电离层加热期间非相干散射谱的反演

使用电子的超高斯分布函数,对我国电离层加热实验的非相干散射功率谱进行了反演,并讨论了非麦克斯韦指数对温度反演的影响.电子分布函数的尾向扩展会使反演过高估计电子温度,过低估计离子温度.对电子温度反演的影响则是显著的,相对误差达到了25%.在电离层加热的非相干散射谱的反演中,非麦克斯韦因素必须予以考虑.     

基于加热激发等离子体线级联结构的电子密度反演

2010年9月13日,利用欧洲非相干散射雷达协会的大功率加热设备和诊断设施开展了电离层加热实验,实验中首次由甚高频雷达探测到了长生命周期的等离子体线增强现象.通过对等离子体线的频谱分析,发现了等离子体线的cascade频谱结构,并推断参量衰变不稳定性是引起实验中等离子体线回波功率增强的原因.同时依据参量衰变不稳定性理论,给出了一种利用cascade频谱结构对加热区域电离层的电子密度反演的方法,并将反演得到的电子密度与利用有效超高频雷达数据的程序GUISDAP反演结果进行了对比,验证了该方法的正确性,分析结果表明反演结果的平均偏差仅在1％左右.新方法的提出对强扰动电离层条件下电离层参数的反演及深入理解电波能量的吸收机制和朗缪尔湍流加速电子的过程具有重要意义.     

利用数字频高图估算总电子含量

在数字频高图换算电子浓度剖面的基础上，利用卡普曼函数拟合法建立模型电离层。该模型经适当修正，即可求出任意时刻电离层总电子含量。然后，用同一地点非相干散射雷达观测值以及国际参考电离层模型分别对本方法进行检验。结果表明，这种修正模型相当有效，据此推算的总电子含量与雷达实际观测值十分接近。     

电离层非相干散射谱和自相关函数估计算法

非相干散射谱对电离层各物理参数的研究具有至关重要的作用。现有非相干散射谱模型推导和计算较为复杂,且无法给出相应的自相关函数模型。该文重新推导了电离层非相干谱的简化模型,并提出相应的自相关函数模型。在此基础上,针对非相干散射信号处理中零时延处距离模糊大、分辨率较低,导致自相关函数在不同时延处均衡性较差,影响电离层散射谱估计性能的问题,提出使用自相关函数模型估计零时延自相关值的数据拟合方法。考虑到计算复杂度,提出利用多项式函数逼近自相关函数模型的快速实现方法。最后,通过对实测回波数据处理结果的对比分析,证明了该方法的可行性,对提高电离层探测精度具有重要意义。     

非相干散射雷达参数反演误差分析

非相干散射雷达以其多参数、高精度等优点成为探测电离层参数的主要手段之一,文章主要研究利用非相干散射雷达对电离层参数反演过程中,电离层条件、反演参数选择、先验信息及时延分辨率和时延长度对电离层参量反演误差的影响.根据高、低电离层的不同条件,减少反演参数,反演误差会有一定程度的降低,但受高低电离层非相干散射模型不同的影响,低电离层参数的误差会更大;先验信息可以很有效地降低电离层的反演误差;电离层参数误差随时延分辨率降低而增大,随时延长度的增加而减小;零时延信息是否存在对误差估计的影响不大.     

利用增强等离子体谱线反演高精度电子密度

提出了一种基于非相干散射雷达（incoherent scatter radar,ISR）等离子体谱线提取高精度电子密度的方法. 以欧洲非相干散射雷达科学联合会（European Incoherent Scatter Scientific Association,EISCAT）在2015年10月31日14:00—14:09UT观测到的增强等离子体谱线为例,进行了具体的分析讨论. 首先,采用曲线拟合的方法将增强的等离子体谱线从频谱中提取出来. 然后,利用线性朗缪尔波的色散关系反演得到电子密度. 最后通过对等离子体谱线的反演进行误差分析,并与传统的离子谱线分析方法作对比. 结果表明:增强的等离子体谱线具有更高的电离层电子密度估计精度; 同时证明在非相干积累时间很短的情况下,利用等离子体谱线能够反演得到高精度的电子密度.     

电离层加热实验中反射高度下降特征的数值模拟

向电离层中注入大功率电磁波可引发地基非相干散射雷达观测的离子线和等离子体线回波功率增强现象.2010年秋季,在挪威开展了极区电离层离子线与等离子体线增强特征激发实验.实验中首次得到了VHF雷达观测的长生命周期的增强特征, 该现象系由参量衰变不稳定性引起的.另外,增强现象所处高度随加热的进行呈下降趋势,针对该特征文章给出了可能的物理机制,即该现象系由泵波促使反射高度附近的电子扩散效应增强引起的.文章利用修正的IRI和MSISE模型参数对加热实验中的反射高度阶跃性下降特征进行了仿真,仿真结果表明,加热电波引起的电子扩散效应可以使得反射高度下降,并且下降的高度与实验结果吻合较好,验证了该物理机制的可能性.     

非相干散射的一种非线性反演方法

非相干散射是从自相关函数或其功率谱来反演电离层参数,线性反演利用国际参考电离层置初始值来进行反演,若初始值与真实值偏差较大,该方法精度较差.为了解决这个问题,提出了一种非线性反演算法.该算法不受初始值影响,反演的参数精度高,仿真结果表明,其相对误差的绝对值不大于5%.     

固体火箭喷焰的尘埃等离子体非相干散射研究

航天飞机通过电离层时,喷焰提供了相较于周围等离子体的高速中性气体,与背景电离层中的O+离子交换电荷,产生环形离子分布(也称Bump-on-tail分布),这将对非相干散射雷达(incoherent scattering radar, ISR)谱产生显著影响. 基于尘埃等离子体非相干散射理论,建立了固体火箭喷焰早期离子Bump-on-tail分布的非相干散射模型,模拟并分析了尘埃掺杂和分布函数对非相干散射谱的影响,进而对其响应机制进行了解释. 结果表明,尘埃组分的引入增强了离子谱,分布函数对离子谱线的影响则与生成等离子体的谐振频率有着密切关系. 该研究对于理解自然等离子体和人工等离子体的物理性质都具有重要意义.     

电离层非相干散射雷达探测技术应用展望

非相干散射雷达是目前地面观测电离层最强大的手段.简单介绍了非相干散射雷达探测技术的基本原理和发展现状, 接着结合实测数据详细分析了该技术在电离层探测、空间物体探测、空间等离子体物理研究等方面的应用前景, 紧接着介绍了一些新方法新技术在非相干散射雷达探测中的试验和使用情况.这对提升我国电离层空间环境探测与研究水平, 推动我国首套非相干散射雷达的科学产出和应用具有重要意义.     

Spectrum analysis of ionospheric radar returns

A digital method of extracting ionospheric information from the Doppler broadening of radar signals is presented. 1 bit correlation, used by Weinreb in radioastronomy, is applied to measuring autocorrelation functions of ionospheric incoherent scatter returns. Calculated correlation functions are fitted to the observations to derive electron and ion temperatures.     

基于部分反射理论的Es层电离图描迹研究

结合欧洲非相干散射雷达和电离层垂直探测仪的观测数据,利用Es层的部分反射传播机制,研究了无线电波通过Es层时能形成较长电离图附加描迹的物理成因。基于分层媒质电波传播理论,首先计算电波在Es层中的部分反射系数,然后在利用非相干散射雷达实测电子密度合成Es层回波虚高描迹,并与实验观测到的Es层频高图进行比较。研究结果表明:部分反射理论计算的Es层电离图描迹能够与实测数据符合一致。     

傅里叶变换红外吸收光谱的温度修正方法研究

利用HITRAN数据库中常温下的线强参数修正到了测量温度,利用算法得到合成校准光谱。将合成校准光谱和实验得到的光谱进行非线性最小二乘拟合,从而得到不同温度下的标准CH4浓度。这种反演算法在常温下具有很高的精度,但随着温度的升高,浓度反演的误差逐渐增大。因此,有必要对高温气体反演进行温度修正,利用分区间给出温度修正系数的方法,结合HITRAN数据库,得到了较好的合成校准光谱。     

曲靖非相干散射雷达电离层E-F谷区电子密度日间变化特征初步分析

电离层E-F谷区是电离层探测和研究的薄弱环节之一. 文中利用曲靖非相干散射雷达日间120～200 km的电子密度观测数据,初步分析了曲靖地区电离层E-F谷区的变化特征. 发现E-F谷区结构依赖于地方时与季节,相对于正午存在对称性,同时表现为两种形态:一种在120～160 km存在明显谷区结构,谷底位于134～144 km;另一种的谷区很宽,谷底位于约130 m,在120～150 km电子密度随高度缓慢变化,160 km以上电子密度快速单调增加. 一次耀斑爆发后129 km以下电子密度迅速增加,D层电子密度突然增强,而134 km以上变化不明显,可能与X射线增强有关. 一次磁暴期间 139～158 km电子密度变化不明显,177～196 km的电子密度出现了增强现象,可能与氧原子含量增加有关.     

电离层涡旋加热波的传播特性理论分析

涡旋波加热是目前电离层加热试验技术研究的一个热点,但主要侧重于试验现象的分析和解释,对涡旋加热波传播特性及空间场分布特性的讨论很少.文章从菲涅耳衍射理论出发,利用厄米-高斯模和拉盖尔-高斯模的相互转换关系,对电离层涡旋加热波在自由空间的传播特性进行了理论分析,推导了其解析表达式.结果表明涡旋电磁波在传播时,可保持自身表达形式的不变性.依据解析表达式,仿真分析了涡旋波空间幅相分布与拉盖尔-高斯模阶数的关系,给出了涡旋场峰值波束指向的求解方法和公式.这些结论为利用涡旋波深入开展电离层加热研究,实现可控的涡旋加热场空间分布提供了一定的理论指导.     

基于多分辨率GPS层析技术的电离层暴时LSTID特征研究

利用GPS电离层层析技术探测电离层已经有了数十年的发展，特别在电离层暴时有着独特的优势.文章基于一种多分辨率层析算法，并结合美国东西部地区部分GPS地面数据对2015年3月16日-17日出现的电离层暴进行重构.首先，借助独立的测高仪数据验证多分辨率层析技术对电子密度反演的精度结果，同时也证实了电离层暴时多分辨率层析算法的适用性.其次，通过对美国东部地区2015年3月17日磁扰动最强烈时段的电离层重构，检验由磁暴引起的大尺度电离层行扰（large-scale travelling ionospheric disturbance，LSTID）的存在，并利用总电子含量（total electron content，TEC）数据分析此次电离层行扰的水平特征.同时，通过与非相干散射雷达（incoherent scatter radar，ISR）观测值的对比，借助反演得到的电子密度剖面信息讨论电离层行扰在垂向上的特征.结果表明:此次LSTID的波长为1 200 km左右，周期为50~60 min，以350~400 m/s的波速向西南方向传播，并且电离层行扰（travelling ionospheric disturbance，TID）的垂向电子密度具有较可靠的精度.     

The effect of ionospheric reflected noise on the performance of anorbital-debris radar system

An orbital-debris radar system was designed to detect the presence of small objects in low Earth orbit by reflecting radio waves off the objects. The author provides a rigorous derivation of the ionospheric reflected noise power and provides an integration over the complete pulse period. Free electrons and ions contained in the ionosphere cause incoherent scatter of the radar signal. This ionospheric reflection tends to increase the noise at the terrestrial radar receiver. A parameter called the ionospheric scattering cross section per unit volume, which is a function of altitude, is useful for computing the power of the ionospheric reflection signal. The Doppler frequency speed of the ionospheric reflected signal is also a function of altitude. The ionospheric noise of a 9-GHz orbital-debris radar receiver is computed using these concepts. Annual and diurnal variations of the noise are included     

电离层垂直剖面建模方法改进研究

垂测电离图反演对研究电离层结构、电离层波传播等具有重要意义,受到广泛的重视.模式法是垂测电离图反演较为普遍的方法,基于Reinisch和黄雪钦根据IRI模型建立的电离层垂直剖面模型,Carlo Scotto提出了一种反演电离层剖面的方法.文章基于这种反演方法对Reinisch和黄雪钦模型进行了改进,把高斯模型应用于F₁层模型,使反演后F₁层临频与实测F₁层临频基本吻合,同时应用F₁层模型的反模型——反高斯模型作为连接层以保证F₁层与F₂层剖面连续,并通过仿真分析对算法的有效性进行了验证。