电离层垂直探测

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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（Time of Flight），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

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：

ＲＸＤ

ＴＸＤ

ＳＰ

（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