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.      

台风影响电离层F2区的一种可能机制

在台风期间,特别是台风登陆前后,强烈的海气、陆气相互作用会增强低层大气中的湍流活动,并可能导致大气湍流层顶的抬升.这种抬升会改变高层大气结构,从而影响高层大气中的光化学过程,最终造成对电离层的影响.在台风活动抬升了湍流层顶的前提下,利用一个一维电离层物理模型,模拟了日本中纬地区(45°N,142°E)电离层F2区的响应.模拟结果很好地定性解释了如下观测事实,台风期间,电离层f0F2会下降,对给定频率电波的反射面会抬升;同时还表明以上过程会导致hmF2上升,这表明台风期间湍流层顶的抬升可能是台风影响电离层F2区的一种十分有效的机制.      

1984年4月份兰州地区电离层行波扰动的观测结果及初析

１９８４年４月份兰州地区电离层行波扰动的观测结果及初析张秀菊（中国电波传播研究所,新乡,４５３００３）关键词高频返回探测,多普勒频率,电离层行波扰动１９８４年４月我们利用高频返回探测系统在新乡一西北（反射点在兰州地区）电路上多次测到电离Ｆ层的行波扰动...     

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。     

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。     

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.      

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。     

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一, 登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标, 因此电离层是必须了解的火星电磁环境. 火星电离层探测包括直接探测和间接探测. 直接探测精度高, 有较高的空间分辨率, 但是观测时间短, 无法提供长期稳定的探测结果. 对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测. 无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测, 但其空间水平分辨率较低, 且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制. 顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率, 且同样可进行长期稳定探测, 为火星电离层研究提供了最新的支持. 通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析, 提出通过几种探测方法适当结合的方式, 同时对火星电离层进行观测, 能够大大推进对火星电离层的研究.      

玉树地震前的电离层异常现象分析

分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、GPS TEC和卫星探测原位等离子体参量等多个参数的扰动变化信息, 研究了不同高度异常变化的时空关联性. 分析发现, 在地震前一天的4月13日, 多个电离层参量出现同步扰动异常, 电离层临界频率f₀F₂异常相对滑动中值增大40%, 异常空间上存在从震中东南向西南漂移的特性; GPS TEC异常增强15TECU (1TECU=1016m-2)左右, 分布于震中南部经度15°范围内, 且有明显的磁共轭效应; DEMETER观测的原位氧离子密度N_i(O+) 4月13日为1-4月中最强的一天, 异常分布偏向赤道区, 但仅局限在30°-50°左右的经度范围内. 综合三个参量的异常特征发现, 无论是空间的局地性还是时间上的密切关联均反映这次电离层扰动可能与玉树地震孕育有关. 结合其他观测信息, 进一步探讨了这次地震孕育过程的地震电离层耦合机理.      

Adelaide地区大气重力波的气辉观测

利用澳大利亚Adelaide(34.5°S,138.5°E)地区7年(1995-2001年)的OH和OI气辉观测数据,以及同地区中频雷达所测背景风场数据,通过最大熵谱分析方法,统计分析了该地区大尺度重力波的传播特性.结果表明,(1)在中层顶气辉观测区,利用OH气辉探测到48个重力波事件,利用OI气辉探测到29个重力波事件,这些重力波的周期和水平相速度分别集中在68 min和36 m/s左右,具有东南向的优势传播方向,平均仰角为8°～10°,接近水平方向传播;(2)通过OH气辉和OI气辉观测到了同一个重力波事件,并根据两个高度上观测到的扰动相位差判断该重力波为上行波.      

TIMED卫星探测的全球大气温度分布及其与经验模式的比较

利用TIMED卫星遥感探测的全球温度分布与NRLMSISE-00大气经验模式进行了对比研究.研究表明,在中间层下部以下的高度范围内,经验模式与卫星探测的大气温度分布有很好的一致性.但是比较发现,在中层顶区域,经验模式的计算结果与实测结果有较大的差异.卫星探测表明,在春分季节的低纬地区中层顶区存在稳定的逆温层,但是经验模式不能给出低纬地区春分季节中间层逆温层的分布特征.卫星观测表明在全球范围内中层顶有两个非常不同的高度,一个处于100km附近,另一个处于85km附近,但是经验模式不能给出这一中层顶高度的分布特征.同时在低热层,经验模式计算的温度分布与卫星遥感的探测结果有很大的差异.      

用Kriging方法构建中纬度区域电离层TEC地图

提出了中国中北部及周边(30°N～55°N,70°E～140°E范围内)区域电离层电子浓度总含量(TEC)地图(简称CNC TEC Map)的Kriging算法.比较了目前被广泛使用的电离层模型(Klobuchar,IRI和JPLGIM)与真实的TEC分布的符合情况;比较了常数漂移(普通Kriging方法)、线性漂移和二次漂移的Kriging方法;在三种不同的时间分辨率(5min,30min和120min)下,比较了Kriging算法、就近插值算法和多项式回归算法(5阶)绘制CNC TEC Map的效果.结果显示在本文研究区域内常用的电离层模型与真实TEC分布存在较大的区别;使用普通Kriging方法就可以较好的表示华北地区TEC分布;Kriging方法的结果优于其余两种插值算法,尤其是当时间分辨率提高到5 min时,Kriging算法的优势比较明显.      

声重波激发的赤道 Spread—F 不稳定性

本文导出了声重波扰动与赤道电离层扩展F层相互作用的基本方程,并对数值模拟结果进行了讨论。结果表明当声重波扰动与Kavleigh-Taylor不稳定性共同作用于赤道F层时,将导致大尺度波状结构的Spread-F.其特征为以一定速度漂移的准周期不规则性,发展到后期伴有羽柱形状的bubble(电子密度低区)产生。这种现状的bubble可上升至F层顶部并发生倾斜。声重波波矢量的方向决定着羽柱的倾斜方向。这些结果与实验观测特征相符,说明声重波扰动不仅是大尺度Saread-F的触发源,而且对其整个形态发展过程起着重要的作用。      

Ionospheric wave processes during HF heating experiments

Effects of ionospheric modification produced by powerful high frequency radio waves are studied using the method of field-aligned scattering of diagnostic HF radio signals. Observations of scattered HF signals have been made by the Doppler spectrum method. Analysis of the experimental data shows the appearance of quasiperiodic variations in Doppler frequency shift f_d, with periods 30–60 s during the heating cycles. Powerful HF waves are assumed to excite the Alfvén resonator generating oscillations of the magnetic field lines in the heated region and giving rise to f_d artificial variations and magnetic pulsations. In the case of continuous action of the powerful HF transmitter ionospheric waves are sometimes observed with periods 12–25 min, typical of medium-scale travelling ionospheric disturbances.     

电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.      

Doppler observations of infrasonic waves of meteorological origin at ionospheric heights

Ionospheric effects of meteorological origin observed by the continuous HF Doppler sounder over the Czech Republic are reported in this paper. We focused on detection of waves of periods 1–10 min. We discuss the influence of dynamics and intensity of active weather systems on the occurrence of short period waves and dependence of the observed ionospheric effects on the height of reflection of the sounding radio wave. We observed 3–5 min waves during a severe weather event in summer and 2.5–4 min waves during a severe weather event in winter. We excluded possible geomagnetic origin of these oscillations by the analysis of fluctuations of the local geomagnetic field. In eight cases of 10, wave activity in the analysed period range was not significantly increased comparing to quiet days. The intensity of weather systems as well as the location of potential sources of waves towards the points of HF Doppler shift observation influence significantly the occurrence of infrasonic waves in the ionosphere. The results in Central Europe differ considerably from those previously obtained in North America. As a possible reason, we discuss different intensity and dynamics of weather systems in both regions.     

Use of global ionospheric maps for HF Doppler measurements interpretation

The HF Doppler technique, a method of measurement of Doppler frequency shift of ionospheric signal, is one of the well-known and widely used techniques of ionosphere research. It allows investigation of various disturbances in the ionosphere. There are different sources of disturbances in the ionosphere such as geomagnetic storms, solar flashes, meteorological effects and atmospheric waves. The HF Doppler technique allows us to find out the influence of earthquakes, explosions and other processes on the ionosphere, which occurs near the Earth. HF Doppler technique has high sensitivity to small frequency variations and high time resolution but interpretation of results is difficult. In this paper, we attempt to use GPS data for Doppler measurements interpretation. Modeling of Doppler frequency shift variations with use of TEC allows separation of ionosphere disturbances of medium scale.