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.      

用GPS 观测研究电离层TEC 水平梯度

双频GPS 用户能自动修正电离层总电子含量(TEC) 引起的延时误差, 但是对于电离层中的不规则体造成的信号闪烁而引起的误差则不能消除. 即使是差分GPS 系统, 电离层误差仍然是其主要的误差源, 其中电离层TEC 梯度将会影响到系统的定位精度和性能. 本文用GPS 方法研究了电离层TEC 的水平梯度问题, 用处于赤道异常区NTUS 台站的GPS 观测数据作了具体计算. 结果表明, 在日落以后到子夜前后电离层垂直TEC 出现了大的涨落, 电离层中的不规则体导致L 波段信号强的闪烁, 同时还伴随着大而快速变化的电离层~TEC 水平梯度. 对比发现, ROTI指数、电离层TEC 水平梯度和电离层垂直TEC 三者之间有很好的对应关系, 它们的变化特征均由电离层中的不规则体引起. 我们认为研究电离层闪烁, 特别是在缺乏S4指数时, 电离层TEC 梯度也可以作为一个重要的可选参数.      

中性风和垂直漂移对低纬F区电离层影响初析

利用二维低纬电离层－等离子体层时变理论模式,模拟太阳活动高年春分条件下垂直漂移和中性风强度改变对低纬F区电离层参量的影响.模式在所考察的磁子午面内求解等离子体输运方程,给出离子浓度和速度随纬度、高度、地方时的变化.模式计算结果显示,调整垂直漂移和中性风强度对低纬F区电离层电子浓度的影响与电离层所处磁纬、垂直漂移和中性风作用时段等有关,呈现出一些新特点.结果对分析不同条件下垂直漂移和中性风对低纬F区电离层影响具有一定的指导意义.      

典型电离层多普勒记录及其讨论

由于地面电离层多普勒频率偏移测量具有时间连续、设备相对简便等固有特征，它特别适合于扰监测。本文在整理北京大学电离层高频多普勒台站观测资料的基础上，给出了一些典型电离层多普勒效应观测现象，这些现象反映了多普勒的细致分析对电离层形态学研究有其特殊意义。利用IRI模型，对多普勒频移的太阳耀斑效应及电离层不规则结构对多普勒频移的影响进行了模拟计算，理论结果与观测基本一致，从而大体上解释了这些响应的物理机制。论文最后对观测到的一种特殊的记录类型－－S型描迹的具体成因作了详细的分析和讨论，指出在一定条件下，以一定相位速度水平传播的声重波可以产生这类记录，给出了相位速度和振幅等声重波参数与记录描迹形状的关系，这对从多普勒频移记录推演电离层中的波动特征有一定的帮助。     

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.      

从微分多普勒观测数据确定电离层总电子含量

本文提供一种对微分多普勒观测数据进行处理的方法, 从而得到有关电离层总电子含量的信息, 为研究电离层特性提供有用资料.      

电离层不规则结构的多普勒谱特性

利用武汉电离层观象台连续5年的高频多普勒记录,研究电离层中不规则结构反射回波的各种频谱特性及其变化。通常,扩展F回波总是引起扩散的多普勒诺;而Es回波的多普勒图白天一般呈平直光滑谱,晚上变得扩散,其多普勒展宽常比未扩散时大2-3倍,达1Hz以上。多普勒图上有时会出现斜描迹多普勒谱,这种谱结构反映了Es或扩展F中电子云团的漂移运动。      

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。     

调频连续波无线电高度表的仿真研究

阐述了调频连续波无线电高度表工作原理和仿真模型，在分析中考虑了垂直速度形成的多普勒效应，文中给出几种仿真计算的结果，分析计算结果可得知高度表的工作稳定性以及多普勒效应引起的动态误差，仿真计算程序可以应用于优化伺服系统参量或制作高度表的数学仿真器等方面。     

W33A的羟基分子脉泽辐射

本文给出了Ｗ３３Ａ在两个跃迁频率上的左右图偏振ＯＨ脉泽辐射谱线，采用细管和球模型，获得脉泽活动区的氢分子数密度近似１０７ｃｍ３．为了获得１０４６ｓ１量级脉泽光子发射率，两种模型一致要求抽运率为１（ＯＨ）ｃｍ３ｓ１，但球型脉泽活动区要求较高的抽运效率．     

Vertical shear at the equatorial F-region ionosphere during post-sunset hours

The characteristics of the equatorial F-region zonal plasma drift during post-sunset period have been investigated using the multi-frequency HF Doppler radar. The pattern of the zonal plasma drift is such that it starts with a westward drift during the pre-sunset hours, followed by an eastward drift shortly after the E-region sunset. The zonal plasma drift is characterized by the presence of a positive vertical shear around the post-sunset period and maximum shear is observed at the time of the peak of the pre-reversal enhancement in the vertical drift. The presence of vertical shear in the zonal drift is associated with the post-sunset velocity vortex existing at the equatorial F-region.     

Ionospheric storm of September 2017 observed at ionospheric station Pruhonice,the Czech Republic

The ionospheric effects induced by the September 2017 storm have been exceptional compared to other events in the solar cycle 24. This paper gathers results of the ionospheric observations at the European middle latitude station Pruhonice. It consists of evaluation of ionospheric vertical and oblique sounding, Digisonde drift measurement, and data obtained from the Continuous Doppler Sounding System. We observed strong ionospheric response with an unusual stratification of ionospheric layers, Large Scale Traveling ionospheric disturbances, changes in electron density, and increase and oscillations in plasma drift velocity.     

Vertical wavenumber spectra of atmospheric ozone measured from ozonesonde observations

Vertical profiles of ozone have been measured at balloon altitudes. Our purpose is to examine the character of vertical wavenumber spectra of ozone fluctuations, to assess the possible roles of gravity wave field in ozone fluctuations, and to determine dominant vertical wavelengths of ozone spectra. Vertical wavenumber spectra of 12 ozone fluctuations obtained during June–August 2003 are presented. Results indicate that mean spectral slopes in the wavenumber range from 4.69 × 10⁻⁴ to 2.50 × 10⁻³ cyc/m are about −2.91 in the troposphere and −2.87 in the lower stratosphere, which is close to the slope of −3 predicted by current gravity wave saturation models. The consistency of the observed spectral slopes with the value of −3 predicted by current gravity wave saturation models suggests that the observed ozone fluctuations are due primarily to atmospheric gravity waves. At m = 1/(1000 m) the mean spectral amplitude is over 30 times larger in the lower stratosphere than in the troposphere. Mean vertical wavenumber spectra in area-preserving form reveal dominant vertical wavelengths of ∼2.6 km in the troposphere and ∼2.7 km in the lower stratosphere, which is consistent with the values varying between 1.5 and 3.0 km estimated from the velocity field and temperature field at these heights.     

多路径效应对GPS多普勒测速的影响

针对全球定位系统（GPS）多普勒观测值在城市环境中受多路径效应影响，从而导致测速误差大的问题，从多普勒频移产生的原理入手，通过运动学理论分析，构建了接收机、反射点与卫星整体运动与多普勒频移误差关系模型。模型分析结果表明:多普勒频移误差与卫星观测向量、反射点切线法向量、接收机运动速度及反射点运动速度有关。最后通过5种不同场景的GPS数据验证了所提模型的正确性。在多路径情况下，当接收机或反射点运动时，可能会导致巨大的测速误差，使得结果不具备可靠性。      

动态桨叶RCS特性的实验研究

在微波暗室中测量了金属平板桨叶动态模型的高频雷达散射截面RCS(Radar Cross Section),并通过快速傅立叶变换FFT(Fast Fourier Transform)得到相应的频谱图;详细分析了时域和频域RCS随桨叶片数、雷达波入射方向、入射频率、极化状态和桨叶转速等因素的变化.实验结果表明主要特征是时域RCS呈周期性起伏,频谱图因前行桨叶与后行桨叶散射有差别而不对称,且频谱宽度反映了多普勒效应.取得的结果与已有文献的计算分析一致,对直升机的探测和识别具有重要的参考价值.      

Determination of the Kelvin-Helmholtz Wave Parameters on the Magnetopause in Single-spacecraft Observations

Kelvin-Helmholtz (K-H) waves are formed from the triggeringof the K-H instability on the magnetopause, which is a candidatemechanism for solar wind entry into the magnetosphere, especially undernorthward interplanetary magnetic field conditions. In this study, aK-H wave event was identified from the observation of probe Bof the Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS) mission on 15 May 2008. A new method to determinethe wave parameters of the K-H waves in single-spacecraft observationsis proposed. The dominant wave period is determined by three kinds ofspectrograms for three key parameters, namely the ion density, the iontemperature, and the z component of magnetic field. The phasevelocity is estimated by calculating the center-of-mass velocity of thedetected K-H vortex region. This approximation is validated bycomparison with other alternative methods. The method to determine thewave parameters is a first step to further study K-H wave properties and their relationship with interplanetaryconditions.      

高频返回信道的频率散布测量

本文介绍了用高频后向散射探测系统测量高频返回信道的频率散布的实验, 对高频返回信道的多普勒频移和多普勒频谱宽度的日变化进行讨论.文中比较了地物回波谱和应答回波谱证实了陆地对高频后向散射信道的多普勒频移贡献甚小, 而对谱宽度和谱的形状有影响.