基于BP神经网络技术的电离层VTEC融合

随着电离层探测技术的不断发展,电离层观测资料也越来越多,只使用单一的观测资料会出现电离层反演精度不高的问题。为了提高电离层的反演精度,使用BP神经网络技术将地基反演和国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型的垂直总电子含量（vertical total electron content,VTEC）数据进行有效融合。在温带地区\[35°(N)~45°(N),60°(E)~80°(E)\]进行电离层反演试验,结果表明基于BP神经网络技术的电离层数据融合和地基反演获得的电离层VTEC精度都比较高,但是基于BP神经网络的电离层数据融合反演精度比地基反演更高,所以基于BP神经网络技术的数据融合能够提高电离层的反演精度。     

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.      

厦门电离层垂测仪电子浓度剖面最优插值同化的初步建立

最优插值(Optimal Interpolation, OI)同化是一种利用最小二乘法使分析误差方差极小化的方法. 提出并建立了一种电离层一维剖面最优插值的同化方法. 借鉴及参考气象的同化方法, 基于最优插值方法, 采用厦门电离层垂测仪2009年6至8月观测数据和一维电离层理论模式(IGGCAS1D)背景值来构建误差协方差, 并进行同化试验和分析预报. 结果表明方法可靠, 没有出现同化时背景数据与观测数据偏离较大的问题, 同化后所得结果与观测数据符合较好.      

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。     

月地双基SAR成像的快速后向投影算法研究

为了提高对全球变化的大尺度观测能力,月基对地观测的概念应运而生。由于月基单站合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）的双程传播会造成回波信噪比衰减,为此针对月地双基SAR工作模式展开研究。考虑到月、地、星复杂的相对运动为成像带来困难,根据月、地、星的几何关系建立平面直角回波模型。同时考虑到月球和卫星运行轨迹的弯曲性,分析模型误差,推导了精确的回波二维频谱表达式。在此基础上提出了一种基于快速后向投影的SAR成像算法,补偿了方位空变的模型误差,利用频域子孔径成像和频谱融合实现成像算法的快速化。通过分析可知月地双基SAR的理论回波信噪比与地月距离的平方成反比,与月基单站SAR相比有显著提升,最后通过X波段SAR仿真数据验证了文章算法处理月地双基SAR成像问题的效性。     

利用RDSS系统测量数据提取电离层TEC参数的研究

提出了一种基于无线测定卫星业务(RDSS)系统观测数据提取电离层TEC参数的方法,利用此方法计算分析了2006年5月地面中心地区电离层垂向TEC的日变化趋势.研究结果表明,利用RDSS系统观测数据提取的电离层垂向TEC,在北京时间每日凌晨0400时左右达到最小值,在午后1400时左右达到最大值,符合电离层TEC参数受太阳活动影响较大的物理规律.结果说明研究方法是可行且有效的,文章还对可能存在的误差进行了探讨.      

电离层薄层高度对电离层模型化的影响

利用IRI2012模型分析了电离层薄层高度的时空变化规律,提出了基于应用中STEC的电离层改正误差分析理论,分析了电离层薄层高度变化的相关影响.结果表明,电离层薄层高度变化对电离层穿刺点位置、投影映射函数值、电离层建模结果、电离层模型精化和电离层模型精度评估结果的影响较大.高度截止角为10°时,电离层薄层高度变化导致电离层穿刺点的经纬度差异最大可达3.2°,投影映射函数最高可引入约15.46%的误差,电离层建模结果差异和建模实用误差最高分别达9.71%,3.64%,采用不同薄层高度数据的电离层模型参数拟合和模型精化结果最大可引入约9.26%的误差,采用不同电离层薄层高度数据进行模型精度评定时最大可引入约9.62%的误差.根据这些研究结果可知:在实际应用中应采用电离层薄层高度模型,并选取较大的卫星高度截止角来减小薄层高度变化引入的误差;采用固定高度时,区域电离层建模采用与实际电离层薄层一致的固定高度;进行精度评估时,参考数据的电离层薄层高度与需要精度评估的电离层模型薄层高度相等.      

电离层掩星反演的TEC修正反演法

电离层掩星数据反演的传统方法是采用改正TEC的Abel 变换反演法, 实际电离层的非球对称性会给电子密度的反演结果带来误差. 文中研究了利用TEC修正方法结合背景场来剔除TEC 受电子密度水平变化的影响, 改善球对称假设适用性, 提高反演精度, 并应用此方法于模拟掩星事件的反演. 结果表明, 与传统的Abel 变换反演相比, TEC 修正反演法能够减小反演误差. 用TEC 修正反演法对不同方法获取的背景场的反演结果比较表明, 背景场与实际场吻合的程度越高, 反演效果越好.      

0.1m分辨率机载SAR孔径依赖性运动补偿方法

讨论了0.1m分辨率机载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)运动补偿方案设计中的一个新问题.超高方位分辨率意味着长合成孔径和大相干积累角,条带模式下的回波数据中可能包含不可忽略的方位角度相关的残余运动误差.分析了这种运动误差孔径依赖性对机载SAR成像质量的影响,它将造成图像的几何失真和方位散焦.提出了一种基于子孔径数据处理的补偿方法,根据雷达瞬时照射时刻与多普勒频率之间的关联性对数据进行方位向上的分段和补偿,可以直接嵌入联合一阶运动补偿和二阶运动补偿的成像处理流程中.仿真结果表明此孔径依赖性运动补偿方法进一步改善了图像的聚焦质量.     

电离层对星载SAR影响的多相位屏仿真方法

利用多相位屏技术对电离层色散、相位闪烁、幅度闪烁等影响的P波段星载SAR(Synthetic Aperture Radar)回波进行了仿真.将电离层建模为只改变信号相位的多个薄屏,信号在屏之间的衍射效应实现电离层的幅度闪烁和相位闪烁.衍射结果由斜入射条件下球面波的抛物方程在自由空间的解析解得到.穿过多相位屏的信号复振幅中包含了电离层色散、相位闪烁、幅度闪烁等影响.回波信号通过发射信号的频谱与受电离层影响的复振幅相乘得到.仿真表明,该方法可以真实反映电离层色散、相位闪烁、幅度闪烁等效应,为研究电离层影响下的星载SAR成像提供真实可靠的数据.     

Ionosphere tomography based on spaceborne SAR

Two models of ionosphere tomography based on spaceborne SAR (Synthetic Aperture Radar) are proposed. For HF-SAR the signal with sweeping frequency lower than the characteristic frequency of ionosphere will be scatted during the ionosphere propagation and completely reflected at a corresponding height. The ionospheric electron density isolines looked as series of random surfaces can be reconstructed from the HF-SAR echoes by using the inverse scattering technique for layered rough surfaces and the method of moment (MoM). The numerical simulation show that due to the MoM can provide a full wave solution, the ionosphere tomography with high resolution can be obtained as long as enough sampling data of HF-SAR echoes are used. For VHF/UHF/P/L-band SAR the TEC (Total Electron Content) can be obtained from the SAR echoes scattered by some strong point targets (such as the calibrators, etc.) appeared in the SAR imaged ground region, and the ionosphere tomography can be performed by CT technique.     

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。     

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.      

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.      

中低纬电离层对行星际磁场南向翻转的响应

利用卫星和地面台站的历史数据, 研究了中低纬电离层f0F2 对强行星际磁场南向翻转的响应. 结果表明, 行星际磁场南向翻转能引起电离层扰动式响应, 响应特性与纬度、季节和翻转时刻的地方时有关. 在中纬, 发生在夏分季和夜间的翻转能造成较强的电离层负响应, 其幅度随纬度的降低而变弱, 在恢复过程中存在不规则振荡; 在低纬, 南向翻转引起的电离层响应在夏分季较强, 在冬季则较弱, 且易被淹没在电离层自身的扰动中. 分析指出电离层最大负响应与翻转后南向磁场极大值之间有着较好的线性关系.      

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     

Ionospheric wave signature of the American solar eclipse on 21 August 2017 in Europe

A total solar eclipse occurred on 21 August 2017, with the path of totality starting over the North Pacific Ocean, crossing North-America and ending over the Mid-Atlantic Ocean slightly North of the equator. As a result, a partial solar eclipse was observed as far away as the Western Europe. The ionospheric observatory in Dourbes, Belgium, was right on the edge of the partial eclipse and was exposed for a very short period of only few minutes just before the local sunset. High-resolution ionospheric measurements were carried out at the observatory with collocated digital ionosonde and GNSS receivers. The data analysis revealed a clear wave-like pattern in the ionosphere that can be seen arriving before the local onset of the eclipse. The paper details the analysis and provides a possible explanation of the observed phenomenon.     

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.