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.      

Digital spacecraft ionosondes

In cooperation with RCA, Astro-Electronics Division, a digital spacecraft ionosonde has been developed and its prototype built by ULCAR. On-board use of the Direct Discrete Fourier Transform for signal-to-noise enhancement, suppression of unwanted echoes and the identification of echo properties permit several applications. In ionospheric topside satellites (>800 km above ground) the ionospheric profile over all parts of the earth will be measured with simple and new data compression techniques on board of the satellite. Digital data preprocessing overcomes the breakthrough of ground-based man-made interference and analyzes auroral and equatorial echoes. Because the ionosonde measures amplitude, phase, Doppler, range and polarization of a radio wave simultaneously, it will be a very useful tool for the Waves in Space Plasma program of the NASA Space Shuttle, especially for a mother-daughter configuration. With a synchronized transmitter on the ground, such a Digisonde in a low-flying satellite (100–400 km) can receive signals from ducted radio waves launched into the ionosphere near natural or artificial ionization depletion areas for the study of large distance radiowave propagation.     

Use of varying shell heights derived from ionosonde data in calculating vertical total electron content (TEC) using GPS – New method

The dispersive nature of the ionosphere makes it possible to measure its total electron content (TEC). Thus Global Positioning System, which uses dual-frequency radio signals, is an ideal system to measure TEC. When data from an ionosonde situated in polar region was observed, the height of an approximated thin shell of electrons (shell height) used in GPS studies was seen not to be fixed but rather changing with time. Here we introduce a new method in which we included the varying shell heights derived from the ionosonde to map the slant total electron content from GPS to obtain a more precise vertical total electron content of the ionosphere contrary to some previous methods which used fixed shell heights. In this paper we also compared the ionosonde derived TEC with the GPS derived vertical TEC (vTEC) values. These GPS vTEC values were obtained from GPS slant TEC (sTEC) measurements using both fixed shell height and varying shell heights (from ionosonde measurements). For the polar regions, the varying shell height approach produced better results than the fixed shell height and compared to exponential function, Chapman function seems to be a better function to model the topside ionosphere.     

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.      

Method of the HF wave absorption evaluation based on GIRO network data

High frequency (HF) communication is strongly dependent on the state of the ionosphere, which specifies the mode structure of the radio wave propagating in ionosphere. Another core factor defining the strength of the HF signal at the receiving site is the ionospheric absorption. Accurate modelling the effect of absorption is an essential part of many studies of the HF propagation in the ionosphere.This paper proposes a method for estimating the absorption. The method is based on analysis of vertical sounding ionograms. The main idea of the approach is to compare the main parameters retrieved from measured and simulated ionograms. The combination of Global Ionospheric Radio Observatory (GIRO, http://giro.uml.edu) data and ionograms modelling allows for developing the empiric absorption model available at near real-time. The ionogram simulation taking into account absorption utilizes the NIM-RT (North Ionospheric Model and Ray Tracing) software. As a result, the proposed technique provides more reliable and accurate evaluation of minimum frequency at which echoes are observed in vertical incidence ionosonde soundings. The values of these frequencies should be used in the following simulation to optimize parameters in the empirical formulae for defining absorption HF wave in ionosphere.The ultimate objective of this work is the designing the method, which allows the simulating of HF radio channel accounting for regular absorption due to UV radiation of the Sun. Eventually it could be considered as some kind of the HF propagation forecasting.     

Studying characteristics of traveling ionospheric disturbances using U-shaped traces on vertical incidence ionograms

This paper presents a case study when due to the descending additional U-shaped trace on vertical incidence ionograms, increased critical frequency stabilizes. This corresponds to an ionospheric disturbance that moves toward the ionosonde and then stays overhead.Within a 2D model, traveling ionospheric disturbances (TIDs) are superimposed on the inverted background ionosphere. So ray tracing is used to obtain propagation paths through non-stratified ionosphere thus synthesizing the disturbed ionogram traces. Investigated are changes in the cusp shape caused by varying TID parameters. A cusp-fitting method to determine the TID amplitude, spatial scale, and horizontal drift velocity are shown.     

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.