电离层垂直探测
大气电离层探测实验报告
大气电离层探测实验报告1. 引言电离层是地球大气中含有大量游离气体的区域，对无线电波的传播产生较大影响。
本实验旨在通过对大气电离层的探测，了解其结构、变化规律以及对电磁波的影响，为相关研究提供数据支持。
2. 实验目的本实验旨在：1. 探测大气电离层的结构和高度分布；2. 研究大气电离层随时间的变化规律；3. 分析大气电离层对无线电波传播的影响。
3. 实验装置本实验使用了以下装置：1. 电离层探测仪：用于探测大气电离层的结构、高度和密度等参数；2. 无线电信号发射器：用于向大气中发射无线电波信号；3. 无线电信号接收器：用于接收反射回来的无线电波信号；4. 数据采集系统：用于记录和分析实验数据。
4. 实验步骤1. 设置无线电信号发射器和接收器，并确保其正常工作；2. 发射无线电波信号，记录回波信号的强度和延迟时间；3. 根据回波信号的强度和延迟时间，计算大气电离层的高度和密度；4. 连续进行多次实验，以获得更多的数据。
5. 实验结果通过多次实验，我们获得了大量数据，并得出以下结论：1. 大气电离层的高度一般在80-100公里之间，但受太阳活动等因素的影响，其高度会有一定变化；2. 大气电离层的密度在不同高度存在差异，密度较高的区域会对无线电波的传播产生较大影响；3. 大气电离层的结构随时间会有一定的变化，这种变化可能会对无线电波的传播造成干扰。
6. 结论与建议本实验成功探测了大气电离层的结构和高度分布，为进一步研究大气电离层的变化规律提供了重要数据支持。
建议在今后的研究中，加强对大气电离层的监测，并结合其他实验手段，深入研究其对无线电波传播的影响机制。
以上为大气电离层探测实验报告内容。
一种电离层垂直剖面物理模型及其与IRI—90模型的比较
一种电离层垂直剖面物理模型及其与IRI—90模型的比较第2O卷第2期2000年4月空间科学CHINESEJOURNALOFSPACESCIENCEV20No2Apr,2000一))一种电离层垂直剖面物理模型及其与IRI.90模型的比较邓悦王劲松萧佐f北京大学地球物理系100871摘要P32t在80--50Okra范围内考虑了3种中性成份的4种离子,从严格的电子和离子密度连续方程出发.对中性风和扩散效应进行了全面,连续的考虑,由此建立了～种电离层的物理模式在此模式的基础上针对北京地区分别对太阳活动低年(F1o:60),高年(n07=300) 的春(DOY=9O),夏(DOY:180),敢(DOY=270),冬(DOY=365)进行计算,并将所得结果与IRI-90进行了比较.结果表明:E层为典型的Chapman层:E_F谷区深度一般为0.2—_0.5之间,比IRI要深;F1缘在太阳活动低年的四季都出现,其中夏天最明显,已形成了一个F1层,冬天星不明显,仅表现为一个轻微的凸缘,在太阳活动高年只有夏天出现了F1凸缘,这与现有理论相符台,而IR1-90较少出现明显的F1缘F2层的电子密度是活动高年比低年大.平均冬天比夏天大,这与观测结果也基本符台关键词模式一!竺里一堡一呈:塑苎1引言,l拘檩长期以来,由于电离层物理过程研究以及电离层电波传播预报等方面的要求,许多电离层物理工作者对电离层模式进行了多方面的研究,其中国际参考电离层(IRI)是应用最广泛的一个模式11J,但IRI是一个建立在观测基础上的经验模式,并且由于探测资料在时间分布和地域跨度上的局限,这一模式在不同地区与实际观测资料相比,其符合的程度不尽相同.特别是一些作者提出ml与中国实际探测资料之间有偏差.梁尚琪利用我国北京等5个台站电离层观测记录,对各层临界频率的实测值与IRI-86的计算值进行分析比较,发现两者之间存在着显着而系统的偏离;罗发根,刘瑞源等将太阳活动峰年期间中国4个电离层站垂直探测得到的月平均电子浓度剖面与国际参考电离层IRI一90进行系统的比较_3_,结果表明国际参考电离层所计算的峰下电子含量总体来说偏大.针对IRI与我国现测资料的不同,国内不少专家都提出了自己的模式,刘瑞源等在利用中国电离层台站长期观测资料的基础上【,采用"亚大地区F1电离层顶测方法"计算和M(3000)F2提出国际参考电离层用于中国地区时的修正计算法,苏元智,黄信榆对电离层峰下结构进行了数值模拟这些模式对我国电离层形态进行了很好的描述,但都多少基于一定的观测资料或经验数据,而从物理过程的角度考虑LKI模型特点的工作则相对较少.特别要提国家自然科学基金资助项目49990454,498740411998-05-18收到原稿,1999-01-25收到管定稿104空间科学20卷出的是,E-F谷区和F1缘是电离层模式中两个较难解决的问题15J这两个问题对于建立在探测基础上的经验模式更为突出.这是因为利用电离层探测频高图求E-F谷区电离分布时,该区没有相应的反射电波描迹;而F1缘一般仅表现为一个轻微的突起,通常并不明显地形成一个层结,因此对E—F谷区和F1缘的电子浓度的实际变化了解不够,直接用IRI模型给出的E-F谷区和F缘的状态很难系统的与实际观测相比较.本模型从现有理论出发,提出一个易于操作的物理模型,尽可能全面地考虑ErF谷区和F1缘的各种过程,包括中性风,扩散和光化作甩等,希望对E-F,畚区,F1缘进行合理的描述,并以这种物理描述来与IRI一90进行比较.2电离层光化和动力学过程简述2.1光化过程由太阳紫外辐射造成的某种离子的生成率据Chapman提th的太阳辐射电离率的基础理论公式表示为):nj∑e印{一J(‰)secxdz}.我们考虑3种中性成份:O,N2和O2,4种离子:O,NON和o;,参加F列反应J:O+N2+NO;(1)NO一+eN+O:(2)Nj+N+N;(3)o;+与o+o.(4)其中2=1.2x10一(T/300)一cn1s～.dNo+=4.1×1l】一(see~To)c工Ⅱ3日一,.N;=3x10一(3O0/T.)1/scm.s一o=2.2×10一(300/T.)cms一?一般认为白天电子满足准平衡分布,并且常在整个高度上同时满足,在只讨论光化作用时,电子密度连续方程为Q一三()=0(5)参加上述光化反应的离子分别满2=~i-自的光化平衡方程,具体表达为q0+一22¨O]:0,(6)(N2][O]一No+(NOlie]:0,(7).畸一aN+IN+][eI:0,()%;一ao(o】:0(.)2期邓悦等:一种电离层垂直剖面物理模型及其与IRI一90模型的比较1(15 [eJ=(0j+[NOj+[0;J+[N;](10)Q为总的电子产生率,qo~,gN和qo为相应成份的离子产生率.由(o)--(1o)式可得: 一qo+e【1lj舯,:.+筹之+qo+1"/(oL.,=N2l,,=l-+筹去)(12)方程(11)考虑了原子成垂;}和分子成垂;}同时存在时的复合过程,两种复合过程由其随高度的变化而自然过渡.由(11)式可知,在只考虑光化的情况下电子密度可表示为:Ⅳ=虽+品√+筹令G=.对(13)式进行两种极端情况的讨论:(a)4G《1,≈0/(b)4G》1,≈~/0/Q(a)为卢型复合的表达式,(b)为型复合的表达式与1的相对关系就可知在此高度的复合形式Is】.2.2扩散过程n3)(14)因此通过判断某一高度处参数4GmdY e=一mi9--Ⅳi一V(Ni/cTi)+e(E+yi×日)一mit.'m(Vi—U)一"(i—y).(15)=一g一Nv(No)+e(E+y;×口)一me/ze(ye—U)一mi(y一y.).(16)当考虑平衡态并且忽略磁场效应时,dVi=0,dV e=0由电中性条件可知Ni=,由双极扩散条件可知:V=Vj=V,在等温的情况下可得:一%=D(+).【l7)其中,.:,=+).=2kT增r,因此,由扩散引起的运动项可表达为,[+(+)+]_,2.3中性风的作用在中性风的影响下离子产生垂盲运动的表式为106空间科学20卷箍cos¨(19)其中,w分别为中性风的东西方向,南北方向的风速,分别为离子的碰撞频率,磁回旋频率,,为磁偏角2.4模型简介本模型描述平衡态下的电子密度分布,其中的太阳辐射通量,吸收截面和电离截面取自文献『91总共考虑了从1A—l125.7A共77种不同的辐射波段,主要针对我国中,低纬(116.E,40.N)地区白天平衡态下的电离层,对光化,扩散和风的效应的考虑是自下而上连续的,而不是如同文献『71那样从中问某个高度开始加入扩散或风的效应本模型从连续方程出发:qiL(Ni)V(M)一0.(20)将运动速度写为扩散速度与由中性风引起的垂直漂移速度之和:r21,把(16),(19)带入(18)式得到805l】I]km统一的表达式:.iDj[等+(击+百1~ONi-+](.(22)i分别为0,NO,N,o再由准中性条件【e】=[o一]+[No]一【Ni]+【o;】可得电子密度.本模型从MSIS93得到有关背景中性成份的数据,有关中性风的情况由HWM90得到.3主要结果我们主要模拟了北京地区(u6.E,40.)太阳活动低年(no7=60),高年(Flo7=3{30)的春(DOY--90),夏(DOY=180),秋(DOY--270),冬(DOY=365)宁静日不同情况下中午前后(1200LT)的电离层垂直剖面的情形,这里DOY代表一年中的第几天3.1不同条件下的0分布由图l可知0一般出现两个峰,第一个峰稳定在110km附近,与E层所在位置基本重合,且峰值大小是高年比低年大,夏天比冬天大,这与E层为Chapman层的理论非常符合.第二个峰值的位置则依赖于具体条件,基本上高年比低年高,峰值大小是高年略大于低年,夏天大于冬天.3.2不同条件下Ⅳ剖面图及其与IRI的比较(1)由图3可见,E层电子密度夏天比春,秋天大,春,秋天比冬天大,高度稳定在110km左右,其年变化趋势和太阳天顶角的关系与Chapman理论相一致.本模型在E层的结果与IRI一90无论在高度和大小上都很符合,这说明模型对光化过程的考虑是合理的.模型的E-F各区比IRI,90要明显深,若谷深定义为5=(No一一～)/…,则模型的谷深一般为0.2—0.5之间,而IRI,90的谷深为0.04—01之间.2期邓悦等一种电离层垂直剖面物理模型及其与IRI一9O模型的比较107——sDringDOY90—'一AutumnDOY=270——●一SummerDOY:I80—Wint~rDOY=3650l2345Qctrf'-f(xl0)圈1太阳活动高年及低年不同季节产生率0黼高度的变化Fig.1V ariationsofelectronproductionrate0wkhakitudeforafferentmandsolaractivities ——SpringDOY90—'_SummerDOY180—_,AutumnDOY=270十wDoY365(a)LowSolarActivity.60(b)HjghSolarAnivity.f300无量纲判据4G无量纲判据4G图2太阳活动高年及低年不同季节产生率4G随高度的变化Fig2V ariationofparameter4GwithheightfordifferentEle,~Dnsandsolaractivities(2)由本模型所得到的一个重要结果表明;F-凸缘在太阳活动低年的四季都出现, 其中夏天晟明显,已形成了一个F1层,冬天晟不明显,仅表现为一个轻微的凸缘;在太阳活动高年只有夏天出现了F-凸缘,而其它情况不出现,这在物理上是合理的.因为F1区处于a型复合与口型复合的过渡区,尽管这里有一个明显的产生率0的峰值,却不一定对应电子密度的峰值,0所在的高度与F1凸缘的出现有很大关系.下面我们对图1和图2进行分析.湖邶枷枷.108空间科学20卷旦,互,E——IRI90—_|r一0urmode】005l01520ElectronConcent~tian,O()510l52025ElectronConcentmtion,cm101x10,x10)x10】图3由本模型所得的电子密度在太阳活动高年及低年不同季节随高度的变化及其与IR1.90的比较Fig3Profilesofe~ctrondensityobt~nedfrommodelofthispaperandIRI一9Dfordeffere~geB.goii.sandafierentsolaractivities表10的第二个峰值所在高度厦其对应的4G参数春夏社冬春夏秋冬低年日(km)156150l58168高年日(km)..2002304G125382276324G443622期邓悦等:一种电离层垂直剖面物理模型及其与IRI-90模型的比较109 Frequency/MHz002,04.06.080l00Frequency,MHz图4由奉模型电子密度分布转换的频高图Simulated]onogramsconvertedfromelectrondensityprofilesbased0nmodelofthispaper110夺间科学20卷60ll400201J0O∞.『40()2oo000800600400200600[图5由IRI一90电子密度分布转换的频高图Fig5Simulatedioaogramsconvertedfromelectrondensityprofielsobtainedot~enIRI一90 在太阳活动低年和高年的夏天满足4G》1的条件,此时为n型复合,而仅在型复合的情况下q的第二个峰值处才会出现一个电子密度的峰值,而这正好与图3中电子密一.—.●,..rr㈨㈣一02期邓悦等:一种电离层垂直削面物理模型及其与IRJ一90模型的比较】]1度分布相一致.而且所得结果与Rishbeth在文献ll_中提到当4G=16时将出现凸缘当4G=36时凸缘将较明显的结果也相符合在IRI-90的电子密度分布图中基本看不出Fl凸缘(3)本模型给出的F?层的电子密度变化是冬天最大,夏天最小,活动高年比低年大. 且与IRI-90模型基本一致.虽然模型算出的Q在F以上的高度上高年与低年着别不大但最终的F2峰值电子密度仍是高年大于低年,这说明主要影响F2层不是光化过程,是扩散和风的效应.(4)从图3看出,整体来说本模型给出的电子密度分布曲线比IRI模型光滑,在不同电离层区域之间的过渡比较自然,这是由于从10O500km采用了统一的数学模型,而不需要分段连接,这样的模型在对一些物理过程进行数值模拟时连续性显然要好得多.(5)为便于进一步与实际观测资料相比较,通过电子密度与等离子体频率的关系= 80.6.我们将已知电子密度的剖面图转换为频高图.通过对图4的分析可知E层和F2层在频高图中比较明显,而其位置和大小也与观测基本相符合;Fl层在低年的春天,夏天和秋天表现为一个层,低年的冬天和高年的夏天仅为一个突起而通过对图5分析可知由IRI一90的电子密度分布转换的频高图上很少出现F层,只在某些情况下出现了一些小突起,这是由于IRI一90在16Ol80km之间连接不光滑引起的,并不代表一个F1凸缘.4结论和讨论我们研究的模型由连续方程出发,在光化,扩散和中性风都考虑的情况下,对电子垂直剖面加以分析.计算结果表明F-凸缘在低年和高年夏天出现,且低年夏天最明显,这与现有理论相一致,证明本模型对谷区和F凸缘的讨论是合理的.可以说,能够较充分地反映F1缘出现的季节特征,是本模型不同于IRI一90的最重要的一方面.关于E—F谷区本模型结果明显比IRI一90深,武昌地区反演的结果也支持我们的结论.由于对谷区的直接探测有一定困难,很大程度上依赖于频高图的反演,因此我们希望本模型从较全面考虑谷区附近物理过程出发,所得结论可以作为研究IRI一90模型的一种参考当然,由于本模型对这一区域光化过程的讨论还不可能很全面,例如并未考虑亚稳态原子』,因此这个问题仍需进一步讨论.最后,前面提到本模型采用了一个统一的而不是分段连接的数学表达,给出了光滑的分布数据,这是一个优点,但也带来了一些新的问题.因为事实上一个物理模型不可能包括所有的过程,因而一些背景参数也就不可能完全取自相应的背景中性数值,例如一些反应系数,离子标高和中性标高等,在数值上均需做小量调整以保证结果连续.一方面我们应保证这些必要的调整在物理允许的合理范围内,另一方面有关参数的选取确定仍然存在一些应深^探讨的问题,摄后,由于本文目前侧重于从理论上与IRI模型相比较,因此局限于平衡状态,比较结论适用于中午前后数小时.参考文献l1Bi]itzaDedInternationalReferenceIonosphere1990Mayland:NSSDC/WDC—A-R&Sg0—2221粱尚珙.我国电离层基本参量与国际参考模式的比较空间科学,199010(2):135140112空间科学20卷_3_罗发根荨国际参考电离层IRI一99与中国实测电离层月平均电子密度剖面形状的上匕较.空间科学,l99414(41:3053ll4】刘瑞源等国际参考电离层用于中国地区时的修l卜算_法地球物理,1994,37(4):422~4325】苏元智,黄信榆.武昌电离层B-F咎匹白天变化形态地球物理.1987co(s):555559l】张顺荣等用理论模式研究电离层F1一Ledge的变化地球物理,1996.39(5):60l607 『7】高铭,萧佐～种电离层物理模型皿其在F1各医形成过程中的应用空间科学, 199212(4):287297S】RishbethH,~arrlotOKIntmductiontoIonosphericPhysicsN…Y okA㈣admiP一.19S9 WorrDGetAnExperimentalandTheoreticalStudyoftheM…DiurnalV a…itinofoNO,oandNIonsintheMid一]atltudeF1LayeroftheIo—phereJG∞P^舒,197984(A71:336337210】张顺荣,黄信榆电离层峰下鲒构的站值模拟空同乖f学,199414(2):"l2311】TaiebCGetADynamicedEffectintheIonosphericF1LayerPinnets∞ceSci.197828f11:1007～10l61TorrMR-WorrDG.TheRoleofMetastableSp~iesintheWherm0sphere+O~phys岛Phys1982,20(1):91--14413]HedinAEMSIS一86ThermosphericModelJGeophysRes,.198792(A5}46494662 14RawerK,BilitzaDInternationalReferenceIonosphere-PlasmaDensities:St…t198810{81:51415JDiemingerweta1.TheUpperAtmosphereBerlin:Springer-~%rlag1996 APHYSICALMoDELFoRIoNoSPHERIC VERTICALPRoFILEANDCoMPARISoNBETWEENITANDIRI一90DENGYueW ANGJingsongXIAOZuoDepartment0,GeophysicsPekingUniversityJBeng100871)Abstraet Aphysicalmodelforionosphericverticalprofileisestablishedtakingintoac'countfourspeciesofionsandelectronsintheregionof80—500kin.Neutralwind andi0ns'motionarebothinvolvedinthecontinuityequationsforthosefivespecies. Ionosphericprofilesindifierentseasonsat1owandhighsolaractivitiesarecalcu.1atedandcom]~laredwiththeresultsfrolnIRI一9O.Resultsshow-thatEregionisa typicalChapmanlayerandthedepthofE—Fvalleyisgenerally02～0.5whichis dee12lerthanthatgivenbvIR1-90.ThattheF11edgeismostobvionsinsummer atlowso1aractivityisconsistentwithwidelyacceptedtheories.buttheF1ledge seldomappearinIRI90InF2region,theelectronnumberdensityathighsolar activit5'isgrea~erthanthatatlowsolaractivit)r,andinwingerisgreaterthan~hat, insummerTheseal1agreewkhobservationsratherwell- KevwordsIonospheriemodelE—F~lley,F1ledgeIRI-9,。
如何进行电离层测量
如何进行电离层测量电离层测量是一项关键的科学技术，用于研究和监测地球上部层大气中的电离层。
电离层是电离大气层，高度在约60-1000千米之间，其中存在大量的电离气体。
它对无线通信、导航和卫星传输等技术具有重要影响。
在本文中，将介绍电离层测量的基本原理、方法和一些应用。
电离层的形成是由于太阳辐射中的紫外线和X射线击中大气层中的分子和原子，从而使它们失去外层电子，形成带正电的离子和自由电子。
这些自由电子和离子具有导电特性，可以反射、折射和传播无线电波。
因此，了解电离层中的电子密度分布和变化对于预测无线通信和导航的可用性至关重要。
电离层测量的常用方法之一是利用电离层的反射性质进行测量。
在这种方法中，将一束无线电波从地面或卫星发送至电离层，当它达到电离层时，会发生反射或折射。
接收站可以测量无线电波的传播时间和强度变化，从而得出电离层的一些特性，如峰值高度、电子密度分布和离子浓度等。
另一种重要的电离层测量方法是利用卫星观测。
由于电离层具有一定的垂直结构和水平变化，通过在卫星上携带特定的测量设备，可以获取大范围的电离层数据。
卫星观测不受地理位置限制，同时可以提供多维度的电离层特性，使得科学家们可以进行更加全面和准确的研究。
在进行电离层测量时，还需要考虑地球的磁场对电离层的影响。
地球的磁场会引起电离层中电离物质的运动和扩散，从而影响电离层的结构和特性。
因此，进行电离层测量时需要综合考虑地球磁场的变化，并进行相应的磁场修正，以获得准确的电离层数据。
电离层测量在无线通信、导航和卫星传输等领域具有广泛的应用价值。
它可以提供关于电离层的动态特性和错误估计的信息，以改善无线通信系统的可靠性和效率。
此外，对电离层进行准确的测量还可以帮助预测和减轻太阳风暴对通信和导航系统的干扰。
虽然电离层测量技术的发展已经取得了很大进展，但仍然存在一些挑战。
例如，电离层中的变化和扰动往往非常快速和复杂，因此需要高频率的测量和实时数据处理。
基于骨架的垂测电离图F层自动判读算法
仍有少数强离散 噪声点 。这些点 与有用描 迹 因为 断裂或扩散
产生的离散数据点形态相似 ， 直接影响后续对描迹的拟合与分
离 。本文所作 的预处理算法简述如下 ：
基金项 目：山 东省 自然科学基金 资助项 目（ Ｒ ００ Ｑ ０ ） Ｚ ２ １ Ｄ ０２
第１ ２期
蒋 百灵 ， ： 于骨 架的垂 测 电 离图 Ｆ 自动判 读算 法 等 基 层
・ ５ ７・ ４２
旋频率 的偏移且 Ｏ波在 前的规 则 ， 确定 检测 的第 一个 端点 必
定是 Ｏ波描迹的像素点 。从该端点 跟踪至第 一个交叉 点所 形 成的外分支 即为 Ｏ波描迹 的一个组成部 分。
蒋百灵 ，姬光荣 ，刘 汉 ，郑海永
（． １ 中国海洋大学 信息科 学与工程学院，山东 青岛 ２６ ０ ； ． ６ １０ ２ 海军青岛通信修理厂， 山东 青岛 ２６０ ） ６ １９
摘 要：为了实现 Ｆ层参数的 自 动度量， 为电 离层短期监测提供 实时可靠的数据 ， Ｍ Ｔ Ａ ７ ６ ０为仿真平 以 Ａ Ｌ Ｂ ．．
ｆ ＇ 即ｆ ， ｘ ｌ２（ ｘ Ｆ层反射的最 频率） Ｆ Ｉ 。本文首先从垂测电离图
中提取出 Ｆ层描迹 ， 体方 法参见 文献 ［ ］ 本 文主要 工作是 具 ８， 针对提取 出的 Ｆ层描 迹 图像 ， 利用 骨架 技术及 图像 处理 方法
进行处理和判读 。
１ Ｆ层 描迹 的预 处理
界频率 ） 在短波通信 和散 射通 信 中有 重要 应用 。图 １ 为典 型
０ 引言
电离层是近地空间环境 中能够反射 电磁波 的导 电层 ， 被广
射线追踪在电离层探测中的应用
中图分类号
Ｔ ２４ Ｐ ７
文献标识码
Ａ
文章 编 号
１０ ７２ （０ １ ０ — １ ０ ０７— ８ ０ ２ １ ） １ ０ ２— ４
Ａｐ ｉａｔｏ ｆＲａ ａ ｉ ｎ Ｉ ｎｏ ｐ ｒ ｃ Ｓｏ ｄｉ ｇ ｐｌｃ ｉ ｎ ｏ ｙ Ｔｒ ｃｎｇ ｉ ｏ ｓ ｈｅ ｉ ｕｎ ｎ
Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｉｎ ｓ ｈ ｒｃ ｍｏ ｅｓ； ｒｙ ｔａ ｉｇ； ｌｖ ｌｏ ｅｅ ｏ ｅ ｅｔ ｙ ｒ ｏ ｏｐ ｅ ｄ ｌ ｉ ａ —ｒ ｃｎ ｅ ｅ ｆｈ ｔｒｇ ｎ ｉｙ
作为 Ｅ地空 间环境 的重要 组成部 分 ，电离 层对 现 ｔ 代无线 电通 信有重 要 的影 响 。对 电离 层研究 有 着重 要 的意 义 ，不 仅有利 于认识 电离 层本身 ，寻 找克 服 电离 层可 能造成 的灾 害途径 和探求 利用 电离层 为人 类造 福 的方 法 ，而 且有利 于推 动地球 科学领 域相关 的 电离 层 理论 和应用 问题 的研究 和发展 。对 电离层 的探 测是 从 垂直 探测开 始 的 ，电离层 垂测 电子 密度剖 面反 映 了 电
离层 竖直方 向上 的分层 结构 。实 际上 电离层 是 一个 不
以及 太 阳和地磁 活动性 有关 。复杂 的 电离 层形 态 给实 际应 用带来较 大 困难 ，为 了便 于在无 线 电通信 和宇 宙 航 向等工程设 计 中的应 用 ，人 们在 大量 实测数 据 的基 础上 ，总结 出 了电离层 形态 和结构 的数学 表达 式 ，研 究最 多 的是 对无 线 电波 传播有 直接 影响 的 电子 密度 模 型 。包括 以下几种 形式 ： 查普曼模 型
抛物模 型
附 ） ：
（） ２
时 的 ，电离 层 总体 处 于复杂 的非线性 状态 。所 以电离
基于回波相位的电离层虚高的实时获取与分析
高 随发射 频 率 的 变化 图 ， 即数 字 频 高 图［ ］有 ２种 １． 最常使 用 的虚 高测量 方法 ． １ 方法 是在 １ ２ 第 种 ９ ５年
收 稿 日期
２ ８１一２ ００ — Ｏ １
作 者 简 介 朱正平 （９ ８）男 ， １ ６一 ， 博士 ， 副教授 ， 研究方 向： 电离层无线 电探测与诊断 ， 信号实时检测 与信 息处 理 ， 片机与 单
Ｄ Ｐ系 统 开发 与 应 用 ， — ｉ： ｐｈ ２ ０ ＠ｓｎ．ｏ Ｓ Ｅ ｍａｌ ｚｚ ｕ ０ ７ ｉａ ｃｒ ｎ
Ｖｏ ＿ ７Ｎｏ ４ 【２ ．
Ｄｅ ． ０ ８ ｃ ２ ０
基 于 回波相位 的 电离层虚 高 的 实时获取 与分 析
朱正平， 锟， 陈 周健勇， 蓝加平， 李宁丽
（ 中南 民族 大学 电子 信 息工 程 学 院 ， 汉指 出 了通 过 测 量 电离 层 反 射 回波 的相 位 随 频 率 的 变 化 可 以提 高 电 离 层 虚 高 测 量 精 度 ， 析 了利 用 电离 层 分
电离层 数字测 高仪是地 面观测 研究 电离 层 的主
要无 线 电探测 设备 ， 的主要应 用 是测 量 电离层 虚 它
１２ ９ ６年 由 Ｂ ｅｔ Ｔｕ ｅ提 出并首 先使用 ， ｒｉ 和 ｖ 这也 是截
止 到 目前 为止 最常 使用 的虚高 测 量方 法． 这种 方 在 法 中， 过垂 直发 射扫频 高频 脉 冲波 ， 电波频 率 厂 通 当 等 于 电离 层 等离 子频 率 厂 时 ， 信号 发生 反 射 ， 量 测 从 电离层 反射 回波 到 达接 收机 的时 间延迟 ， 得各 获
电离层模型参数
电离层模型参数
电离层模型参数是指描述电离层特性的数值参数，包括电子密度、电离层高度、电离层电子温度、电离层漂移速度等。
这些参数对于无线电传播、卫星导航等应用具有重要意义。
电子密度是电离层模型参数中最基本的参数，它描述了电离层中单位体积的自由电子数目。
电离层高度则是指电离层密度等于某一固定值的高度，通常是电子密度的一半。
电离层电子温度则是指电离层中电子的平均动能，它对于无线电波传播的影响比较显著。
电离层漂移速度则是指电离层中带电粒子在磁场作用下的运动速度，它对于卫星导航的精度补偿具有重要作用。
电离层模型参数的测量方法主要包括地基观测、卫星探测、雷达探测等。
其中，地基观测是最常用的测量方法，通常采用电离层垂直探测仪、电离层扰动探测仪等设备。
卫星探测则是通过卫星搭载电离层探测仪实现，可以获得全球范围内的电离层参数信息。
雷达探测则是利用雷达信号穿过电离层，测量其反射特性，进而推算电离层参数。
电离层模型参数的精度对于相关应用非常重要，因此相关领域的研究者一直致力于提高电离层模型参数的精度和可靠性。
同时，电离层模型参数的研究也为我们更好地理解电离层的物理特性提供了重
要的资料基础。
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近地空间电场中电离层扰动特性分析
近地空间电场中电离层扰动特性分析电离层是大气层中高空区域的电离气体层，它主要由被太阳光子电离的大气分子组成。
电离层是一个普遍的自然物理现象，它对许多方面的无线电通信和导航技术都有着重要的作用。
但是，近年来一些异常现象的出现，如电离层扰动，给这些技术造成了一定的影响。
本文将探讨近地空间电场中电离层扰动的特性分析。
一、电离层扰动的定义和原因所谓电离层扰动，是指电离层中存在一些与平时不同的异常电波传播现象。
具体表现为：电离层中的电子分布不规则，在空间位置上和时间上有很大的变化，使得电波传输过程中被散射、折射、吸收等；导致通信信号质量下降，甚至无法传送或者误差很大。
那么，什么原因会引起电离层扰动呢？主要是以下三个方面：1、太阳活动度的变化。
太阳活动度的变化与电离层的扰动程度具有密切关系。
太阳活动高时（如太阳黑子活动高峰期），大量日冕物质抛射，会使宇宙辐射增强，进而引起电离层内的电离作用加剧、电离程度提高，变得更加复杂和不确定。
与此同时，高能粒子的轰击也可能损坏人造卫星的电子设备。
2、空间天气。
空间天气是指太空中大气层中的物理现象，比如太阳风、太阳辐射、磁层扰动、宇宙射线等。
这些现象能改变大气的化学、热、动力、电学性质和大气层中磁场分布，从而导致电离层的扰动。
3、地球物理活动。
地球物理活动指的是地震、大气爆炸、火山爆发、气象灾害等自然灾害。
这些活动会引起地球内部物质的物理化学性质变化，从而影响附近的电离层活动。
二、电离层扰动的分类电离层扰动的分类主要依据其波动特性，可分为四大类：1、基础电离层扰动。
基础电离层扰动主要表现为频率在2MHz以下的电波传播变化，也称为短波缓变扰动。
这种扰动由太阳辐射、地球磁场和天气变化等因素引起，时间规律明显，对通信影响不大。
2、大范围离子密度不规则扰动。
这种扰动波长通常为数十到数百公里以上，时间约为几分钟到半小时，主要是由等离子体不稳定性引起。
这种扰动对于中短波通信影响不大，但对于短波通信和导航系统影响很大。
基于国家电波观测站网电离层垂测数据的地震电离层异常研究进展
基于国家电波观测站网电离层垂测数据的地震电离层异常研究进展吴健;徐彤;胡艳莉【摘要】地震电离层异常现象已被大量观测所证实,地震电离层异常的特征分析及其物理机理研究对开展地震监测意义重大.近年来,中国电波传播研究所利用国家电波观测站网长期积累的电离层垂测数据,开展了震例分析及其机理研究,初步获得了震前电离层的异常特征,并建立了岩石圈-大气层-电离层电场耦合物理模型.本文简要介绍了近年来我们在该领域的研究进展,并对该领域的发展方向提出建议.【期刊名称】《地震学报》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】11页(P345-355)【关键词】电离层异常;临界频率;异常电场;重力波【作者】吴健;徐彤;胡艳莉【作者单位】中国山东青岛266107 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室;中国山东青岛266107 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室;中国山东青岛266107 中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术重点实验室【正文语种】中文【中图分类】P352.3强震前的电离层异常现象常常被称为地震电离层前兆(Pulinets， Boyarchuk，2004)，是地震前产生的一种地球物理现象，对该现象的研究始于20世纪60年代中期． Barnes和Leonard(1965)首次报道了1964年阿拉斯加大地震期间存在显著的电离层异常现象．从此，地震电离层异常成为地震、地质、地磁、地电、电离层和中高层大气等多个学科交叉的科学问题．由于地震电离层异常通常发生在地震前数天内，可作为地震预报的重要辅助信息，因此得到国内外研究人员的广泛重视．目前，俄罗斯、法国、美国、日本和中国台湾等地区对地震电离层异常开展了广泛的监测及其特征研究(Pulinets et al， 2003; Liu et al， 2009; Li，Parrot， 2013)．目前，地震电离层异常研究主要基于地基电离层测量数据(如电离层测高仪数据、总电子含量、甚低频信号幅度等数据)及卫星数据(等离子体参数、电磁场强度等)．大量研究已表明，电离层测高仪自1925年发明以来，一直是监测电离层变化的有效技术手段(熊年禄等， 1999)．利用电离层测高仪数据，科研人员开展了大量的震例分析，试图找出地震电离层异常的规律． Chen等(1999)的统计结果表明： 73%的M5地震在震前5天内记录到电离层异常；对于M6地震，其概率则超过90%．利用中坜站电离层F2层临界频率(foF2)数据， Liu等(2000)针对1994—1999年M>5地震的统计分析结果表明，地震电离层异常具有局地性，且主要发生在当地时间12:00—18:00．尽管已有较多的电离层异常研究成果，但是由于电离层本身变化复杂，且统计样本较少，地震电离层异常的规律尚无定论．另一方面，地震电离层异常引起了地球物理界的关注，并尝试探求其物理成因．目前，主流的成因假说有两种，一是重力波假说(Shalimov， 1992)，二是异常电场假说(Kim et al， 1994)．其中，重力波假说能够很好地解释电离层的同震效应(即地震发生后，短时间内的电离层波动现象)，但其无法解释震前数天的电离层异常现象．随着卫星观测到震前异常电场的报道越来越多，异常电场假说成为接受度最高的理论，其相关研究进展可查阅Pulinets和Davidenko(2014)的综述．20世纪30年代我国科研人员也开始了实验性的电离层观测和研究．二战期间，以服务短波通信为目的，在重庆建立的我国第一个常规电离层垂测站(现在的重庆电波观测站)， 1943年4月正式开始了我国常态化的电离层垂直探测，至今已积累了连续70多年的电离层观测资料，为开展震例研究提供了丰富的基础资料．经过数十年的电离层观测站网建设，我国已形成了具有宽地域覆盖、高空间分辨、全天候常规电离层观测能力的观测网络．我国基于电离层垂测数据的地震电离层异常研究则始于1976年的唐山大地震之后. 20世纪80年代，中国电波传播研究所投入大量人力开展相关研究，并在2008年汶川地震前观测到震中附近foF2呈异常变化．近年来，在国家有关部门的大力支持下，依托国家电波观测站网和中国地震局地震台站观测网，以首都圈为重点区域建成了电离层地基高分辨率观测网，用电离层测高仪和电离层斜探测仪组网对电离层异常开展高分辨观测，并于2009年成立了电离层地基高分辨率观测数据中心，实现了与中国地震局实时数据共享并为其提供信息服务．同时，中国电波传播研究所积极组织科研队伍，利用电离层垂测、斜测、总电子含量等多种数据深入开展地震电离层异常特征及机理的研究(Xu et al， 2010a， b， 2011a， b， c， 2012， 2015a， b；Hu et al， 2013; 徐彤等， 2011， 2012， 2013)，本文将重点介绍近年来我们在这方面的研究进展．2008年5月12日汶川大地震是目前研究最为深入的震例，对于其震前电离层异常变化特征的认识也比较一致． Zhao等(2008)首次报道了汶川地震前的电离层异常现象，分析了武汉站和厦门站的电离层垂测数据，结果显示震前3天即5月9日午后，电离层foF2异常增加． Liu等(2009)通过分析GPS总电子含量数据，也得到了相似的结论．我们利用重庆、海口、兰州、拉萨等多个台站的电离层垂测数据，详细分析了汶川地震前的电离层异常变化特征(Xu et al， 2010a， b， 2011b)．图1a给出了2008年5月9日16时震中附近重庆站观测到的电离层电子密度扰动变化．可以看出： F2层电子密度(对应foF2)显著增加，约为背景参考值的3倍多；而其它高度，如F1层和E层，其电子密度变化相对不够明显．图1b为电子密度扰动的三维分布，可见扰动主要局限在震中的F2层．图2给出了汶川地震前电离层foF2扰动增量在全国的二维分布，可以看出，震前电离层异常扰动主要集中在震中附近，具有显著的局地性．这就要求地震电离层异常监测的水平分辨率要高．天基探测手段也捕捉到了该次地震的电离层异常信息， Liu等(2009)基于COSMIC掩星数据的研究结果也显示F2层电离层异常增加．此外，关于2010年1月12日MW7.0海地地震(Liu et al， 2011)和2011年3月11日MW9.0日本地震(Xu et al， 2011c)的研究也较为深入，其结果也显示出类似的电离层异常特征．通过上述分析可知，汶川地震前数天，震中附近电离层F2层的电子密度异常在午后时段显著，而电离层其它区域(如F1层， E层)的电子密度(或foF1， foE)变化特征相对不够明显．因此在电离层垂测参数中， foF2对孕震过程的响应最为敏感．鉴于电离层foF2对地震响应的高度敏感性，本文利用四分位数法(Liu et al，2000)对1960—2008年我国发生的14次M>7.0地震前的电离层foF2参数进行研究，详细分析地震电离层异常foF2扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点(徐彤等， 2012； Xu et al， 2015a)．统计结果表明，其中12次地震(85.7%)在震前出现电离层异常(主要为正扰动)，并且大部分异常发生在震前7天以内的当地时间11:00—17:00(图3， 4)，与Liu et al(2000)的研究结果基本一致．此外，电离层foF2扰动幅度与即将发生的地震震级、震中距有不同程度的相关性．随着震级的增大，电离层扰动量也增加，二者呈明显的正相关关系，如图5所示．地震电离层异常的扰动量，除了与震级有关外，还可能与震源深度、观测站相对于震中的距离及方位有关，这些因素可能共同决定着地震电离层异常的强度．此外，孕震过程对电离层的影响局限在一定的空间尺度范围内．忽略岩石密度和地质条件，地震释放到地表的能量将随距离平方而衰减．因此，对于同一震级的地震，震源深度不同，孕震过程释放到地球表面的能量会不同，可能会对电离层产生不同程度的影响．由于所选取的地震事件样本有限，而且这14次地震大多是浅表地震，所以本文未分析电离层扰动与震源深度之间的相关性．电离层foF2的变化极易受到太阳活动及地磁活动的影响，变化复杂．强太阳活动，如日冕物质抛射事件，向行星际空间喷射大量的等离子体云，等离子体云经1.5—3天到达地球，与地磁场作用产生强烈的地磁扰动，形成磁暴．磁暴期间，自磁层向下沉降的高能粒子对高纬度热层底部中性大气加热，并使之膨胀，导致全球范围内的电离层foF2产生剧烈扰动(增加或减少)．此外，即使在地磁活动平静期间，电离层foF2亦可能出现显著扰动(称为磁静日扰动)(Mikhailov et al，2004)．因此，判定电离层异常是否与地震有关，需开展电离层foF2震前变化特征与磁暴(磁静日)期间foF2变化的区别研究．3.1 与磁暴电离层扰动区别关于汶川地震的分析已表明，震前电离层foF2扰动主要集中在震中附近，具有明显的局地性特征(Zhao et al， 2008; Xu et al， 2010a， b， 2011b)．而磁暴期间，电离层扰动具有全球尺度特征．图6给出了2014年7月27日磁暴期间电离层foF2扰动的分布．与图2相比，磁暴期间电离层扰动的空间尺度更大，扰动更复杂．3.2 与磁静日电离层扰动区别我们利用我国电离层垂测站网在第21—23太阳周长达约30年的foF2数据，分析foF2在磁静日的扰动特征(Xu et al， 2015b)．研究结果表明，磁静日电离层foF2正扰动主要发生在夜间，白天相对较少，如图7所示．而地震电离层异常的统计研究 (Liu et al， 2000)表明，震前正异常主要发生在白天午后(图4)，与磁静日电离层foF2正扰动时间正好相反．因此，在我国磁静日期间，当白天电离层foF2显著增加时，应引起重视，并结合其它诸如区域分布特征等信息来判断其是否为地震异常．地震电离层异常的物理机理研究，可以加深对现象的认识，有利于建立可靠的预测模型．然而，目前孕震过程所引起电离层异常的物理机理尚不确定．分析电离层异常扰动的成因，需厘清控制电离层状态的基本物理过程．电离层F层的离化源主要是太阳紫外、极紫外辐射等，所以太阳辐射所产生的光化学过程对电离层起决定性作用．除了受太阳活动控制外， F层还会受到各种动力学过程的影响，如热层环流、E×B漂移等．因此，可以用包含上述控制因素的等离子体连续性方程和动量方程来描述电离层的状态, 具体表达式为式中： Ni为离子浓度， Pi为离子压强， mi为离子质量，νin为离子碰撞频率；qi为离子的产生率，与太阳辐射强度有关；βi为离子的复合率，取决于中性成分； E为电场强度， B为地磁场强度， Vi为离子运动速度， U为水平中性风．式(1)和式(2)表明，可以认为太阳活动和地磁活动宁静期qi和βi基本不变，电子密度的扰动主要是由式(1)左边的第二项·(NiVi)所表示的输运过程引起．而引起速度Vi显著改变的因素，可能性较大的只有风场U和电场E，前者对应“重力波”假说，后者则对应“异常电场”假说．4.1 大气重力波假说检验重力波假说最早由Shalimov(1992)提出．由于地壳的块状构造，孕震过程所引起的重力振荡的幅度随距离地面高度的增加而增加，震前这些振荡瞬间像“活塞”似的影响到大气层，产生内重力波．重力波(声重波)抵达电离层后，引起电离层高度的中性风场U的波动，影响电离层输运过程，电离层发生扰动． Pulinets和Boyarchuk(2004)对该理论表示质疑，并指出重力波向上传输过程中由于受到中性风、热传导和其它扩散过程的影响而很难传到电离层高度．此外，强震发生时电离层受重力波的影响，扰动幅度仅为1-2 TECU，因此无法解释震前数天显著的电离层异常．以上均为对电离层异常的定性分析. 为了进行定量分析，徐彤等(2011， 2013)利用大气运动方程，结合地震能量激发因素，开展了大气重力波引起电离层异常扰动的验证研究；其结果表明，重力波无法引起震前电离层的显著扰动．此外，徐彤等(2011， 2013)也检验了Hegai等(2006)提出的异常电场在电离层高度激发重力波的理论；其模拟结果表明，电子密度扰动甚微(图8)，与我国实际观测相差甚远. 可见，该理论同样无法解释地震电离层异常现象．4.2 异常电场提取与建模异常电场假说由Kim等(1994)提出，经不断完善，成为目前认可度最高的一种假说．在地震孕育过程中除了力学过程，还伴随放射性化学过程，如氡气辐射．中性大气被地下逸出的氡气电离，并与水分子集合形成中性离子团．在地震孕育区上方接近地表的大气中富含这些中性离子团包裹的隐形离子．地震孕育区的地壳释放气体主要为CO2．中性离子团被这些气体破坏，以致于在很短的时间内，地表大气中产生大量的离子，最终形成一个异常电场E传输至电离层高度，通过电动力学过程，改变了电离层的状态．4.2.1 电场异常强度定量估算国内外研究人员关于汶川地震前电离层异常的认识较为统一，因此，本文利用汶川地震前震中附近的5个站(海口、广州、昆明、拉萨、重庆)的电离层垂测数据，借助电离层电子密度与峰值高度、漂移速度的经验模型，定量估算电离层高度异常的电场强度为(Xu et al， 2011b)式中， E为电场强度， B为地磁场强度， hm为最大电子密度高度， Nm为最大电子密度， I为磁倾角．计算结果显示，异常电场强度约为1.0 mV/m，且局限在震中附近(图9a)，其强度与零星的电磁卫星观测资料相符．此外，利用本文建立的一维电离层时变物理模型(图8a)，讨论不同外加电场条件下电离层电子密度的扰动响应．模拟结果表明， mV/m量级的异常电场可以引起电离层F层电子密度的显著扰动(图9b )，与实际观测的数量级一致．4.2.2 岩石圈-大气层-电离层电耦合建模传统理论认为，震前放射性物质氡气的释放能显著改变近地面大气的电特性，形成异常电场渗透到电离层高度，从而引起电离层异常．然而，这些研究多是定性分析．虽然欧美部分研究人员的模拟结果显示电场穿透效率低，但遗憾的是这些模拟并未考虑到氡气异常的离化作用，因此经典的氡气释放激发电场渗透理论遭到质疑．上述电场穿透过程可用·J=0，J=σ·E及E=-Φ等方程描述，考虑到中性大气的各向同性特征，可以得到式中， E为电场强度， J为电流密度，σ为电导率标量，Φ为电势．将本文建立的氡气释放增强大气电导率的模型嵌入式(4)(Xu et al， 2015a)中，模拟结果表明，氡气异常释放时，近地表电导率可以显著增加60%，电离层高度电场亦有相应程度的增加，但其量级仅为μV/m，故该理论也无法解释震前的电离层异常现象(图10a)．此外，由于海水的导电性和流动性，氡气异常释放假说同样也难以解释海上强震前的电离层异常．另外一方面， Freund (2010)试验表明，震前由于岩石挤压可以形成强度为0.1-10 μA/m2的地表电流．考虑地表电流因素后，计算发现在电离层高度电场幅度达到mV/m量级时，会引起电离层电子密度显著扰动(图10b)，给建立地震电离层异常因果链带来了曙光．但是，该强度的电流是否存在，尚需进一步确认．关于震前电离层异常现象的研究已经长达半个世纪之久，特别是2008年汶川地震前电离层异常现象的报道，使得地震电离层异常效应倍受关注．近年来，中国电波传播研究所在国防科技工业技术基础及国家自然科学基金等项目的支持下，利用国家电波观测站网电离层垂测数据深入地开展了汶川地震及1960年以来我国其它14次M>7.0强震前的电离层异常变化分析．研究表明，电离层垂测参数中，foF2震前异常最为显著，而其它层(如F1层、 E层)的参数变化不够显著．地震电离层异常一般发生在震前数天内的午后时段，具有局地性特点，具有区别于磁暴、磁静日电离层的扰动特征．另外，我们检验了传统的“重力波”及“异常电场”假说，并积极探索和发展地震电离层异常电场驱动理论，初步建立了岩石圈-大气层-电离层电场耦合物理模型．相关研究表明：“重力波”假说能够很好地解释电离层同震时的波动现象，而无法解释震前异常扰动现象；而基于电场驱动的“异常电场”假说，如氡气释放引起的电场穿透理论、岩石压力形成的电流传输理论，优于重力波假说．孕震区岩石压力形成的电流会引起电离层电场异常的假说，较氡气释放电离层电场导致异常的假说更具有优势，但是岩石压力形成电流理论还需试验进一步证实．尽管对地震电离层异常的规律及其机理的认识在不断加深，但是由于电离层自身特点的多样性及岩石圈与电离层耦合的复杂性，地震电离层异常的特征及机理尚不确定．若将地震电离层异常作为地震前兆应用于实际的地震预报，在电离层多手段监测、异常规律认识、信息识别和提取以及机理研究等方面还有许多工作亟需开展．今后的主要发展方向如下：1) 发展天地基联合监测手段. 地震电离层异常监测对监测手段的时间和空间分辨率要求很高．因此，可以利用传统的地基(如垂测)和新发展的天基电离层探测手段，对电离层进行联合监测，相互补充，形成天地一体化的监测网络．天基观测可实现全球范围电波环境的连续观测，尤其是在海洋等难以大量地面建站的区域．我国目前的电离层地基观测站网，基本以服务电波传播应用研究的需要为出发点，覆盖我国主要空间区域．地震电离层异常具有显著的局地性特征，对电离层观测的水平分辨率要求高得多，现有电离层观测站网有待进一步优化、补充．建议在当前站网能力条件下，通过独立建站、合作建站、数据共享等多种方式，加强对地震多发地区的电离层观测．2) 加强地震电离层异常规律及机理研究．虽然国内外对地震电离层异常的规律及物理机理进行了大量的研究，但是还处于初步探索阶段，需要投入大量人力，持续深入开展地震电离层异常数据统计及物理成因研究．对地震电离层异常规律的认识，尚存在诸多不一致甚至矛盾之处．在机理研究方面，虽然大气重力波假说遭到质疑，但也不能否认部分研究人员对该假说的支持．电场异常假说可以解释目前地震电离层异常的众多特征，但是地震孕育期间是否存在地表异常电场，尚存争议．由于卫星对某定点的连续监测能力低，电离层高度异常电场是否存在，还有待于电磁监测试验卫星直接测量和地面观测数据的证实．因此，建议在加强对电离层电场异常的天基直接观测的同时，加强对地面电场变化的监测．3) 加强交流合作．开展地震电离层异常研究的团队较多，但力量和学科均很分散．除了与中国地震局牵头的国内多家单位的有限合作研究外，还应加强与外部的交流合作．台湾地区刘正彦研究团队的成果最具代表性． 2006年，台湾地区“太空中心”与美国“大学大气研究联盟”联合研制的“福卫三号”卫星(COSMIC)成功发射，目前已经积累了数年的可用数据．该团队开展地震电离层异常研究较早，数据处理技术先进，并且最早提出电离层异常标准，积累了丰富的地震电离层异常提取经验．而大陆目前还没有发射类似的电离层监测卫星，电离层天基监测数据匮乏．此外，法国DEMETER卫星数据也是我国急需的数据，俄罗斯Pulinets教授团队是目前地震电离层异常机理研究最为深入、影响力最大的团队．我国电离层地基测量数据丰富，但是目前缺乏电离层天基测量数据，机理研究尚处于起步阶段．因此，加强合作，优势互补，联合攻关，进一步深化地震电离层异常研究，以推进地震电离层异常监测预警技术的发展．徐彤，吴健，吴振森，胡艳丽，李春斌. 2011. 地震电离层异常机理初探：大气重力波[J]. 电波科学学报， 26(增刊): 190--193.Xu T， Wu J， Wu Z S， Hu Y L， Li C B. 2011. 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Giant disturbancein the ionospheric F2 region prior to the M8.0 Wenchuan earthquake on 12 May 2008[J]. Ann Geophys， 28(8): 1533--1538.Xu T， Wu J， Zhao Z， Liu Y， He S， Li J， Wu Z， Hu Y. 2011a. Communication on “Monito ring ionospheric variations before earthquakes using the network of vertical and oblique ionosondes over China”[J]. Nat Hazards Earth Syst Sci， 11(4): 1083--1089.Xu T， Hu Y L， Wu J， Wu Z S， Li C B， Xu Z W， Suo Y C. 2011b. Anomalous enhancement of electric field derived from ionosonde data before the great Wenchuan earthquake[J]. Adv Space Res， 47(6): 1001--1005.Xu T， Chen Z， Li C B， Wu J， Hu Y L， Wu Z S. 2011c. GPS total electron content and surface latent heat flux variations before the 11 March 2011 M9.0 Sendai earthquake[J]. Adv Space Res， 48(8): 1311--1317. Xu T， Hu Y L， Zhang H L， Chen Z， Wu J， Xu Z W. 2012. Ionospheric disturbances on 8 September， 2010: Was it connected with the incoming moderated Chongqing earthquake?[J]. Adv Space Res， 50(2): 205--210. Xu T， Hu Y L， Wang F F， Chen Z， Wu J. 2015a. Is there any difference in local time variation of ionospheric F2-layer disturbances between the earthquake-induced and Q-disturbance events?[J]. Ann Geophys， 33(6): 687--695.Xu T， Zhang H L， Hu Y L， Wu J. 2015b. Electric field penetration into the ionosphere in the presence of anomalous radon emanation[J]. Adv Space Res， 55(12): 2883--2888.Zhao B Q， Wang M， Yu T， Wan W X， Lei J H， Liu L B， Ning B Q.2008. Is an unusual large enhancement of ionospheric electron density linked with the great Wenchuan earthquake?[J]. J Geophys Res， 113(A11)：A11304. doi:10.1029/2008JA013613.。
电离层术语——精选推荐
电离层术语1 电离层ionosphere地球大气的一个区域，高度范围距地面约60 km～1000 km，存在着大量的自由电子，足以显著地影响无线电波的传播。
2 电离层天气ionospheric weather瞬时或短期的电离层变化状态。
3 电子密度剖面electron density profile电子密度随高度的分布。
4 D层 D layer电离层的一个分层，高度范围距地面约60 km～90 km，其峰值电子密度约为108 ~1010/m35 E层 E layer电离层的一个分层，高度范围距地面约90 km～130 km，其峰值电子密度约为109 ~1011/m3，该层夜间基本消失。
6 F层 F layer电离层的一个分层，高度范围距地面约130 km到电离层顶部，其峰值电子密度约为1011 ~1012/m3，F层是表征整个电离层基本特征的重要区域，常在白天，特别是夏季白天，F 层可再分为F1 和F2层。
7 F1层F1 layerF层出现分裂时下面的分层，高度范围距地面约130 km～180 km。
8 F2层F2 layerF层出现分裂时上面的分层；F层不分裂时，它是唯一的层。
9 顶部电离层topside ionosphereF层最大电子密度所在高度以上的电离层区域。
10 底部电离层bottomside ionosphereF层最大电子密度所在高度以下的电离层区域。
11 偶发E层sporadic E layer在E层高度上偶然出现的电子密度不规则区，厚度从几百米至一二千米，最大电子密度有时甚至超出F2层最大电子密度。
12 扩展F Spread F出现于F层的不均匀结构，在电离图中表现为F层回波描迹的扩展。
13 电离层突然骚扰sudden ionospheric disturbance （SID）太阳耀斑期间电离层电子密度突然变化引起的电波传播异常现象。
14 电离层暴ionospheric storm地磁暴期间电离层出现的剧烈变化现象。
电离层的探测与骚扰预报
监测检测电离层的探测与骚扰预报文丨中国电波传播研究所北京研究中心陈玉莲付炜赵阳路韩婧摘要：电离层是指位J •地面60k m 至1000k m 处的被ill 离了的大气层。
电离层对电波传播的影响W 人类活动密切相关，通过对电离以的探测nj 获取ill 离U 物P I !特性参量随丨丨、季节、尔、太阳活动、地_邱坏境等变化的分布、变化规律。
本文主要讲述了电离层探测的方法、太m 活动对电离层的影响、电离层扰动对人炎的影响、对电离层进行常规监测及骚扰预报的ffl 耍性以及电离U 扰动与地谣的关系。
关键电离层探测电离起骚扰颅报电离W 骚扰与短波通倍电离反扰动与地震0引言电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无 线电通信、广播、无线电导航、雷达定位等。
尽管当前新 型无线电通信系统不断涌现，但短波这一古老和传统的通 信方式仍然受到全世界普遍重视，不仅没有被淘汰，目前 仍在快速发展。
短波通信有自己独有的优点，如短波是唯 一不受网络枢纽和有源中继体制约束的通信方式，短波通 信适用于山区戈壁和海洋等地区，并且比卫星通信便宜等。
基于这些优点，短波通信在捕鱼业、航空业、远洋通信等 领域具有不可替代的地位，因此保障短波的通信质量具有 巨大的经济效益。
短波通信是频率为3M H z 到30M H z 的电磁波主要通过电离层反射进行的远距离无线电通信。
通过对电离层的探测可获取电离层物理特性参量随日、季 节、年、太阳活动、地理环境等变化的分布、变化规律， 这些特性参数将对短波通信、广播、导航、定位等电离层 效应提供修正参数。
1电离层探测方法(1 )电离层探测分直接探测和间接探测。
直接探测是用火箭、卫星等空间飞行器，将探测装置携带到电离层 中，探测电离层等离子体或环境对装置的直接作用，以获 得电离层特性参量；间接探测是依据天然辐射或人工发射 机发射的电磁波通过电离层传播时与等离子体相互作用所 产生的电磁效应和传播特征，推算出电离层特性参量。
一种短波通信信道探测技术
一种短波通信信道探测技术雷兵权;张红;李蕤;辛国亮【摘要】在短波通信系统设计和应用中，人们需要充分考虑短波信道传播特性、信道路径损耗和电离层结构特征等信息，但目前这方面信息十分有限，且多数为理论依据或早期的粗劣数据。
在国产测高仪的基础上设计了一种短波信道探测系统，该系统能够实时地、精确地获得短波通信链路上信道链路损耗和频率特性曲线，这对短波通信应用和系统设计有重要的辅助意义，试验结果也证实了这一结论。
%In the design and application of the shortwave communication system,the characteristic of shortwave channel propagation,channel loss,characteristic of ionosphere structure should be adequately considered. But the information in this aspect is too old or not exact,and most of them are only theoretical foundation. A system of short wave channel detection based on height indicator made in China was designed,which can measure the channel link loss and frequency characteristic of the shortwave communications link timely and accurately. It has important auxiliary significance for the design and application of shortwave communication system,and the experiment results verify this conclusion.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2013(000)015【总页数】3页(P17-19)【关键词】短波信道探测;国产测高仪;信道损耗;频率特性曲线【作者】雷兵权;张红;李蕤;辛国亮【作者单位】中国电波传播研究所，山东青岛 266107;中国电波传播研究所，山东青岛 266107;中国电波传播研究所，山东青岛 266107;中国电波传播研究所，山东青岛 266107【正文语种】中文【中图分类】TN925-34在通信系统设计中，需要进行通信链路计算，以决定发射功率、接收灵敏度及天线设计增益，而链路计算中，非常重要的一个参数即是链路损耗，在短波通信链路中，电波的自由空间损耗和电离层吸收损耗是组成短波通信链路损耗的主要参量[1]，电离层吸收损耗随日落、日出及太阳风暴等其他因素变化剧烈[2]，在短波通信链路损耗中占主导地位，因此获得短波通信链路损耗非常重要。
厦门市电离层垂直探测站建设经验介绍
后 其他 台站 建 设提 供 参考 。
【 关键词 】 离屠 ； 直探测站 ； 电 垂 建设 ； 经验介绍
２１ 年 ００
第 ２ 期 ７
ＳＩＮ Ｅ Ｏ ＹＩＦ Ｒ Ａ ＩＮ
Ｏ百家论剑。
科技信｜ ｌ Ｉ
厦门市 电离层垂直探测站建设 经验介绍
黄 翠仙 林 阿 玲
（ 门市气 象 台 厦
福建
厦门
３ １１） ６ ０ ２
【 摘 要 】 离层 监 测预 警是 国 家空 间 天 气监 测 预 警 中心 开展 空 间天 气业 务 的 主要 任 务 之 一 ， 对 我 国电 离层 的地 区特 性 进 行局 地 电 离层 电 针 探 测 ， “ 站 四 网” 设 中“ 间天 气专 业 网 ” 是 三 建 空 的重 要 部 分 ， 也是 国 家 空 间天 气 监 测预 警 中心 开 展 电 离层 预 警预 报 和 服 务 的 重要 保 障 ， 厦 门建 在
１ 电 离层 探 测 原 理 介绍
１１ 电离 层 的含 义 ．
按 Ｑ — ０ ０对雷 电防护 区域及防护等级进行划分 ， ｘ２ ２ ０ 实行多重保
护 ２３ 数 据 传 输 －
根 据 无 线 电 工 程 师 协会 （Ｒ ） 义 ， ＩＥ 定 电离 层 是 指距 地 球 地 面 约 ６ ０ 考 虑 到 国 家 空 间 天 气 监 测 预警 中 心 开 展 电 离 层 监 测 预 警 业 务 的 ｋ 到 １０ ｍ左 右 高度 之 间 的 区 域 ，在 该 区域 存 在 大 量 离 化 的粒 子 需 要 ， 门 电离 层 测 高 仪观 测 站 的 数 据 通 过 两 条 线 路及 时 传输 到位 于 ｍ ０ ０ｋ 厦 （ 电子 和 离 子 ） 以影 响无 线 电 波 的传 播 。换 言之 ， 足 电离 层 是 离 化 的 大 北 京 的 国家 空 间 天 气监 测 预 警 中心 的 数 据存 储 机 。其 中 ， 路 是 通 过 一 气层 。 中 国气 象 局 的气 象 专 网进 行 传 输 ，另 外 一路 是 通 过 公 网进 行 传 输 的 。 １ 电 离 层无 线 电波 探 测 原 理 与方 法 ． ２ 数 据 的传 输 过 程 如下 ： 当厦 门 电离 层 测 高 仪 观 测 站 的 观 测 数 据 生 成 利 用 无 线 电波 进 行 电 离 层 探 测 的 理 论 基 础 是 等离 子 体 表 现 的 电 后 ，位 于 厦 门气 象局 网 络 中 心 的数 据 备 份 机 就会 主 动 将 数 据 拷 贝 过 磁特性（ — Ａ Ｈ公 式 等 ）如 等 离 子 体 频率 、 射 、 收 、 分 反 射 、 叉 调 来 ， 行 备 份 ； 后 主 动 以 Ｆｒ ， 反 吸 部 交 进 然 ＴＰ传 输 的 方 式 分 别 穿 过 厦 门市 气 象局 、 制 、 干 散 射 、 相 干 散 射 、 普 勒频 移 、 拉 第 效 应 和 电离 层 中 发 生 国 家 卫 星 中 心 的 防火 墙 ， 数 据传 输 到 国家 空 间 天 气 监 测 预 警 中 心 的 相 非 多 法 把 的 哨声 、 星 余 迹 等 现 象 。 电离 层 无 线 电 探 测 可 以 实 现 的 探测 内 容包 数 据存 储 机 上 。另 外 ， 流 我们 还 设 置 了一 条 Ｖ Ｎ专 线 ， 现 对 厦 门 电 离 Ｐ 实 括： 电子 浓 度 、 度 ， 子 浓 度 、 度 ， 温 离 温 电子 总 含 量 ， 中性 大 气 密 度 ， 电 层 测 高仪 远 程 的 监 测 和 管 理 。具 体 的 数 据 传 输 过程 如 图 ７（ ） 示 。 略 所 子 、 子 和 中性 大 气 运 动 等 。 般 而 言 ， 据 电 离层 对 无 线 电 波 的 反射 离 一 根 ３ 产 品处 理 软 件 和 穿透 特 点 ， 大 致 分为 以下 几 类 探 测模 式 ： 可
电离层的结构与特点
电离层的结构与各层特点
目录
天波在电离层的传播机理 电离层的结构及 各层的特点 电离层变化规律
1
电离层的“历史”
19世纪时，为解释地磁场的变化，C.F.高斯和开尔文等提出高空存在导电 层的设想。 1924年，Sir E.V.阿普尔顿等通过对无线电波回波的接收，证实了电离层 的存在。 1926年，R.A.沃森-瓦特首先提出“电离层 ” 这一名称。
2
电离层的形成
高层大气中的分子
电离层的形成
太阳紫外线、Χ射线
高能粒子
分子、原子一系列的电离、碰撞、复合 产生带有极性的正负离子、电子
高层大气中的原子
3
天波在电离层的传播机理
结论
由于电离层对电波的 就天波的远距离通信而言，电离层的 折射和反射，使得电波可 结构和特定对其通信质量有着重要影 以完成远距离传播，人们 响！！！！ 借此可进行远距离传输通 化规律及其影响
季节变化：不同季节 会导致太阳照射强度 的不同，进而影响电 离层的电子密度。一 般夏季的电子密度大 于冬季的密度含量。
3
7
电离层变化规律及其影响
11年周期变化：太阳黑子的活动周期大约是11 年。黑子数目增加，太阳辐射能量增加，各层 的电子密度增大。
地理位置变化：不同地点上，太阳辐射不一样， 呈现出赤道附近电子密度大，南北极小。
1925年，G.布雷特和M.A.图夫发明的电离层垂直探测仪，是地面探测电 离层的基本设备，为后来积累了大量的实测资料，为电离层研究起了重要的作 用。
1949年，首次在V-2火箭上安装朗缪尔探针直接探测电离层，开创了直接 探测的先例。 1925 ～ 1932年，阿普尔顿和D.R.哈特里等人创立的磁离子理论，为研 究电波在电离层中的传播奠定了理论基础。 1931年，S.查普曼提出电离层形成理论，极大地推动了电离层的研究。 3 电离层研究极大地促进了短波通信的发展。
电离层斜测数据
电离层斜测数据电离层是地球大气层中含有大量自由电子和离子的区域，这些自由电子和离子可以通过阳光和宇宙射线的电离作用在电离层中产生。
在航空和通信等领域中，通过对电离层进行天空探测和监测，可以获得电离层的相关参数信息。
电离层斜测数据就是通过探空仪等设备对电离层进行的数据记录和观测。
电离层斜测数据可以获得电离层的相关参数信息，包括电离层的电子密度垂直剖面、层高、层厚等。
这些参数对于航空、天文、通信等领域都有重要的意义。
在航空领域中，电离层的电子密度分布对于导航、通讯、雷达等系统的性能有直接影响。
在天文领域中，电离层的影响可能影响太阳活动和行星观测结果的精度。
在通信领域中，电离层的影响可能影响天线方向图和信号传输的可靠性和保密性。
电离层斜测数据的获得通常是通过探空仪、离子密度计、接收机等多种设备组合获取的。
探空仪主要是用于测量电离层垂直方向的电子密度剖面，通过测量电离层的反射、折射、吸收等特性，获得电离层的厚度和高度等参数。
离子密度计则是用于测量电离层中离子的密度，通常可以与探空仪组合使用，获得更加完整的电离层信息。
接收机主要用于获得电离层中的电波传输情况，通过接收电离层反射的无线电波信号，获得电离层的相关参数信息。
电离层斜测数据的处理和分析通常需要借助计算机处理和模拟。
通常会采用数值模型来模拟电离层的初始状态和动态变化，然后将模拟结果与实测数据进行对比分析，以确定电离层的实际状态和预测其变化趋势。
电离层观测站通常会配备数据采集系统和分析软件，对电离层斜测数据进行存储、处理和分析，以便灵活地调整和优化电离层观测设备和策略。
总的来说，电离层斜测数据是研究电离层的重要手段，已经成为了航空、通信、天文等领域的核心技术之一。
通过不断地改进和创新，可以进一步提高电离层观测的精度和可靠性，为相关领域的应用提供更好的支持和服务。
电离层模型
哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘要随着现代通信科学、计算机科学、空间科学、海洋科学、地球科学等学科在众多相关领域的交叉研究和集成应用的迅速发展，人们能更多地利用电波在电离层中的传播特性，来完成远距离通信、超视距探测、大范围导航等活动，因此电离层对人类生产与生活的影响也日益突出。
同时，由于电离层自身结构的复杂性，导致对其模型的刻画和预测带来了诸多不便和较大的误差。
为了能更好的利用电离层，进一步研究电离层模型显得尤为重要。
本文所做的工作主要包括以下几个方面：1.关于电离层的概述。
包括电离层的形成、结构、探测方法以及影响因素等几个方面的介绍。
从而比较全面地了解电离层物理状态和相关的特性，为进一步的研究奠定基础。
2.电离层模型的研究方法。
由于课题研究的目的是研究误差小的电离层模型，所以深入探讨一下模型的研究方法还是很有必要的。
首先简要说明了电离层模型概况，然后重点阐述了两种有代表性的研究方法，并对每种方法列举了几个有代表性国家所采用的研究方法和一些有代表性的模型。
3.研究适合我国电离层的特点的电离层模型，重点针对模型的相关参数进行了仿真和讨论。
首先分析了我国电离层的特点和选择了一种较适合的研究方法；然后选取了一组测量数据，并根据数据特点建立了一个统计模型；最后利用Matlab对模型的相关参数进行仿真实验，还与IRI模型比较，探讨了误差情况。
关键词电离层；电离层模型；研究；统计模型I哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）AbstractWith explosive growth and integration of many interfacing discipline, such as communication, computer science, space science, marine sciences, geosciences and so on, people have made the most use of the ionosphere to establish long distance communications, over-the-horizon detection , large-scale activities such as navigation, ionosphere and the human impact on the lives of production also have become increasingly prominent. At the same time, due to the ionosphere to the complexity of their structure, leading to the characterization and prediction model has brought a lot of inconvenience and greater error. To be able to make better use of the ionosphere, and further study the ionosphere model it is particularly important.The thesis consists of the bellowing parts:1. Ionosphere on the outline. Ionosphere, including the formation, structure, methods of detection and the impact of several factors, such as the introduction. Thus more comprehensive understanding of the physical state of the ionosphere and the related properties, to further lay the foundation for the study.2. Ionosphere model of research methods. Since the purpose of the research is to study the ionosphere error on the model, the model in-depth study or research methods is necessary. First a brief description of the ionosphere model profile, and then focused on two representative research methods, and each method representative cited a number of countries used by the research method and number of representative models.3. Suited to China's ionosphere on the characteristics of the ionosphere model, focused on the model of the relevant parameters of the simulation and discussion. China's first analysis of the characteristics of the ionosphere and choose a more appropriate method and then select a set of measurements and data features based on the establishment of a statistical model and finally the use of Matlab model of the relevant parameters simulation, And the IRI model, the circumstances of the error.Keywords ionosphere;ionosphere model;disquisition;statistical modelII哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状据分析 (1)1.3 研究电离层模型的必要性 (2)1.3.1 电离层与电波传播（雷达） (3)1.3.2 电离层与卫星通信 (3)1.3.3 电离层与天气预报 (4)1.4 课题研究的内容 (4)第2章电离层概述 (5)2.1 电离层的形成理论 (5)2.1.1 Chapman理论 (5)2.1.2 等离子体理论 (5)2.2 电离层的结构 (6)2.3 电离层的测量 (7)2.3.1 垂测法 (7)2.3.2 返回斜向探测法 (8)2.3.3 GPS探测法 (9)2.4 影响电离层的因素 (9)2.4.1 太阳活动因素 (9)2.4.2 电离层的等离子因素 (10)2.4.3 地域因素 (10)2.4.4 不规则结构因素 (10)2.4.5 中性成分和地磁因素 (10)2.5 本章小结 (11)第3章电离层模型 (12)3.1 电离层模型概述 (12)3.2 电离层模型研究的方法 (12)3.2.1 理论模型 (12)3.2.2 经验与半经验模型 (14)III哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.3 本章小结 (15)第4章适合我国的经验模式模型 (16)4.1 我国的电离层 (16)4.1.1 赤道异常（又称为赤道双峰） (16)4.1.2 经度效应 (16)4.1.3 声重波 (16)4.2 实验数据 (17)4.3 仿真模型的建立 (17)4.3.1 数据分析 (17)4.3.2 建立模型 (18)4.3.3 模型参数计算及仿真 (20)4.4 模型与观测数据及IRI模型计算结果的比较 (22)4.5 本章小结 (26)结论 (27)致谢............................................................................错误!未定义书签。
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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
抗混 迭滤 波
Ａ／Ｄ
正交 化处 理
抽取
采样频率４倍中频 抽取频率４倍宽带
数
据
接
口
相关器
求延时
本地码
（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
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。
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
各个单元。整机电源系统如下图。
风机电源（ＡＣ） 多
路
电
主控电源（ＤＣ）
源
５Ｖ ５Ａ
转
１２Ｖ １Ａ
换 器
发射电源（ＤＣ）
４８Ｖ ３０ Ａ
１２Ｖ ２Ａ
计算机
主控电源为开关电源，输出 5V 5A，5V1A，12V1A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% ,,
输入回路ＲＸＤLeabharlann 微ＴＸＤ处
频
ＳＰ
理
率
器合
成
混频
滤波放大
混频
滤
正
波分
交
放配
处
大器
理
滤
分
波
配
放
器
大
视频检波
相关 数据处理
相关
解调
Ａ／Ｄ
Ａ／Ｄ
输入回路
混频
滤波放大
混频
视频检波
解调
（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
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。
1:8
功放
功
率
合 去输出
成
8:1 滤波器
发射脉冲
发
射
自控制器
驻波检测
控
制
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（1～32 MHz ）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：
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 h( f )求真高 h( f ) 。
函数的真高 h r (f p)。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 Z T 是在频率 f v 上反射的真高。选定一个频率 f v，
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 f v 相对应 的真实高度。
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/ ω<<1，碰撞项可以忽略，A-H 公式简化为：
其中：
f p —等离子体频率， f —工作频率即电波频率，
N e—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 f H—磁旋频率 μ0—自由空间磁导率， ν e—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 f p、电子等离子体频率 f、电子磁旋频率 f H 满 足：
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
寻常波 F2 层临界频率
Es 层临界频率 层非常波临界频率
f0E f0F1没有数据
S 表示黑夜
h/ E ： E 层最小虚高
h/ F2： F2 层最小虚高 h/ ES : S ES 层最小虚高，由于某层电子浓度太小，不可能
读取度量值。
h/ F :205Km F1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
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，1～32 MHz 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：
预
激
功
放
励
率
发射信号
分
配
自合成器
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
其中比较重要的参数 fmin ：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，N e 是电子数密度，f 是电波频率，μg 是群折射指
因为 X 恒大于零，故只有当 Y<1(即 fx>fH)时 X=1-Y 才有意 义，所以：
1) 当 f<f H 时，反射条件为：X=1 (寻常波)，X=1+Y(非 寻常波)；