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.      

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.     

VLF电波渗透到卫星高度电离层传播的全波计算

考虑斜向地磁场的影响将电离层设为多层水平分层各向异性有耗介质, 利用传播矩阵法求解全波方程, 进而研究分析VLF频段电离层反射系数随电波频率的变化, 电离层中两种特征极化波的折射和极化特性, 两特征波的电磁场水平分量以及坡印廷能流密度随传播高度的变化. 数值计算结果表明, 地—电离层波导中的垂直极化波比平行极化波易渗透进入电离层; 电离层中两种特征极化波可分为左旋和右旋圆极化波, 左旋分支由于D层强吸收作用表现为速衰减模, 而右旋分支表现为可传播模, 在传播过程中电磁波的能量主要存储在磁场中; 电波频率越低, 其在电离层中的传播损耗越小. 由数值模拟结果发现, 卫星监测VLF频段的低频部分及更低频段的水平磁场变化对于发现地震电离层电磁前兆异常可能更为有效.      

低功耗电离层垂测仪系统及在银川地区的试验

研制了一台低功耗电离层垂测仪，该系统采用新型Delta天线、可变接收时长和类巴克码脉冲编码设计，安装在宁夏银川地震监测试验场。2021年8月开展了全天连续观测试验，观测获得的科学数据验证了垂测仪的探测能力和探测效率。试验结果表明：F₂层临界频率日变化与银川地区太阳高度角日变化趋势存在一定的正相关性；采用图像处理技术实现了原始频高图中O/X波自动分离，获得两极化波临界频率之差约为0.7MHz，与银川当地0.5倍磁旋频率0.7 MHz基本一致。该电离层垂测仪系统运行稳定，试验数据可靠，对后续星地联合多维度探测和信号处理具有一定的算法参考和数据积累意义。     

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.      

强震前异常电场激发声重波对电离层的影响

震前地震孕育期地表异常增强的电场,通过大气电导率传输到电离层高度.该异常电场通过非稳态局部加热,可以在电离层高度激发声重波.基于该理论,利用一维时变中纬电离层物理模型,模拟了该扰动源对电离层电子密度的影响.结果表明,重力波引起的中性风速度扰动对电离层电子密度分布影响甚微,该机理无法解释震前电离层异常扰动现象.      

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。     

低电离层中的行星波扰动及其垂直传播

根据武昌电离层观象台接收的罗兰－Ｃ ＬＦ无线电波的传播资料，利用小波分析方法，研究了１９８５年和１９８６年冬季的低电离层中的行星波扰动及其垂直传播。结果表明：（１）两个冬季中，在７５ｋｍ和９５ｋｍ高度上，均存在明显的行星波扰动，主要成分是５－１０天和１０－２０天周期的波动，扰动幅度随高度增长，但增长值小于理论增长值；（２）在７５ｋｍ高度上的扰动和９５ｋｍ高度上的扰动，具有十分相似的扰动形态。根据行     

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.      

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．     

内重力波传播的3维传输函数模式研究

在考虑背景风场及大气耗散的条件下,建立了3维内重力波传输函数数值模式.分析了300 km高度3维传输函数在频率波数域的特性,并以近地面单位脉冲点源为激发源,得到了内重力波在3维空间中的时空分布.讨论了不同时空尺度地面方波源激发的内重力波在电离层高度的能量分布特征.结果表明,(1)对内重力波而言,背景大气相当于一个带通滤波器,只有波动周期和波长分别在15～30 min和200～400 km之间的重力波扰动最容易上传到300km高度;(2)在背景风场的作用下水平面上以同心圆扩散的波阵面以及垂直方向上成漏斗状的波阵面发生了变形,并且逆风方向比顺风方向更有利于声重力波由对流层向电离层高度传播;(3)300km高度对时间尺度和空间尺度分别在20～30 min和150～250 km之间的地面方波源响应的总能量最强.      

基于GNSS-R的裸土圆极化散射特性研究

GNSS-R是利用导航卫星的反射信号对地物参数进行遥感的新兴对地观测方式。针对其特有的圆极化散射方式，以双站散射的高级积分方程模型为工具，利用极化合成的方法将随机粗糙地表面圆极化散射模型转换为可以计算各种极化的微波散射模型。重点模拟分析了不同土壤水分含量下，裸土在不同观测几何时的圆极化散射特性。随机粗糙地表面圆极化散射模型的发展在某种程度上填补了GNSS-R领域机理模型的空缺，为后续土壤水分的进一步反演提供了机理工具。      

非等间距显式算法在重力波非线性传播数值模拟中的初步应用

采用3阶TVD型显式时间积分方法,建立了2维可压缩大气中重力波非线性传播的非等间距显式数值模式.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,该模式能够很好地再现小振幅重力波的传播过程,并能保持能量守恒关系和各扰动量之间的相位关系,与线性重力波理论预测的结果吻合很好.对有限振幅重力波的模拟结果表明,与格点数相同的等间距网格中的模拟结果相比,采用非等间距网格能够以更高的分辨率模拟重力波的不稳定传播直到破碎的整个过程;在非等间距网格中的模拟结果与在加密一倍的等间距网格中的模拟结果相同,说明了用非等间距网格模拟重力波的饱和与破碎过程是正确的,并且采用非等间距网格能够大大减少计算量.      

气动管道中压力波的传播特性分析

利用一维非定常气流理论,建立了管道中气体传播的分布式参数模型,采用迎风差分的方法进行数值计算,并通过实验结果与模型仿真结果的比较,验证了该模型的正确性.通过改变管道直径、气源速度、入口压强和仿真空间步长等初始条件,模拟不同特性的管道,对仿真结果进行比较分析,得到不同波形的压力波在不同管道中传播的特性.结果表明:利用压力波测流量时,应采用下弦波或矩形波.      

海口地区上、下电离层的资料计算

一、前言 电离层对空间通讯系统、航天飞机、宇宙飞船、运载火箭、洲际导弹的遥测遥控的影响,往往以电子含量及时空结构与变化的形式表现.为考虑到与测高仪资料的配合和布站的合理,于1981年6月开始陆续在海口、满州里、乌鲁木齐建立了三个多普勒观测站,以获取总含量和测高仪的资料,进行上、下电离层的联合分析.     

模拟三维重力波传播过程的并行数值模式

从三维大气运动的基本控制方程出发, 基于MPI消息传递接口和区域分解的思想, 建立了模拟三维可压缩大气中重力波传播过程的并行数值模式. 在对垂直方向进行区域分解的基础上, 针对跳点网格的特点, 以垂直速度主格点线为子区域的下边界, 状态变量主格点线为子区域的上边界进行区域分解. 利用MPI消息传递接口来传递计算各子区域中变量时所要用到的相邻子区域上相应变量, 从而顺利地完成对整个计算域的并行计算. 根据线性重力波理论, 通过模拟小振幅重力波的传播过程对所建模式进行了验证. 结果表明, 模式可以很好地模拟小振幅重力波在三维空间中的传播过程, 模拟的重力波振幅随着传播高度的增加以指数形式增长, 对能量传播路径以及有效扰动位能和扰动动能的模拟结果均与理论预测的结果吻合很好. 另外, 随着进程个数的增加, 完成相同的计算量所用的计算时间也显著减少. 这表明本文建立的并行数值模式不但能够很好的模拟重力波的传播过程, 而且能够有效地节约计算时间.      

VLF波渗透电离层传播计算研究进展

3~30kHz的甚低频（Very-Low-Frequency,VLF）电磁波对近地空间的高能粒子分布具有非常重要的作用.闪电和地面VLF通信台等VLF波主要辐射源产生的VLF波能够渗透进入电离层,并以哨声波模式继续传播至磁层与高能粒子发生相互作用.本文从VLF电磁波渗透电离层传播计算方法的发展、计算模型验证以及模型在电离层现象研究中的应用等方面对VLF波渗透进电离层之后的传播计算的研究进展进行综述,并对未来研究进行初步展望.      

重力波非线性传播过程中的饱和与破碎

采用水平方向的显式算法与垂直方向的隐式算法相结合的时间分裂法,建立了二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式.用本模式对小振幅重力波传播过程的模拟结果与线性重力波理论预测的结果吻合很好,从而验证了本模式的正确性.我们用此模式模拟了有限振幅重力波在非线性传播过程中的饱和与破碎,结果表明,(1)翻转出现在饱和之前,但向破碎演化仍需要一段时间,由于非线性波-波和波-流相互作用使得非线性数值模拟的饱和高度(出现时间)高(早)于线性饱和理论预测的结果;(2)重力波在不稳定之前已经有能量向背景场中转移,破碎直接导致非线性波-波相互作用,造成能量向小尺度短波上转移;(3)背景风场的加速方向,形成射流的方向与重力波的水平传播方向一致,表明重力波与背景流的非线性相互作用加剧了背景风剪切和不稳定性的发展.      

中尺度电离层扰动的统计色散特性

利用Millstone Hill(288.5E,42.6N)地区的数字测高仪漂移模观测数据,统计分析了中尺度电离层行扰(TID)的色散特性.分析结果表明,该地区的TID在扰动频率-相速度平面的分布中存在若干明显的扰动出现率峰值.比较相应的理论研究结果发现,观测到的TID大都可以用不同的受导重力波传播模式加以解释: 频率较高的TID可以用地面和热层底部维持的各阶完全制导模解释,频率相对较低的TID可以用传统理论给出的由热层底部陡峭的温度梯度维持的L₁模和我们新近提出的由热层背景风场所维持的各阶导管模解释.