1、 電離層垂直探測目錄一、 概論二、 系統設備三、 基本原理四、 電離層垂測圖數據處理及分析五、 電離層垂測的目的與用途 電離層垂直探測一、 概論電離層垂直探測是電離層研究中歷史最悠久、至今仍然廣泛使用的電離層地面常規探測方法。這種方法通過垂直向上發射頻無線電脈沖，頻率f在130MHz范圍內變化（頻率掃描），接收在不同頻率上由電離層反射的回波（Echo），測量回波的傳播時間（Time of Flight），或者虛高（h= c/2）隨頻率變化的頻高圖(Ionogram)。根據對頻高圖的度量分析和反演，可以獲得電離層特征參數，如F層臨界頻率foF2，最大電子密度NmF2，以及探測點上空峰值高度以下電

2、子密度隨高度的一維分布，即電子密度剖面。這是傳統垂直探測方法能夠提供的最重要的關于電離層結構的信息。現代數字測高儀除了測量回波的傳播時間，還可測量回波的偏振、振幅和相位譜，以及回波到達角，提供更豐富的關于電離層結構與動力學信息。簡單地說電離層垂直探測是用電離層測高儀（垂測儀）從地面對電離層進行日常觀測的技術。這種技術垂直向上發射頻率隨時間變化的無線電脈沖，在同一地點接受這些脈沖的電離層反射信號，測量出電波往返的傳遞時延，從而獲得反射高度與頻率關系的反射曲線。二、 系統設備垂直探測設備主要包括：發射系統、接收機系統、頻率合成系統、同步控制與時鐘系統、數字處理、數據終端、自動判讀和天線系統等。輸出

3、濾波控制器信號處理接收機頻率合成發射機電源 時鐘 接口計算機數據線端網絡GPS天線接收天線發射天線垂測設備組成框圖電離層測高儀（垂測儀）：電離層測高儀是從地面對電離層進行常規探測。測高儀從地面垂直向上發射脈沖調制的高頻無線電波，并在同一地點接收它的反射信號，測量出頻率連續改變的電波來回傳播的時間（稱為時延），從而獲得反射高度與頻率的關系曲線，這種曲線稱為頻高圖或垂測電離圖，從而獲得電離層電子密度的高度分布。電離層探測儀（垂測儀）按功能可以分為：發射機、濾波器、接收機、信號處理、系統電源、數據終端。（1） 發射機：發射機由預放、激勵器、功分器、功放、合成器組成，利用傳輸線變壓器作為功率混合和分配

4、網絡來實現寬帶功率合成和分配。發射機的作用是為發射天線提供滿足系統要求的射頻功率信號。在同步信號的控制下，132的掃頻脈沖編碼信號首先進入發射機進行激勵放大后，在經歷進一步的功率合成到5000W的功率能量輸出。原理如下圖：功率合成8:1功放功率分配1:8激勵預放發射信號 去輸出自合成器 濾波器發 射 控 制發射脈沖 駐波檢測自控制器 保護（2）輸出濾波器輸出濾波器有單片控制電路、驅動電路、開關電路四部分組成。工作時將整個掃頻過程（132）分10段，每段對應一組5階考爾濾波器。首先濾波通過接收終端命令，對起始和終止頻率進行設置，然后計算出波段轉換點，當掃頻開始后，通過波段點的自動判斷，有單片機控

5、制多驅動分段控制濾波器的工作，使功放輸出的掃頻信號保持有用信號，濾除諧波分量。（3）接收機其原理框圖為：解調視頻檢波混頻濾波放大混頻輸入回路相關微處理器分配器濾波放大正交處理分配器頻率合成濾波放大數據處理相關混頻視頻檢波濾波放大解調混頻輸入回路（4）信號處理 信號處理單元主要完成模擬中頻信號的正式采樣、信號電平估計、信號的相關處理和回波信號的時間差計算等。它接收主控制器的命令，完成主控命令要求的計算和操作。將來自接收機的模擬中頻信號提取，然后進行相關處理等，把信號提取出來，然后再按照探測頻率進行幅度編碼和距離編碼，結果送入終端。原理圖如下：數據接口發射同步抗混迭濾波求延時相關器抽取正交化處理中

6、頻信號采樣頻率倍中頻本地碼抽取頻率倍寬帶（5）系統電源電源系統采用單相供電，通過多路電源轉換器提供給各個單元。整機電源系統如下圖。風機電源（）多路電源轉換器主控電源（）發射電源（）計算機主控電源為開關電源，輸出，直流電壓給主控機箱內的各個部分。發射機電源采用大功率電源，輸出的直流電壓，穩壓電源采用了高可靠性集成電源模塊，多路輸出，具有交流范圍寬,直流穩定性高的特點。電離層測高儀實質上是一臺短波脈沖雷達，通常由發射機、接收機、天線、頻率合成器、顯示記錄器、程序控制器等組成。其工作頻率可在整個短波波段的頻率范圍 （0.530兆赫）內連續改變。電離層測高儀進行探測時，發射機的高頻脈沖振蕩通過天線垂直

7、向上輻射，不計碰撞和地磁場的影響,根據阿普頓-哈特里公式（見磁離子理論），電離層介質的折射指數為式中稱為等離子體頻率;f為發射頻率（兆赫）。對應于電離層中某一高度的電子密度值(單位為米)各有一個fN值。利用測高儀對電離層某層進行探測時，將發射機頻率f由低值逐漸增高,當ff時，0，電波就從與 相對應的高度反射回來。如果該層最大電子密度值為，則從該層反射的電波最高頻率為式中f為該層的臨界頻率如果ff ,電波將穿過該層入射到更高的電離層次。當f的值足夠高而使電波能穿過最高的層次時，這個頻率即為整個電離層的穿透頻率。假設脈沖波群在電離層介質中的傳播速度同在自由空間中一樣，那么，根據反射下來的回波脈沖與

8、發射脈沖之間的時延，即可決定反射點的高度為式中c為真空中的光速。但實際上電離層介質中電波的群速度小于光速c。因此，由上式算出的h不是反射點的真正高度h ，它可能比h高得多。通常稱h為等效高度或虛高。 從垂測儀測出的頻高圖中可以度量出E、F、F1和Es層的臨界頻率和最小虛高等參數。通過適當的換算還可從頻高圖得出電子密度隨高度的分布。三基本原理（1）通過使用電離層測高儀從地面對電離層進行的常規探測。測高儀從地面垂直向上發射脈沖調制的高頻無線電波，并在同一地點接收它的反射信號，測量出頻率連續改變的電波來回傳播的時間（稱為時延），從而獲得電離層電子密度的高度分布。這種方法通過垂直向上發射高頻無線電脈沖

9、，頻率f在130MHz范圍內變化（頻率掃描），接收在不同頻率上由電離層反射的回波（Echo），測量回波的傳播時間，或者虛高（h= c/2）隨頻率變化的頻高圖。根據對頻高圖的度量分析和反演，可以獲得電離層特征參數，如F層臨界頻率foF2，最大電子密度NmF2，以及探測點上空峰值高度以下電子密度隨高度的一維分布，即電子密度剖面。（2）描述無線電波在電離層中傳播的理論基礎是根據磁離子理論推出的A-H公式，對于高頻無線電波，電離層中電子與其它粒子碰撞頻率/210-10³Hz，參數Z=/<<1，碰撞項可以忽略，A-H公式簡化為： 其中：f p 等離子體頻率， f 工作頻率即電波頻率

10、，N e電子的數密度 e 電子電荷，m 電子質量，0自由空間介電常數， 地磁場與波法線夾角，H0 地磁場強度f H磁旋頻率 0自由空間磁導率， e電子的有效碰撞頻率根據電磁波傳播理論，垂直入射進入電離層的電磁波將在n2=0處發生反射。由上式可以證明，發生反射時（n2=0）參數X和Y滿足以下關系：X=1 尋常波X=1+Y 非常波X=1-Y 非常波即電波頻率f p、電子等離子體頻率f、電子磁旋頻率f H滿足：因為X恒大于零，故只有當Y<1(即fx>fH)時X=1-Y才有意義，所以：1) 當f<f H時，反射條件為：X=1 (尋常波)，X=1+Y(非尋常波)；2) 當f>f

11、H時，反射條件為：X=1 (尋常波)，X=1-Y(非尋常波)。（3）通常垂直探測方法提供以下電離層參數：尋常波臨界頻率。：層非常波臨界頻率。：E層臨界頻率。：層臨界頻率。:層遮蔽頻率，即開始變為透明的尋常波最低頻率。：定義：是在電離圖上記錄到的反射回波的最低頻率。:層最小虛高。:層最小虛高。:層最小虛高。 ：層最小虛高。其中比較重要的參數：頻高圖上觀測到的回波最低 頻率，此參數是電離層垂直探測儀性能的一個指標，也可以作為電離層對回波吸收強度變化的指標。（4）電離層垂直探測中的頻高圖電離層測高儀接收到的反射回波的往返傳播時間為：單程傳播時間通常用虛高c/2來度量：其中c是真空中的光速，是電波往返

12、傳播時間，B是磁場強度，N e是電子數密度，f是電波頻率，g是群折射指數。因為群速度總是小于真空中的光速，所以真實反射高度總是小于虛高。頻高圖就是反射虛高隨電波頻率變化的曲線。圖1.1所示的是在北京觀測站（40.3N，116.2E）利用CADI數字測高儀所測得的2006年4月8日10:35 LT時刻的頻高圖。可以計算出虛高為：令：則 當N(h)剖面出現極大值，即變化率dN/dh 0時，h(f)，曲線呈現出極大尖點，也就是說，h(f)曲線的極大尖點所在的頻率與某一層的峰值臨界頻率相聯系。從頻高圖h(f)f曲線反演電子密度剖面的問題歸結為求解積分方程式虛高的問題，求解的未知函數是作為真高hr函數的

13、電子密度N(h)，或者是作為等離子體頻率 函數的真高h r (f p)。對于忽略地磁場影響的簡單情況，積分方程（1.9）具有阿貝爾積分方程的形式，對于N隨h單調上升的情況，有精確解，此解可表示為一個定積分式：其中Z T是在頻率f v上反射的真高。選定一個頻率f v，利用圖形積分或數值積分方法，由測量得到的離散化h(f)函數值，求出上式的積分值，便得出與此反射頻率f v相對應的真實高度。四 電離層垂測圖數據處理及分析下圖為2008年03月01號夜間的電離層垂測圖對該圖進行數據分析如下：由圖可以讀出：14MHz 反射回波的最低頻率14MHz.: 14MHz 層遮蔽頻率，即開始變為透明的尋常波的最小

14、頻率: 90MHz 尋常波F2層臨界頻率 : 14MHz 層臨界頻率： 97OX 層非常波臨界頻率 沒有數據 S表示黑夜： E層最小虛高： F2層最小虛高: S 層最小虛高，由于某層電子濃度太小，不可能讀取度量值。:205Km 層最小虛高205Km .通過對對回波描跡進行反演計算，我們可以計算出真高，尤其是電子密度極大值的高度和電子密度隨高度的分布。另外，由上面實測電離圖可以看出，存在少許離散的弱噪聲（同頻干擾已去除）且回波描跡存在間斷，F2層X波描跡模糊，圖中還出現了Es層的回波。可見，由于電離層的隨機性和復雜性使得回波描跡不確定性很強，同時收到噪聲的影響也很大，給回波數據信息的提取和利用造

15、成一定的困難。 從電離層探測能獲得的最有物理意義的結果是反射層的真高或電子密度隨高度變化的電子濃度剖面。用臨界頻率能以很高的精度給出最大電子濃度，但剖面參數的獲得是很麻煩的，并且可能產生很大的誤差。由垂測電離圖分析電子濃度剖面，一般就是對積分方程（3.64）進行反演，即是從已知的虛高求真高。 從頻高圖h(f)f曲線反演電子密度剖面的問題歸結為求解積分方程式虛高的問題，求解的未知函數是作為真高hr函數的電子密度N(h)，或者是作為等離子體頻率函數的真高h r (f p)。對于忽略地磁場影響的簡單情況，積分方程（1.9）具有阿貝爾積分方程的形式，對于N隨h單調上升的情況，有精確解，此解可表示為一個

16、定積分式：其中Z T是在頻率f v上反射的真高。選定一個頻率f v，利用圖形積分或數值積分方法，由測量得到的離散化h(f)函數值，求出上式的積分值，便得出與此反射頻率f v相對應的真實高度。五 電離層垂測的目的與用途隨著人類科學技術的不斷發展，空間環境的監測研究越來越受到人們的重視。在空間天氣學和電離層探測研究需要的大力推動下，電離層地面探測技術和方法也不斷得到完善和發展。而電離層垂直探測是根據電磁波垂直通過電離層傳播時與等離子體相互作用所產生的電磁效應或傳播特征，得出電離層特征參量，這些參數包括：電離層空間層結構（各層虛高： E、），不同高度電離層電子濃度極值變化（各層臨界頻率： 可以確定電離層電子濃度隨高度的分布參數剖面參數），電離層（虛）高度隨頻率變化情況、最低反射頻率，地球磁場磁活動特性而產生雙折射性質（尋常波和非常波）等。通過電離層垂直探測可獲取電離層物理特性參數隨日、季節、太陽活動、地理環境等變化的分布、變化規律。由于電離層是第幾和天基雷達的重要工作環境，這些特性參數將對雷達、通信、廣播、導