电离层垂直探测

电离层垂直探测目录一、概论二、系统设备三、基本原理四、电离层垂测图数据处理及分析五、电离层垂测的目的与用途电离层垂直探测一、概论电离层垂直探测是电离层研究中历史最悠久、至今仍然广泛使用的电离层地面常规探测方法。这种方法通过垂直向上发射频无线电脉冲，频率f在1～30MHz范围内变化（频率扫描），接收在不同频率上由电离层反射的回波（Echo），测量回波的传播时间τ（TimeofFlight），或者虚高（h’=cτ/2）随频率变化的频高图(Ionogram)。根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，如F层临界频率foF2，最大电子密度NmF2，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的一维分布，即电子密度剖面。这是传统垂直探测方法能够提供的最重要的关于电离层结构的信息。现代数字测高仪除了测量回波的传播时间，还可测量回波的偏振、振幅和相位谱，以及回波到达角，提供更丰富的关于电离层结构与动力学信息。简单地说电离层垂直探测是用电离层测高仪（垂测仪）从地面对电离层进行日常观测的技术。这种技术垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接受这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率关系的反射曲线。二、系统设备垂直探测设备主要包括：发射系统、接收机系统、频率合成系统、同步控制与时钟系统、数字处理、数据终端、自动判读和天线系统等。垂测设备组成框图电离层测高仪（垂测仪）：电离层测高仪是从地面对电离层进行常规探测。测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率发射天线接收天线GPS天线输出滤波发射机频率合成接收机信号处理控制器网络计算机数据线端电源时钟接口连续改变的电波来回传播的时间（称为时延），从而获得反射高度与频率的关系曲线，这种曲线称为频高图或垂测电离图，从而获得电离层电子密度的高度分布。电离层探测仪（垂测仪）按功能可以分为：发射机、滤波器、接收机、信号处理、系统电源、数据终端。（1）发射机：发射机由预放、激励器、功分器、功放、合成器组成，利用传输线变压器作为功率混合和分配网络来实现宽带功率合成和分配。发射机的作用是为发射天线提供满足系统要求的射频功率信号。在同步信号的控制下，1～32MHz的扫频脉冲编码信号首先进入发射机进行激励放大后，在经历进一步的功率合成到5000W的功率能量输出。原理如下图：发射信号去输出自合成器滤波器发射脉冲驻波检测自控制器保护（2）输出滤波器输出滤波器有单片控制电路、驱动电路、开关电路四部分组预放激励功率分配1:8功放功率合成8:1发射控制成。工作时将整个扫频过程（1～32MHz）分10段，每段对应一组5阶考尔滤波器。首先滤波通过接收终端命令，对起始和终止频率进行设置，然后计算出波段转换点，当扫频开始后，通过波段点的自动判断，有单片机控制多驱动分段控制滤波器的工作，使功放输出的扫频信号保持有用信号，滤除谐波分量。（3）接收机其原理框图为：ＲＸＤＴＸＤＳＰ（4）信号处理信号处理单元主要完成模拟中频信号的正式采样、信号电平估计、信号的相关处理和回波信号的时间差计算等。它接收主控制器的命令，完成主控命令要求的计算和操作。将来自输入回路混频滤波放大混频视频检波解调微处理器频率合成滤波放大分配器正交处理滤波放大分配器相关Ａ／Ｄ数据处理相关Ａ／Ｄ输入回路混频滤波放大混频视频检波解调接收机的模拟中频信号提取，然后进行相关处理等，把信号提取出来，然后再按照探测频率进行幅度编码和距离编码，结果送入终端。原理图如下：发射同步中频信号采样频率４倍中频抽取频率４倍宽带（5）系统电源电源系统采用单相220V供电，通过多路电源转换器提供给各个单元。整机电源系统如下图。抗混迭滤波Ａ／Ｄ正交化处理抽取相关器求延时数据接口本地码多路电源转换器风机电源（ＡＣ）发射电源（ＤＣ）计算机５Ｖ５Ａ１２Ｖ１Ａ４８Ｖ３０１２Ｖ２Ａ主控电源（ＤＣ）主控电源为开关电源，输出55VA，51VA，121VA直流电压给主控机箱内的各个部分。发射机电源采用大功率电源，输出48V30A+12V1A、的直流电压，稳压电源采用了高可靠性集成电源模块，多路输出，具有交流范围宽20%,,直流稳定性高1%（）的特点。电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围（0.5～30兆赫）内连续改变。电离层测高仪进行探测时，发射机的高频脉冲振荡通过天线垂直向上辐射，不计碰撞和地磁场的影响,根据阿普顿-哈特里公式（见磁离子理论），电离层介质的折射指数为式中称为等离子体频率;f为发射频率（兆赫）。对应于电离层中某一高度的电子密度值(单位为米)各有一个fN值。利用测高仪对电离层某层进行探测时，将发射机频率f由低值逐渐增高,当f＝f时，＝0，电波就从与相对应的高度反射回来。如果该层最大电子密度值为，则从该层反射的电波最高频率为式中f为该层的临界频率如果f＞f,电波将穿过该层入射到更高的电离层次。当f的值足够高而使电波能穿过最高的层次时，这个频率即为整个电离层的穿透频率。假设脉冲波群在电离层介质中的传播速度同在自由空间中一样，那么，根据反射下来的回波脉冲与发射脉冲之间的时延，即可决定反射点的高度为式中c为真空中的光速。但实际上电离层介质中电波的群速度小于光速c。因此，由上式算出的h‘不是反射点的真正高度h，它可能比h高得多。通常称h’为等效高度或虚高。从垂测仪测出的频高图中可以度量出E、F、F1和Es层的临界频率和最小虚高等参数。通过适当的换算还可从频高图得出电子密度随高度的分布。三．基本原理（1）通过使用电离层测高仪从地面对电离层进行的常规探测。测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间（称为时延），从而获得电离层电子密度的高度分布。这种方法通过垂直向上发射高频无线电脉冲，频率f在1～30MHz范围内变化（频率扫描），接收在不同频率上由电离层反射的回波（Echo），测量回波的传播时间τ，或者虚高（h’=cτ/2）随频率变化的频高图。根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，如F层临界频率foF2，最大电子密度NmF2，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的一维分布，即电子密度剖面。（2）描述无线电波在电离层中传播的理论基础是根据磁离子理论推出的A-H公式，对于高频无线电波，电离层中电子与其它粒子碰撞频率ν/2π～10-10³Hz，参数Z=ν/ω1，碰撞项可以忽略，A-H公式简化为：其中：fp—等离子体频率，f—工作频率即电波频率，Ne—电子的数密度e—电子电荷，m—电子质量，ε0—自由空间介电常数，θ—地磁场与波法线夹角，H0—地磁场强度fH—磁旋频率μ0—自由空间磁导率，νe—电子的有效碰撞频率根据电磁波传播理论，垂直入射进入电离层的电磁波将在n2=0处发生反射。由上式可以证明，发生反射时（n2=0）参数X和Y满足以下关系：X=1寻常波X=1+Y非常波X=1-Y非常波即电波频率fp、电子等离子体频率f、电子磁旋频率fH满足：因为X恒大于零，故只有当Y1(即fxfH)时X=1-Y才有意义，所以：1)当ffH时，反射条件为：X=1(寻常波)，X=1+Y(非寻常波)；2)当ffH时，反射条件为：X=1(寻常波)，X=1-Y(非寻常波)。（3）通常垂直探测方法提供以下电离层参数：02fF：2F寻常波临界频率。2XfF：2F层非常波临界频率。0fE：E层临界频率。0sfE：sE层临界频率。bsfE:sE层遮蔽频率，即sE开始变为透明的寻常波最低频率。minf：定义：是在电离图上记录到的反射回波的最低频率。/2hF:2F层最小虚高。/1hF:1F层最小虚高。/hE:E层最小虚高。/shE：sE层最小虚高。其中比较重要的参数minf：频高图上观测到的回波最低频率，此参数是电离层垂直探测仪性能的一个指标，也可以作为电离层对回波吸收强度变化的指标。（4）电离层垂直探测中的频高图电离层测高仪接收到的反射回波的往返传播时间为：单程传播时间通常用虚高cτ/2来度量：其中c是真空中的光速，τ是电波往返传播时间，B是磁场强度，Ne是电子数密度，f是电波频率，μg是群折射指数。因为群速度总是小于真空中的光速，所以真实反射高度总是小于虚高。频高图就是反射虚高随电波频率变化的曲线。图1.1所示的是在北京观测站（40.3N，116.2E）利用CADI数字测高仪所测得的2006年4月8日10:35LT时刻的频高图。可以计算出虚高为：令：则当N(h)剖面出现极大值，即变化率dN/dh→0时，h’(f)→∞，曲线呈现出极大尖点，也就是说，h’(f)曲线的极大尖点所在的频率与某一层的峰值临界频率相联系。从频高图h΄(f)~f曲线反演电子密度剖面的问题归结为求解积分方程式虚高的问题，求解的未知函数是作为真高hr函数的电子密度N(h)，或者是作为等离子体频率函数的真高hr(fp)。对于忽略地磁场影响的简单情况，积分方程（1.9）具有阿贝尔积分方程的形式，对于N随h单调上升的情况，有精确解，此解可表示为一个定积分式：其中ZT是在频率fv上反射的真高。选定一个频率fv，利用图形积分或数值积分方法，由测量得到的离散化h’(f)函数值，求出上式的积分值，便得出与此反射频率fv相对应的真实高度。四电离层垂测图数据处理及分析下图为2008年03月01号夜间的电离层垂测图对该图进行数据分析如下：由图可以读出minf：14MHz反射回波的最低频率14MHz.bsfE:14MHzsE层遮蔽频率，即sE开始变为透明的寻常波的最小频率02fF:90MHz寻常波F2层临界频率0sfE:14MHzsE层临界频率xf：97OX层非常波临界频率0fE01fF没有数据S表示黑夜/hE：E层最小虚高/2hF：F2层最小虚高/ShE:SSE层最小虚高，由于某层电子浓度太小，不可能读取度量值。/hF:205Km1F层最小虚高205Km.通过对对回波描迹进行反演计算，我们可以计算出真高，尤其是电子密度极大值的高度和电子密度随高度的分布。另外，由上面实测电离图可以看出，存在少许离散的弱噪声（同频干扰已去除）且回波描迹存在间断，F2层X波描迹模糊，图中还出现了Es层的回波。可见，由于电离层的随机性和复杂性使得回波描迹不确定性很强，同时收到噪声的影响也很大，给回波数据信息的提取和利用造成一定的困难。从电离层探测能获得的最有物理意义的结果是反射层的真高或电子密度随高度变化的电子浓度剖面。用临界频率能以很高的精度给出最大电子浓度，但剖面参数的获得是很麻烦的，并且可能产生很大的误差。由垂测电离图分析电子浓度剖面，一般就是对积分方程（3.64）进行反演，即是从已知的虚高()hf求真高()hf。从频高图h΄(f)~f曲线反演电子密度剖面的问题归结为求解积分方程式虚高的问题，求解的未知函数是作为真高hr函数的电子密度N(h)，或者是作为等离子体频率函数的真高hr(fp)。对于忽略地磁场影响的简单情况，积分方程（1.9）具有阿贝尔积分方程的形式，对于N随h单调上升的情况，有精确解，此解可表示为一个定积分式：其中ZT是在频率fv上反射的真高。选定一个频率fv，利用图形积分或数值积分方法，由测量得到的离散化h’(f)函数值，求出上式的积分值，便得出与此反射频率fv相对应的真实高度。五电离层垂测的目的与用途随着人类科学技术的不断发展，空间环境的监测研究越来越受到人们的重视。在空间天气学和电离层探测研究需要的大力推动下，电离层地面探测技术和方法也不断得到完善和发展。而电离层垂直探测是根据电磁波垂直通过电离层传播时与等离子体相互作用所产生的电磁效应或传播特征，得出电离层特征参量，这些参数包括：电离层空间层结构（各层虚高：'hE、'''12hhshEFF、、），不同高度电离层电子浓度极值变化（各层临界频率：000102sfEfEfFfF、、、可以确定电离层电子浓度随高度的分布参数剖面()hN参