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.      

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。     

2009年7月22日日全食电离层效应观测

首次利用廊坊中频雷达和武汉、嘉兴、廊坊等三站GPS对2009年7月22日日全食电离层效应进行了观测．日食期间,中频雷达D层78km高度上电子密度减小了约67％,电子密度为200cm^-3的高度上升了近10km,GPS／TEC减小了1TECU左右,其变化的最大相位与日食最大相位几乎同步;日食后,观测到周期为2个多小时的电离层扰动现象．     

从射电天文观测中提取电离层信息的一种统计方法

本文在分析了法拉第旋转效应、多源观测效应和程差补偿误差等对可见度函数的相位的影响的基础上,确认了:当电离层不规则性尺度较基线长为大时,仅有电离层引起的可见度函数的相位与基线长成正比且具有随时间快变化的特点这一物理事实;从而提出了从米波综合孔径射电望远镜的观测数据中提取电离层信息的统计方法,并分析了该法的特点,给出了统计实例.      

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。      

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.      

中纬地区日间类扩展F不规则结构的观测研究

基于高频多普勒观测,研究中纬地区日间类扩展F现象及其与其他电离层扰动现象的关联.结果表明:日间类扩展F具有出现时间覆盖面广、持续时间长、与其他电离层扰动相互伴随等特征;形态特征表现为回波弥散（与夜间扩展F相似）,弥散回波的频移多倾向于正向偏移,有时与行进电离层扰动（TIDs）相互伴随.日间类扩展F现象虽然是偶发事件,且发生率极低,但其出现时间及区域的广泛性充分体现了该现象对空间天气及空间环境的影响具有不可忽视的重要性.      

台风激发的声重力波的可探测性研究

通过对北京大学高频多普勒台站(39.4°N,116.2°E)多年的观测资料及相关台风资料的统计分析,着重研究了高频多普勒探测手段对由台风引起的扰动电离层响应的可探测性问题.通过对台风登陆前后的高频多普勒观测记录的细致分析及与宁静条件下记录的对比研究,表明高频多普勒观测手段可以很好地探测由台风激发的声重力波,尤其是对台风登陆前后所激发的扰动具有较高的可探测性.在所分析的24次台风事件中有明显扰动记录的高达22次(22/24).结合观测事实与Huang等的统计结果(2/12)进行了比较,并进行了可能的原因分析.通过数值模拟的方法对观测到的主要扰动的非线性传播过程进行了模拟再现,结果基本上与观测结果及线性传播理论一致.确认了一般情况下高可探测性这一事实,但同时也表明可探测性和台风激发源与探测位置及中尺度TIDs在电离层中的传播模式有密切关系.      

敏捷数字电离层测高仪系统研制及初步观测

在小型天线和低发射功率条件下，保证电离层测高仪观测数据质量和提高观测速度一直是电离层垂测的技术难点.针对这一问题，基于新近发展的高速数字芯片和射频器件，采用窄带跟踪滤波、脉冲压缩、编码复用和天线均衡匹配等技术，设计和研制一种敏捷数字电离层测高仪.该系统采用数米高的小型收发天线和便携式主机系统，配置任意频率扫描方式频高图、高分辨率多普勒频高图和斜向探测等多种工作模式，具有可流动观测布站、系统参数灵活捷变及适合快速电离层扰动探测等能力.敏捷数字电离层测高仪为组网观测获得大范围电离层时空变化和电离层快速扰动及传播提供了一种有效的探测手段.      

我国中部地区电离层扰动时空尺度的统计分析

将最大熵动态互普方法用于高频多普勒台阵数据处理，从覆盖太阳活动高、低年份的高频多普勒台阵观测数据中，得出了中国中部地区电离层声重波扰动的传播方向、时空尺度等参量之间的统计分布特性，进而探讨了有关扰动源的情况，结果表明，极区源和局地源两种不同的激发源所激发的声波，分别反映了电离层扰动的全球传播和地区特性两种不同的特征。     

宇宙噪声的电离层闪烁与电离层不规则结构的结构参数

利用宇宙噪声是均匀的。各向同性的背景电磁辐射的假设,对电子密度涨落空间分布波数谱为负幂律函数的电离层不规则结构,用射线光学方法导出了闪烁功率谱的表示式。与射电星和轨道人造卫星信标的电离层闪烁相比,减少了因相对运动弓队的变量。用数值计算方法研究了电离层不规则结构的结构参量L_y、l_y、p、η对功率谱的影响。与实测资料比较,发现电离层吸收事件期间且Riometer记录的闪烁资料中,60%以上相应的不规则结构有L_y>103,η>η₀(0.2<η₀<0.5).      

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。      

电离层闪烁谱特征分析

本文给出了斜入射和不均匀体各向异性情形下的闪烁强度时间频谱的理论表达式。得出在各向异性不均匀介质中传播的信号,其闪烁谱在低频端既有下降的,又有平坦的,具体视传播的几何条件而定,其中传播角的影响尤为显著。据此,较好地解释了在广州、武昌、新乡等地观测到的ETS～Ⅱ卫星VHF信号闪烁谱在低频端的不同特征。      

宇宙噪声的电离层闪烁

本文给出了薄相屏近似条件下的电离层闪烁Fourier功率谱和Bessel功率谱与电离层不均匀结构电子密度涨落空间谱之间的关系。对窄波瓣天线Riometer获得的宇宙噪声资料进行了分析,结果表明:宇宙噪声资料包含着电离层不均匀结构的信息。Riometer观测结果也可用于电离层闪烁问题的研究。     

电离层扰动的GPS探测

提出了一种利用短基线GPS接收阵探测研究电离层扰动的实验新技术,在此基础上发展了一种消除观测点运动速度的影响,从探测结果中确定扰动传播参量的数据分析算法．实验结果表明,短基线GPS接收阵用于探测研究TID一类电离层扰动时,精度高,可靠性好,并能有效地探测大范围电离层扰动的传播特性．     

风场对重力波的滤波现象

对MillstoneHill台站数字测高仪DGS－256漂移探测数据进行的分析表明，背景风场对重力波扰动具有明显的滤波作用．这种滤波效应主要表现为：扰动传播方向具有顺时针旋转的日变化特征，扰动相对出现率峰值出现在扰动传播方向与背景风场方向之间的夹角为180°－225°之间．扰动时空尺度越小，其传播越趋向于逆风场方向．     

电离层的运动与电波频率的变化

本文对从空间缓慢变化电离层反射的回波的多卜勒频移进行了讨论,认为反射面的运动和媒质的运动可以分开,等效镜反射面不一定在偏区.提出了利用寻常波和非寻常波多卜勒频移反演等值面运动速度剖面的方法.      

极区F层不规则结构的分形模型

本文利用1986年9—12月期间17个电离层吸收事件的Riometer资料计算了电离层闪烁强度的Fourier谱和Bessel谱。求出了谱遵从的k~(-β)型函数的β值,1.8<β<2.5,平均为2.1;求出了不规则结构的漂移速度平均为129m/s。计算了各个事件的闪烁指数S_4<0.4。求出相位涨落空间谱,且指出其也遵从幂型函数k~(-α)规律。根据上述结果,本文提出极区F层不规则结构为分立的分形,不是分立的“斑块”。利用β值求出分形的分数维D=2.45。给出了不规则结构的近似分形模型。     

电离层峰下结构的数值模拟

在考虑由扩散与中性风引起的动力学输运与有原子离子Ｏ＾＋（＾４Ｓ），Ｏ＾＋（＾２Ｄ）与Ｏ＾＋（＾２Ｐ）以及分子离子Ｏ２＾＋，ＮＯ＾＋，Ｎ２＾＋参加光化学反应的电离层－热层体系中，提出一个一维时变的电离层剖面数值模型，通过数值计算着重讨论了武昌地区Ｆ２层峰以下，尤其是Ｅ／Ｆ与Ｆ１／Ｆ２谷区的电离层形态与有关过程，得到如下结论：（１）对于原子离子，单一成分Ｏ＾＋（＾４Ｓ）的光化学反应与输运，也有助于形成     

东亚地区电离层Es出现率峰值的时空演变

通过对东亚地区20多个台的电离层垂测资料,进行逐年、逐月与逐台的比较研究,发现Es出现率峰(Es出现率最大处)具有时空演变.冬季的白天,峰位于低纬;夏季的白天,峰的位置随太阳活动的不同而变动;春秋两季的峰不明显,隐约可见其振荡在类似于海口与国分寺的纬度之间;夜晚,兰州、新乡与国分寺,几乎既是夜晚各季节的主峰所在,又是白天冬夏季节的亚峰地点.可见Es出现率峰,有着十分规则的变化,这一点与以往结论有别.