IONO-HF : propagation des ondes hautes fréquences dans l'ionosphère

IONO-HF : High frequency waves propagation in ionosphere

• Auteur / Autrice : Etienne Foucault
• Direction : Pierre-Louis Blelly, Aurélie Marchaudon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 19/06/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes radioélectriques -- Propagation dans l'ionosphère

Modèles mathématiques

Ondes atmosphériques

Mots clés libres

Ionosphère

Propagation

HF

Tracé de rayons

Modélisation

Ionosphere

Radio propagation

HF

Raytracing

Numerical modeling

Résumé

L'étude de la propagation des ondes électromagnétiques en bandes hautes (HF) et très hautes fréquences (VHF) dans l'ionosphère gagne en intérêt avec l'essor des technologies de communication et de positionnement par satellites. Cependant, la transmission des signaux associés est dépendante du milieu qu'ils traversent : l'ionosphère. Cette partie de l'atmosphère terrestre (entre 60 et 2,000 km d'altitude) est composée d'un plasma partiellement ionisé, formé par la photo-dissociation des composants neutres par le rayonnement solaire X et UV et impacte la propagation des ondes radios du fait de son pouvoir réfractant. Ma thèse a consisté à développer un code de tracé de rayons capable de résoudre les trajectoires des ondes radios HF et VHF dans une ionosphère réaliste. Pour cela, j'ai développé un système d'équations permettant de résoudre la trajectoire d'une onde à partir du principe de Fermat ainsi que divers paramètres associés aux ondes et au milieu traversé (temps de propagation, indice de réfraction, absorption, le contenu total d'électrons TEC). Un modèle de champ magnétique dipolaire tilté est également implémenté et permet de résoudre les modes de propagation ordinaire et extraordinaire. Dans une première application, j'ai utilisé ce code de tracé de rayons pour simuler un radar trans-horizon à haute latitude, de type SuperDARN. Dans un premier temps, j'ai étudié la propagation des ondes dans des profils d'ionosphère synthétiques présentant différents types de gradients. J'ai montré qu'une ionosphère présentant une région E développée contraint les régions possibles d'échos à basse altitude et absorbe modérément à fortement les ondes en fonction de la distance parcourue. Lorsque la région E est peu développée, les ondes se propagent vers des altitudes supérieures et forment des régions d'échos avec une large extension en altitude. L'absorption des ondes est également plus faible. L'introduction de gradient horizontaux a montré que les formes des régions d'échos ne changeaient pas fondamentalement mais entrainent un déplacement en distance par rapport au radar de ces régions. Dans un second temps, j'ai utilisé les résultats de cette étude préliminaire pour analyser la propagation modélisée dans un profil d'ionosphère réaliste. Dans une seconde application, j'ai étudié les modes de propagation ordinaire et extraordinaire, dans en premier temps en modélisant le mode de fonctionnement d'une ionosonde. Cet instrument permet d'estimer le profil local de la densité électronique jusqu'au pic de région F. Les simulations effectuées avec le tracé de rayons ont permis de reproduire les différences de propagation (temps de propagation, altitude des échos) entre ces modes de propagation dans le cas d'une propagation parallèle au champ magnétique. [...]

Radio wave propagation in high and very high frequency bands is a major subject of interest; mainly because of the rise of telecommunication and GPS technologies. Although, the effective transmission of these signals highly depends on the medium. There is a part of the neutral atmosphere, named ionosphere and located approximately between 60 and 2,000 km, which impact the wave propagation as it is composed of a partially ionised plasma. It is formed through the photo-ionization of neutral species by the solar UV and EUV spectrum. During my Ph.D., my first achievement was to develop a ray tracing tool to solve the HF and VHF radio wave trajectories in a realistic ionosphere. It is based on numerical development of the Fermat's Principle which allows trajectory modelling. To give more insight information on wave propagation, this tool also integrates some wave parameters such as propagation time, total electron content TEC and absorption. A simple tilted dipole magnetic field is implemented, which allow the ordinary and extraordinary propagation mode modelling. As a first application, I used this ray tracing tool to model a SuperDARN coherent HF radar. These radars are dedicated to the observation and study of the high latitude plasma convection. First, I studied the radio wave propagation in synthetic ionosphere profiles, featuring different types of electron density gradients. I have shown that ionosphere profile with a developed E region implies low altitude refraction for waves with low elevation angles and moderate to high absorption. For ionosphere profile with lower density E region, wave may propagate to higher altitude and form echoes region spanning across the F region, while being less absorbed. While adding horizontal electron density gradient in these ionosphere profiles, I have shown that the echoes region keep the same pattern but are shifted in distance respect to the radar. Then, I used these results to study the wave propagation in a realistic ionosphere featuring complex electron density gradients. As a second application, I studied the magnetic field effect on radio wave propagation by modelling the ordinary and extraordinary propagation modes in the case of a ionosonde. It is an instrument dedicated to the sounding of the local vertical electron density profile below the F region peak. In the case of a parallel propagation with respect to the magnetic field, the ray tracing tool modelled the expected behaviour for both propagation modes, in terms of different altitude of reflection and different propagation speed. While modelling ordinary and extraordinary modes in the case of a SuperDARN radar, I have shown that the magnetic field effect was negligible as the propagation is almost perpendicular respect to the magnetic field. [...]