高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数。在数字测高仪探测中，高分辩率的多普勒频移一般在漂移测量中获得，但这种测量方式探测的频点少，不能获得扰动的高度剖面；而在频高图模式下，虽然工作的频点多，能够获得电子浓度的高度剖面的信息，但探测的多普勒频移的分辩率低，无法用来精确检测电离层扰动。实际的电离层高频回波一般为窄带信号，由此本文中提出了一种新的分析方法，利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据，通过反傅里叶变换还原成时域信号，采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差，获得高精度多普勒频高图。作为实例，利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据，得到了多频点的多普勒频移曲线。结果表明：在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图，这在电离层扰动探测和研究中很在意义。     

电离层中小尺度扰动的多频多普勒快速探测与分析

电离层反射回波的高频多普勒频移测量是研究电离层扰动的重要方法之一.利用基于单频信号相位变化率测量的实时探测方法,获取连续高精度多频多普勒频高图,以实现中小尺度电离层扰动的快速探测研究.该方法被应用于敏捷式高性能电离层无线电多频探测系统样机平台.经验证在该平台上获取的多普勒频移分辨率可达0.039Hz,频高图探测周期最短小于1min.基于这种快速探测方法和平台在武汉观测站进行了较长时间的观测和数据采集,获得高精度多普勒频移并反演出电子浓度等值面法向运动速度,得到电离层反射寻常波的多普勒频高图和垂直扰动速度等信息,进而推演出电离层扰动随时间和空间的实时变化特征.对这些时域信号进行频谱分析,初步结果显示这些扰动主要是由极区活动激发的中国中部地区冬季出现率较高的中尺度TID.此外,对三种常用的电离层扰动反演分析方法进行了对比研究,结果显示电离层扰动的变化趋势基本一致,说明观测数据和研究方法可靠稳定,为多频多点电离层扰动的传播特性观测研究提供了基础.      

CAS-DIS数字电离层测高仪系统研制

提出了将射频直接采样数字化的接收方式应用于数字电离层测高仪系统的设计方案, 并详细介绍了该方案在CAS-DIS (Chinese Academy of Sciences, Digital Ionosonde)电离层测高仪系统的应用, 给出了CAS-DIS电离层测高仪在中国武汉电离层探测标校试验场和武汉-北京斜向电离层探测系统中的实验结果. 观测结果表明, 采用本文提出的数字化方案设计的电离层测高仪系统性能优越, 且可以分别工作在垂直和斜向探测模式, 满足了电离层探测的多种应用需求.      

电离层数字测高仪被动接收观测模式研究

利用CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪平台,实现了新的电离层数字测高仪被动接收观测模式.利用新开发的观测模式,在观测台站开展了一系列实验观测研究,经过信号处理和信息提取,获得了电离层特征参量f0F2回归方程,高频信道背景噪声分布,电离层D层对电波的吸收等电离层探测信息.实验观测结果表明,所获取的f0F2与主动探测结果相关性在0.84以上,高频信道背景噪声分布以及电离层D层吸收状况与电离层实际分析结果相吻合.     

由高频无线电波反射回波参数反演电离层运动和结构的高度剖面

本文从广义电波射线微分方程组出发,导出了时变、不均匀和各向异性电离层介质中高频无线电波反射回波的可测参数与电离层的运动和结构参数之间的积分方程组,并给出了利用现代数字测高仪中的多普勒图、定向图、频高图和测距图,反演电离层的结构和运动随高度的分布剖面的计算方法.根据这种反演方法,单站探测电离层运动和结构剖面时有多种可测参量的组合方式.文中提出了一种最佳的参量组合方案,为探测设备的改进和观测记录的分析提供了理论依据.      

磁暴期间中低纬电离层暴形态和物理机制分析

本文利用东亚地区１２个低纬电离层台站的测高仪观测数据，对１９７８年８月２７日发生的一次曲型磁暴期间电离层峰值高度和密度的变化进行了分析。采用滑动平均区分开电离层中不同时间尺度的扰动，分析了影响中低纬度电离层暴的几种扰动形态特征，并对其物理机制进行了讨论。结果表明：伴随磁暴急始的磁层压缩，电离层中表现出峰值密度增加和峰值高度下降；磁暴主相期间热层大气暴环流及其所引起的中性大气成分变化控制着电离层的大     

基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计

为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1～30MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5km,探测周期小于2min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.      

电离层多普勒接收机的设计与实验

利用软件无线电技术设计了一种电离层多普勒接收机. 该接收机采用DSP, FPGA等数字芯片与PXI总线进行架构, 使用GPS作为接收机的时间和频率同 步模块, 能够灵活设置系统参数. 实验接收来自中国蒲城陕西天文台的高 频时间信号, 实时获取由于电离层扰动所产生的多普勒频率偏移信息. 使用通过MATLAB语言实现的信号处理软件平台, 对接收到的高频信号进行处理. 观测结果表明, 接收机能够分析电离层回波信号的多普勒频移随时间的变化, 是获取不同空间尺度电离层扰动信息的一种有效手段.      

磁暴期间电离层扰动的GPS台网观测分析

给出了一种利用GPS台网观测获取TEC快速变化的计算方法，并将该方法用于东亚一澳大利亚扇区的GPS台网观测数据，分析了2000年7月14—18H大磁暴期间的电离层响应，揭示出电离层暴期间赤道异常峰的压缩和移动等特性．计算结果表明，在站点分布不均匀、原始观测数据不足且随时间跳变等多种不利因素的影响下，这种新的算法仍能保持很好的计算稳定性，并能快速地提取给定时空范围内的三维TEC短时变化的特征，适用于研究电离层暴等情况下引起的TEC扰动．     

利用射电天文观测数据确定电离层行扰速度的新方法

当米波射电望远镜的观测视场内，有三个以上的射电源时，考虑天线跟踪的影响，提出了一种确定电离层行波扰动水平速度的新方法，并给出计算实例，讨论了误差。     

电离层虚高的高精度测量与分析

为了提高电离层虚高测量精度,介绍了利用电离层回波相位实现高精度虚高测量的方法,并以CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪为研究平台,进行组合脉冲控制和回波相位测量分析,开展了一系列虚高测量实验,并与传统的利用回波时间延迟的虚高测量方法进行了分析比较.实验结果表明,基于回波相位的测量分析方法与回波时延测量分析方法相比,其虚高测量精度高一个量级以上,这对精确反演电离层峰下电子浓度剖面及研究电离层精细结构具有重要意义.      

WIOBSS: The Chinese low-power digital ionosonde for ionospheric backscattering detection

The ionospheric laboratory of Wuhan University has developed an ionosonde over about seven years. The prototype is designed as a portable, low-power digital MF (medium frequency) and HF (high frequency) radio system with high range and Doppler resolution. The first system is used for ionospheric oblique backscattering detection and called WIOBSS (Wuhan Ionospheric Oblique Backscattering Sounding System). WIOBSS is a portable monostatic ionosonde for both ionospheric research and HF channel management, adopting alternate transmitting and receiving patterns to transmit long coded pulse trains for high pulse compression gain. The almost perfect sequences are applied to modulate the pulse train for sounding without range sidelobes and the echo phase is used to estimate the Doppler velocity and velocity fluctuation. This paper introduces the new techniques adopted by WIOBSS and presents some observations.     

1989年3月太阳活动引起的电离层骚扰

本文利用我国,苏联,日本和澳大利亚等国16个电离层观测站的资料,分析了1989年3月太阳耀斑引起的大电离层骚扰特征。      

Numerical study of traveling ionosphere disturbances with vertical incidence data

High frequency ionosphere vertical sounding, as an important and representative application for detecting the ionosphere and studying the characteristics of radio propagation, can be utilized to monitor the ionosphere continuously variation and to acquire the ionosphere asymmetrical features of diverse scale above the ionosphere vertical sounding stations. This is a first article on real time application of numerical methods to obtain the parameters of traveling ionosphere disturbances (TIDs) using vertical incident ionograms. In this paper, the distribution of ionosphere electron density with TIDs is constructed using a background ionosphere model superimposed a perturbation theory model. The background ionosphere electron density is modelled by the inversion of vertical incident ionograms which are observed before the appearance of the disturbance. Based on the fourth order Adams-Bashforth-Moulton (the so-called ABM) predictor corrector method, instead of Runge-Kutta method, the fast digital ray tracing method is established. According to process of the disturbed trace simulation and parameters inversion, the characteristic parameters of ionosphere disturbance at different detection time can be obtained in real time. The numerical analysis of TIDs is then captured completely.     

Vertical plasma transport in the ionosphere over Irkutsk during St. Patrick’s Day geomagnetic storm: Observations and modeling

The St. Patrick’s Day storm being the strongest geomagnetic storm of Solar Cycle 24 caused strong changes in ionospheric and thermospheric dynamics. The paper presents a study of vertical plasma transport in the ionosphere during the St. Patrick’s Day storm with using both observations and modeling. The observations give the ionospheric peak height obtained with the chirp vertical sounding ionosonde and the neutral wind velocities obtained with the Fabry-Perot interferometer. The ionospheric peak height is an indicator of the total vertical plasma transport, while meridional wind and electromagnetic drift are the two main drivers of the vertical plasma transport. The Global Self-consistent Model of the Thermosphere, Ionosphere, and Protonosphere used in this study gives the total set of ionospheric and thermospheric parameters including F2-layer peak height, neutral wind velocities, electric field, and neutral composition. The model/data comparison allows us to obtain two main results. The first one is an estimation of the model prediction possibilities under storm conditions. The second result is an indirect assessment of the neutral wind and electric field contribution into the changes in the ionospheric peak height in the case of the St. Patrick’s Day geomagnetic storm.     

1958年7月8日磁暴的电离层响应

本文用遍布全球的52个电离层垂测台站资料,研究1958年7月8日磁暴期间全球电离层扰动的发展变化;各扇区的响应特性;扰动的传播轨迹及速度等。获得以下结果:1.几大扇区的电离层扰动始于南北两极,美洲扇区除具这一特征外,其赤道地区在磁暴急始后不久,出现一个扰动中心,邻近区域的扰动受其控制。2.扰动由高纬向低纬发展,由扰动中心向外传播。3.扰动峰面几乎与地磁力线垂直,即扰动沿磁力线方向发展,其传播速度大约在150—600m/s范围。