电离层垂直探测

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
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 ) 。
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
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
。
输出滤波
发射
网络
天线
发射机
接收 天线
频率合成 接收机
计算机数据线端
GPS 天 线
信号处理 控制器
电源 时钟 接口
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
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。
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。
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
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。
f0F2 ： F2 寻常波临界频率。 f X F2： F2 层非常波临界频率。 f0E ：E 层临界频率。 f0Es ： Es 层临界频率。 fbEs : Es 层遮蔽频率，即 Es 开始变为透明的寻常波最低频率。 fmin ：定义：是在电离图上记录到的反射回波的最低频率。 h/ F2: F2 层最小虚高。 h/ F1: F1层最小虚高。 h/ E : E 层最小虚高。 h/ Es ： Es 层最小虚高。
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
（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：
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% ,,
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
fmin ：14MHz fbEs : 14MHz
波的最小频率
反射回波的最低频率 14MHz.
Es 层遮蔽频率，即 Es 开始变为透明的寻常
f0 F2 : 90MHz f0Es : 14MHz fx ： 97OX
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)；
2) 当 f>f H 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：
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
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 10:35 LT 时刻的频高图。
可以计算出虚高为： 令：
则
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
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：
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。
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
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
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。
输入回路
ＲＸＤ
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
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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
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
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。