大学生科研结题报告.. 共31页
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大学生科研结题报告
科
研 ① 题 电离层斜向返回电离图合成技术研究
目
项 目②成
员
指
导 ③ 老 空间物理系副教授周晨
师
结
题 ④ 时 2019年3月
间
汇报内容
1.课题的 研究意义
及目的
2.项目 的进度 阶段
5.总结
6.经费 的使用 情况
3.已完 学习汇
报
4.课题的 思路及取 得的成果
7.自我 评价
2019.11-
书写科研总结及 结题报告
2019.2
2019.3-
至今
三、已完学习汇报
查阅相关中外文 献资料约15篇， 了解了国内外的 研究现状，重点 中国电波传播研 究所电子科学研 究院李雪的关于 返回散射电离图 内容的相关文章。
深入学习了 FORTRAN语言、 MATLAB程序。
完成了一篇学 术论文（扰动电 离层斜向返回电 离图合成研究）
00点电子浓度分布图
00点返回散射 电离图
3 、其它扰动电离层模型对返回散射电离图仿真的影响
加热模型的电子浓度分布图
加热模型的返回散射电离图
纬度空洞模型的电子 浓度分布图
纬度空洞模型的返回 散射电离图
纬度稠团模型的电子 浓度分布图
纬度稠团模型的 返回散射电离
五、总结
在短波波段，由于频率较高（电波波频大于电 离层高度上磁旋频率），故在考虑波的折、反射时， 可以不考虑磁场的影响，电离层可视为各向同性介质。 另外碰撞只造成能量的吸收，故计算波的折、反射也无须考 虑碰撞效应。因此本文首先在忽略磁场和碰撞的条件下，给 出了射线追踪方程，并基于Runge-Kutta方法，对方程进行 了求解。其次预测不同电离层扰动模型下的返回散射电 离图，得到的数据与实测数据进行对比，二者吻合很
四、课题的思路及取得的成果
研究电离层斜向 返回探测，首 先需要了解 影响斜向返回 探测的因素。
影响斜向返回探测 因素：电子浓度 ，电子、离子的 碰撞，地磁场 的影响，电子
、离子的温度等。 本课题主要研究电
子浓度对斜向返 回探测的影响。
我们通过IRI 模型，获得了
一些不同 扰动电离层 模型的电子浓 度分布图。
本符合我们在立项初期对结果的预期。
5.但由于时间不足，我们在一些方面还做的不够完 善，包括界面欠缺优化、对电离层的认识还缺乏深 度的了解。在结题后我们会将课题继续进行下去，
以便取得更深层次的认识和理解。
八、致谢
在本次大学生业余科研完成过程中，感谢学校给予的 校级科研项目层面上的支持，给了我们学习科研技能、 了解最新科学动向的机会。在此期间，周晨导师在研究方 向、具体课题提出、研究方法、团队合作模式以及预期目 标等方面寄予了我们耐心的指导，提出了很多宝贵的意见与建 议。老师以其渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深 深的启迪。这项业余科研是在老师的精心指导和大力支持下 才完成的 谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本 业余科研项目进行审核的各位老师表示衷心的感谢。
布图以及一些射线路经图和斜返电离图。
2.我们在忽略磁场和碰撞的条件下，给出了射线追 踪方程，预测了不同电离层扰动模型下的返回散射 电离图。并将得到的数据与实测数据进行对比，二
者吻合的很好 3.我们已经将上述成果转为论文发表在《电波科学 学报》增刊，并被第十二届全国电波传播学术讨论
年会录用。
4.总体来说，我们小组的各位成员在本次大学生科 研项目中都有了各个方面的长进，对电离层的了解 逐步深入，对空间物理的兴趣也由此逐渐加深。基
1、球形对称准抛物线电离层模型的返回散射仿真
准抛物单F2层模型： 模型的三个参数： 临界
频率fo（MHz）=10.4MHz， 半厚ym(km)=50km, 峰高hm(km)=260km
F2层返回散射电离图
E-F2层模型： fOE=3MHZ ymE=30km hmE=110km fOF2=8MHZ ymf2=110km hmf2=270km
二、项目的进度阶段
2019.82019.10
2019.52019.7
2019.32019.5
学习有关电离层及电波传播的基 本知识
熟知和利用IRI模型数值模拟电离 层电子浓度分布图
利用射线追踪技术，在特定的电 离层背景下获得一些射线路径图
利用和修改射线追踪技术，在一些扰动 电离层模型下得到斜向返回探测图
将沿着原来的路径，经过电离层的折射与反射， 最终返回到发射机。
电离层斜向返回散射探测示意图
射线方程
通过费马原理和麦克斯韦方程，导出射线 方程的8个分量，采用Runge-Kutta解法对方 程进行编程和求解。并通过输入不同模型电
子浓度分布获得一些射线路径图
纬度上射线路径图
经度上射线路经图
最后进行返回散射电离图的仿真。
E-F2返回散射电离图
2、 不同时间电子浓度对返回散射电离图仿真的影响
采用IRI模型得到的电子 浓度参数，假设整ห้องสมุดไป่ตู้区 域内电离层为水平均匀 分层，由IRI模型得到白 天12点电子浓度参数。
12点电子浓度分布面
12点返回散射 电离图
其他条件保持不 变，由IRI模型 得到晚上00点 电子浓度参数。
图 赤道附近电子浓度分布图
图 加热模型电子浓度分布图
纬度空洞模型电子浓 度分布图
纬度稠团模型电子浓 度分布图
其次我们需要了解课题研究的 理论基础， 这其中就包括
斜向返回探测原理及射线方程。
斜向返回探测原理
斜向返回探测可以将一定角度的电磁波信号发射 到电离层，然后信号在电离层中经过一系列的反射和 折射，传播到距离发射点很远的地面。由于地面不是理想的 反射镜面，具有起伏不平、电气特性不均匀等特性，对电波有 较强的散射作用,使得电波朝各个方向散射。而部分散射能量
8.致谢
一、课题的研究目的及意义
斜向返回散射探测利用电离层对信号的折射与反射,能 探测到大范围的地物和运动目标，能够获得由频率和群 路径决定的返回散射回波能量,形成斜向返回散射能量 图。该探测机理能为短波通信预报资料，管理雷达频率， 监测远距离的运动目标。
斜向返回散射电离图包含了大量的电离层信息，对研究 电离层特性具有重要参考价值。然而，电离层的物理特 性是千变万化的，导致由电离层探测获得的电离图具有 多变性，目前还不能完全利用这些信息。返回散射电离 图的模拟能解读电离层结构和电离图特性之间的关系， 为斜向返回散射电离图的反演提供了重要的参考依据。 因此，斜向返回散射电离图的模拟在高频返回散射探测 技术的应用中扮演了很重要的角色。
好。本文的模型能处理不同电离层扰动模型且 算法效率高。
六、经费的使用情况
材料费
图 书资料
费
复 印打印
费
出版费
200元 200元 100元 400元
七、小组自我评价
1.我们通过一段时间的学习了解了一些有关电离层 及电波传播的基本知识， 并通过对IRI模型的学习 和利用，数值模拟出了一些不同模型的电子浓度分
大学生科研结题报告
科
研 ① 题 电离层斜向返回电离图合成技术研究
目
项 目②成
员
指
导 ③ 老 空间物理系副教授周晨
师
结
题 ④ 时 2019年3月
间
汇报内容
1.课题的 研究意义
及目的
2.项目 的进度 阶段
5.总结
6.经费 的使用 情况
3.已完 学习汇
报
4.课题的 思路及取 得的成果
7.自我 评价
2019.11-
书写科研总结及 结题报告
2019.2
2019.3-
至今
三、已完学习汇报
查阅相关中外文 献资料约15篇， 了解了国内外的 研究现状，重点 中国电波传播研 究所电子科学研 究院李雪的关于 返回散射电离图 内容的相关文章。
深入学习了 FORTRAN语言、 MATLAB程序。
完成了一篇学 术论文（扰动电 离层斜向返回电 离图合成研究）
00点电子浓度分布图
00点返回散射 电离图
3 、其它扰动电离层模型对返回散射电离图仿真的影响
加热模型的电子浓度分布图
加热模型的返回散射电离图
纬度空洞模型的电子 浓度分布图
纬度空洞模型的返回 散射电离图
纬度稠团模型的电子 浓度分布图
纬度稠团模型的 返回散射电离
五、总结
在短波波段，由于频率较高（电波波频大于电 离层高度上磁旋频率），故在考虑波的折、反射时， 可以不考虑磁场的影响，电离层可视为各向同性介质。 另外碰撞只造成能量的吸收，故计算波的折、反射也无须考 虑碰撞效应。因此本文首先在忽略磁场和碰撞的条件下，给 出了射线追踪方程，并基于Runge-Kutta方法，对方程进行 了求解。其次预测不同电离层扰动模型下的返回散射电 离图，得到的数据与实测数据进行对比，二者吻合很
四、课题的思路及取得的成果
研究电离层斜向 返回探测，首 先需要了解 影响斜向返回 探测的因素。
影响斜向返回探测 因素：电子浓度 ，电子、离子的 碰撞，地磁场 的影响，电子
、离子的温度等。 本课题主要研究电
子浓度对斜向返 回探测的影响。
我们通过IRI 模型，获得了
一些不同 扰动电离层 模型的电子浓 度分布图。
本符合我们在立项初期对结果的预期。
5.但由于时间不足，我们在一些方面还做的不够完 善，包括界面欠缺优化、对电离层的认识还缺乏深 度的了解。在结题后我们会将课题继续进行下去，
以便取得更深层次的认识和理解。
八、致谢
在本次大学生业余科研完成过程中，感谢学校给予的 校级科研项目层面上的支持，给了我们学习科研技能、 了解最新科学动向的机会。在此期间，周晨导师在研究方 向、具体课题提出、研究方法、团队合作模式以及预期目 标等方面寄予了我们耐心的指导，提出了很多宝贵的意见与建 议。老师以其渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深 深的启迪。这项业余科研是在老师的精心指导和大力支持下 才完成的 谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本 业余科研项目进行审核的各位老师表示衷心的感谢。
布图以及一些射线路经图和斜返电离图。
2.我们在忽略磁场和碰撞的条件下，给出了射线追 踪方程，预测了不同电离层扰动模型下的返回散射 电离图。并将得到的数据与实测数据进行对比，二
者吻合的很好 3.我们已经将上述成果转为论文发表在《电波科学 学报》增刊，并被第十二届全国电波传播学术讨论
年会录用。
4.总体来说，我们小组的各位成员在本次大学生科 研项目中都有了各个方面的长进，对电离层的了解 逐步深入，对空间物理的兴趣也由此逐渐加深。基
1、球形对称准抛物线电离层模型的返回散射仿真
准抛物单F2层模型： 模型的三个参数： 临界
频率fo（MHz）=10.4MHz， 半厚ym(km)=50km, 峰高hm(km)=260km
F2层返回散射电离图
E-F2层模型： fOE=3MHZ ymE=30km hmE=110km fOF2=8MHZ ymf2=110km hmf2=270km
二、项目的进度阶段
2019.82019.10
2019.52019.7
2019.32019.5
学习有关电离层及电波传播的基 本知识
熟知和利用IRI模型数值模拟电离 层电子浓度分布图
利用射线追踪技术，在特定的电 离层背景下获得一些射线路径图
利用和修改射线追踪技术，在一些扰动 电离层模型下得到斜向返回探测图
将沿着原来的路径，经过电离层的折射与反射， 最终返回到发射机。
电离层斜向返回散射探测示意图
射线方程
通过费马原理和麦克斯韦方程，导出射线 方程的8个分量，采用Runge-Kutta解法对方 程进行编程和求解。并通过输入不同模型电
子浓度分布获得一些射线路径图
纬度上射线路径图
经度上射线路经图
最后进行返回散射电离图的仿真。
E-F2返回散射电离图
2、 不同时间电子浓度对返回散射电离图仿真的影响
采用IRI模型得到的电子 浓度参数，假设整ห้องสมุดไป่ตู้区 域内电离层为水平均匀 分层，由IRI模型得到白 天12点电子浓度参数。
12点电子浓度分布面
12点返回散射 电离图
其他条件保持不 变，由IRI模型 得到晚上00点 电子浓度参数。
图 赤道附近电子浓度分布图
图 加热模型电子浓度分布图
纬度空洞模型电子浓 度分布图
纬度稠团模型电子浓 度分布图
其次我们需要了解课题研究的 理论基础， 这其中就包括
斜向返回探测原理及射线方程。
斜向返回探测原理
斜向返回探测可以将一定角度的电磁波信号发射 到电离层，然后信号在电离层中经过一系列的反射和 折射，传播到距离发射点很远的地面。由于地面不是理想的 反射镜面，具有起伏不平、电气特性不均匀等特性，对电波有 较强的散射作用,使得电波朝各个方向散射。而部分散射能量
8.致谢
一、课题的研究目的及意义
斜向返回散射探测利用电离层对信号的折射与反射,能 探测到大范围的地物和运动目标，能够获得由频率和群 路径决定的返回散射回波能量,形成斜向返回散射能量 图。该探测机理能为短波通信预报资料，管理雷达频率， 监测远距离的运动目标。
斜向返回散射电离图包含了大量的电离层信息，对研究 电离层特性具有重要参考价值。然而，电离层的物理特 性是千变万化的，导致由电离层探测获得的电离图具有 多变性，目前还不能完全利用这些信息。返回散射电离 图的模拟能解读电离层结构和电离图特性之间的关系， 为斜向返回散射电离图的反演提供了重要的参考依据。 因此，斜向返回散射电离图的模拟在高频返回散射探测 技术的应用中扮演了很重要的角色。
好。本文的模型能处理不同电离层扰动模型且 算法效率高。
六、经费的使用情况
材料费
图 书资料
费
复 印打印
费
出版费
200元 200元 100元 400元
七、小组自我评价
1.我们通过一段时间的学习了解了一些有关电离层 及电波传播的基本知识， 并通过对IRI模型的学习 和利用，数值模拟出了一些不同模型的电子浓度分