7 MHz,射線偏移距離分別為280,320和370 km,均已超出了AFAI范圍;8 MHz時探測波束內(nèi)沒有滿足后向散射條件的射線.

因此,電離層垂測儀位于Arecibo加熱站、Platteville加熱站和HAARP加熱站內(nèi)時,不能探測到由于AFAI存在所形成的人工擴展描跡.通過上述仿真計算可知,國外典型加熱站由于大都地處高緯度地區(qū),由于地磁傾角較大,即使加熱產(chǎn)生了AFAI,若電離層垂測儀位于加熱站內(nèi),也無法觀測到人工擴展描跡.但是,根據(jù)垂直探測波經(jīng)AFAI散射的傳播理論,若在這些加熱站將電離層垂測儀向南移動,其探測波束更容易垂直入射到AFAI并發(fā)生后向散射,就可能觀測到由于AFAI存在所形成的人工擴展描跡,如圖13所示.對于Arecibo站,若將電離層垂測儀向南移動約130 km,則理論上可觀測到明顯的人工擴展描跡,其頻率范圍可達9.4—30 MHz;對于Platteville站,若將電離層垂測儀向南移動約370 km,則理論上可觀測到較為明顯的人工擴展描跡,其最高頻率可達6.1—12 MHz;對于HAARP站,若將電離層垂測儀向南移動約350 km,則理論上可觀測到有限的人工擴展描跡,其最高頻率可達5.2—7 MHz.

圖10 Arecibo站不同頻率探測波路徑(圖的上部表示射線傳播路徑,圖的下部表示射線入射AFAI時和地磁場方向的夾角) (a)10 MHz;(b)15 MHz;(c)20 MHz;(d)30 MHzFig.10.Ray paths of sounding wave with different frequency at Arecibo.The upper part is ray paths of the sounding wave,the lower part is the incident angles of the rays to AFAI:(a)10 MHz;(b)15 MHz;(c)20 MHz;(d)30 MHz.

圖11 Platteville站不同頻率探測波傳播路徑(圖的上部表示射線傳播路徑,圖的下部表示射線入射AFAI時和地磁場方向的夾角) (a)6.5 MHz;(b)7 MHz;(c)8 MHz;(d)10 MHz;(e)12 MHz;(f)13 MHzFig.11.Ray paths of sounding wave with different frequency at Platteville.The upper part is ray paths of the sounding wave,the lower part is the incident angles of the rays to AFAI:(a)6.5 MHz;(b)7 MHz;(c)8 MHz;(d)10 MHz;(e)12 MHz;(f)13 MHz.

圖12 HAARP站不同頻率探測波傳播路徑(圖的上部表示射線傳播路徑,圖的下部表示射線入射AFAI時和地磁場方向的夾角) (a)5.5 MHz;(b)6 MHz;(c)7 MHz;(d)8 MHzFig.12.Ray paths of sounding wave with different frequency at HAARP.The upper part is ray paths of the sounding wave,the lower part is the incident angles of the rays to AFAI:(a)5.5 MHz;(b)6 MHz;(c)7 MHz;(d)8 MHz.

圖13 地磁傾角的影響 (a)滿足后向散射條件的射線不能到達人工散射體范圍;(b)將電離層垂測儀向南移動,滿足后向散射條件的射線能夠到達人工散射體范圍內(nèi)Fig.13.The influence of inclination:(a)Rays satisfying the scattering condition can not arrive at the scatter;(b)move the sounding equipment to the south,rays satisfying the scattering condition can arrive at the scatter.

4 結(jié) 論

本文從人工沿場不均勻體的產(chǎn)生機制及其對無線電波的人工沿場散射特性出發(fā),基于射線追蹤原理,建立了垂直探測波經(jīng)人工沿場不均勻體散射的傳播模型.基于此模型,模擬分析了不同緯度電離層存在AFAI條件下的垂直探測波傳播路徑,根據(jù)仿真結(jié)果得到以下結(jié)論.

1)在低緯度地區(qū),如在10?N—25?N,地磁傾角約5?—40?區(qū)間,在正下方垂直入射的探測波經(jīng)AFAI散射后可產(chǎn)生明顯的人工擴展描跡,若將入射的探測波向南移動,人工擴展描跡可延伸到短波頻段高端;

2)在中高緯地區(qū),如在25?N—70?N,地磁傾角約40?—80?區(qū)間,在正下方垂直入射的探測波經(jīng)AFAI散射后不能產(chǎn)生人工擴展描跡,若將入射的探測波向南移動,可產(chǎn)生有限人工擴展描跡;

3)在較高緯度地區(qū),如在70?N,地磁傾角80?以上,從正下方入射的探測波經(jīng)AFAI散射后不能產(chǎn)生人工擴展描跡,即使將入射的探測波向南移動,也不會產(chǎn)生人工擴展描跡.

根據(jù)本文分析結(jié)果,進一步對國外加熱試驗站基于電離層垂測儀的探測結(jié)果進行了仿真,結(jié)果表明在Arecibo,Platteville,HAARP等國外典型加熱站,若電離層垂測儀位于加熱站內(nèi),即使加熱產(chǎn)生了AFAI,也不能觀測到人工擴展描跡.但若將其向南移動,探測波束就更容易垂直入射到AFAI并發(fā)生后向散射,進而觀測到人工擴展描跡.

對于中低緯度地區(qū),假設開展電離層加熱試驗并能夠產(chǎn)生AFAI,可以預期在垂測電離圖中會觀測到人工擴展描跡現(xiàn)象,并且根據(jù)圖8和圖9的仿真結(jié)果,這種人工擴展描跡會延伸到比較高的頻段.特別是在電離層臨界頻率較低的時段,若通過電離層加熱產(chǎn)生AFAI,將會使超過電離層臨界頻率的無線電波發(fā)生沿場散射,從而達到擴展短波通信可用頻段的目的,可大大提升電離層反射原理的短波通信、干擾和探測能力,甚至是形成新型的短波通信、干擾和探測手段.針對這些潛在的應用,需要在今后條件許可的情況下開展試驗驗證,并進行深入研究.

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Theoretical analysis of effects on high frequency vertical sounding by artificial field-aligned irregularities?

Lü Li-Bin1)?Li Qing-Liang2)Hao Shu-Ji2)Wu Zhen-Sen1)?

1)(School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)
2)(National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

31 August 2016;revised manuscript

14 November 2016)

Ionospheric heating experiments have been conducted widely at high power heating stations,such as Arecibo,Platteville,HAARP,etc.It has been found that once high-power high-frequency(HF)radio wave is injected into the ionosphere,the electron temperature and density in the illuminated region of the ionosphere can be disturbed,and furthermore,a large number of nonlinear phenomena may be triggered because of the complicated instabilities.One of the most interesting heating effects is the generation of the artificial field-aligned irregularities(AFAI),which has profound influences on electromagnetic wave propagation.Many diagnostic methods have been used for studying the characteristics of AFAI,such as the HF vertical/oblique sounding,HF/VHF coherent radar,etc.During the heating experiments,traces spreading on frequency or height are observed from the HF vertical sounding ionograms,which suggests that the propagation of the sounding wave will be affected by AFAI.

In the ionosphere F region,the electron diffusion and thermal conductivity rate are greater along the geomagneticfield lines than across the field line,leading to a stretch of AFAI along the geomagnetic field line.For the special structure,the AFAI will scatter the incident wave in a cone with the axis parallel to the geomagnetic field direction,which is called artificial field-aligned scattering(AFAS).Because of the high sensitivity to the geomagnetic field of AFAS,we try to study different effects on the HF vertical sounding of AFAI generated at different latitudes,by constructing a propagation model and performing a simulation,in order to seek the potential applications in HF transmission.

Based on the special scattering feature of AFAI and the ray tracing technique,a propagation model for HF vertical sounding scattered by AFAI is proposed.With this model the ray paths of the sounding waves with AFAI are simulated in amid-latitude region,and a new kind of artificial spread trace is found to start from the heating frequency and spread to higher band.Taking account of the strong dependence of the AFAS on the geomagnetic field,the influences of AFAI on the HF vertical sounding at different latitudes are analyzed theoretically.It is indicated that the artificial spread traces will appear only when the following two conditions are satisfied:1)the sounding wave can reach the AFAI height;2)the sounding wave is incident perpendicularly to the AFAI.It is also shown that the spread trace becomes shorter with the latitude and the inclination increasing.Furthermore,the simulations from different heating stations suggest that artificial spread traces do not exist when HF vertical sounding is located just below the AFAI,which explains why such phenomena cannot be observed at high latitudes.Nevertheless,if the HF vertical sounding moves outside the heating station toward the south,the spread traces will be apparent for Arecibo,limited for Platteville and still unavailable for HAARP.Finally,if the AFAI is assumed to be present,apparent artificial spread traces of the mid-low latitude are predicted,and the important valuable applications of AFAI in HF transmission are proposed.

ionospheric heating,artificial field-aligned irregularities,high frequency vertical sounding,artificial spread trace

PACS:94.20.Vv,94.30.Tz

10.7498/aps.66.059401

?電波環(huán)境特性及?；夹g重點實驗室開放課題專項資金(批準號:201600017)資助的課題.

?通信作者.E-mail:libin_lv@163.com

?通信作者.E-mail:wuzhs@mail.xidian.edu.cn

*Project supported by the National Key Laboratory of Electromagnetic Environment,China(Grant No.201600017).

?Corresponding author.E-mail:libin_lv@163.com

?Corresponding author.E-mail:wuzhs@mail.xidian.edu.cn