單站測量電離層不均勻體水平尺度方法研究

宋 磊 苗建蘇 李清亮

（中國電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

電離層不均勻體對天地?zé)o線通信鏈路以及超視距高頻／甚高頻（High Frequency／Very High Frequency，HF／VHF）散射通信鏈路有重要的影響.另外從電離層不均勻體的形成機(jī)理來看：電離層行擾、大氣湍流、極光離子沉降、流星余跡等空間天氣活動能夠引發(fā)不同尺度的電離層不均勻體，電波加熱、空間飛行器的動力擾動及其釋放物也會引發(fā)電離層不均勻體.因此探測電離層不均勻體的尺度對空間電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間天氣活動規(guī)律研究以及人工改變電離層后的效應(yīng)診斷具有重要意義.

目前已經(jīng)用VHF非相干散射雷達(dá)［1，3-4］、HF相干散射雷達(dá)、天基探測衛(wèi)星［2］等手段對電離層不均勻體尺度及其活動規(guī)律成功進(jìn)行探測.但是上述探測手段存在探測系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備規(guī)模龐大等弊端，限制了其靈活應(yīng)用.本文提出將多普勒處理引入到垂測儀的回波信號處理中，利用簡單接收天線陣，可以實(shí)現(xiàn)單臺電離層垂直探測儀（簡稱垂測儀，下同）對電離層不均勻體的水平尺度進(jìn)行測量.

1 電離層不均勻體垂直反射物理模型

垂測儀向上發(fā)射高頻電磁波脈沖.由于發(fā)射天線具有一定的波束寬度，發(fā)射脈沖會“照亮”一大塊區(qū)域的電離層等離子體（通常直徑有幾百千米，與發(fā)射天線的波束寬度以及等離子體的高度有關(guān)）.當(dāng)入射電磁波頻率達(dá)到電離層各個反射平面的截止頻率時就會在等離子體密度等值面的各點(diǎn)發(fā)生反射.由于電離層不均勻體等離子體密度等值面起伏不平，可將其分成多個“小反射面”［6-7］，當(dāng)反射面正對地面接收點(diǎn)時，其回波就能被地面接收系統(tǒng)接收，該反射平面可以看作反射信號的一個“源”，本文稱之為反射源（下同）.圖1為電離層不均勻體電子密度等值面的垂直剖面及其垂直反射示意圖.

圖1 電離層不均勻體垂直反射物理模型

電離層不均勻體存在漂移，因此，其反射回波具有多普勒頻偏.由于各反射源的空間位置不同導(dǎo)致其徑向運(yùn)動速度不同.垂測儀用多元天線陣接收回波信號，任意一個天線陣元接收到的信號可以表示為

式中：s為反射源個數(shù)；Δωs為每個反射源回波多普勒頻偏；φas為反射源回波到達(dá)第a個接收陣元的波前相位.該相位信息是確定反射源空間位置的關(guān)鍵物理量.只要確定每個反射源的空間位置就能夠得出整個電離層不均勻體的水平尺度.因此獲取各個反射源回波到達(dá)接收陣元的波前相位信息是測量電離層不均勻體水平尺度的關(guān)鍵.

2 回波信號多普勒處理

由式（1）可知垂測儀接收到的信號是多個反射源回波在時域的疊加.通過時域處理無法區(qū)分不同反射源的回波，無法得到相應(yīng)波前相位φas.參考脈沖多普勒雷達(dá)的回波信號處理辦法［9］，將每個反射源看成一個運(yùn)動目標(biāo)，可以提取對應(yīng)每個反射源回波的多普勒幅度譜和相位譜.由于每個反射源的徑向運(yùn)動速度不同，其對應(yīng)的多普勒頻率也不同，因此可以在頻率域區(qū)分各個反射源回波.垂測儀對應(yīng)于同一探測頻率重復(fù)發(fā)射N個脈沖，在地面接收點(diǎn)各陣元同時接收所有反射源回波.將被測高度范圍分成多個步進(jìn)的高度（虛高）窗口，取遍所有N個脈沖對應(yīng)于同一高度窗口的復(fù)采樣值組成N點(diǎn)新序列（見式（2）），對新序列作離散傅里葉變換（見式（3）），就得到了某一高度窗口回波以載波頻率為中心的多普勒譜線.

式中：r（n）是多個脈沖同一虛高所對應(yīng)的回波采樣值所組成的新序列；T為發(fā)射脈沖間隔；N為同一頻率的探測脈沖個數(shù).

圖2給出了三個接收陣元接收到回波信號的多普勒頻譜結(jié)構(gòu).左側(cè)是幅度譜，由多條多普勒譜線構(gòu)成，如果某一譜線幅度超過設(shè)定門限值則表示該譜線對應(yīng)的多普勒頻率是某一個反射源回波的多普勒頻偏.右側(cè)是相位譜，為反射源回波到達(dá)三個陣元的波前相位值.由于各個陣元空間位置不同，導(dǎo)致接收到同一反射源回波的多普勒幅度譜一致但相位譜存在差異，這也是第3節(jié)利用干涉儀原理進(jìn)行回波來波方位判定的前提.同一塊電離層不均勻體由多個徑向運(yùn)動速度不同的反射源構(gòu)成，則能夠在多條多普勒譜線上檢測到信號，從而利用多普勒處理在頻率域區(qū)分各個反射源回波.

圖2 反射源回波多普勒幅度相位譜結(jié)構(gòu)

3 電離層不均勻體水平尺度的確定

通過第2節(jié)多普勒處理得到各個反射源回波到達(dá)每個接收陣元的波前相位信息，利用相位干涉儀測向原理可以得到各個反射源回波的來波方向（Direction of Arrilal，DOA），結(jié)合高度信息就能夠得到反射源的空間分布情況進(jìn)而得到整個電離層不均勻體的水平尺度.

圖3所示垂測儀通過接收天線陣的三個陣元來確定反射源回波的DOA.設(shè)回波頻率為f，波矢量為K，波矢量在x、y、z三個方向上的投影分別為Kx、Ky、Kz，反射源回波方位角φ、天頂角θ和波矢量K長度分別定義為：

圖3 相位干涉儀原理測反射源回波DOA

式中：c為光速；f為回波信號頻率.設(shè)三個天線陣元在直角坐標(biāo)系中的位置分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），回波到達(dá)三個天線陣元的相位差分別為：

令陣元1的位置位于坐標(biāo)原點(diǎn)可得

式中，Δφ21、Δφ31為測量值，由于天線各陣元的位置已知，聯(lián)合式（4）～（10）便可以解算出每個反射源回波方位角φ和天頂角θ.實(shí)際應(yīng)用中可以將接收天線陣配置成等邊三角形或直角等腰三角形來簡化計(jì)算過程.

圖4給出了電離層不均勻體反射源到電離層垂直探測點(diǎn)間的水平距離D、電離層不均勻體距地面垂直高度Hv、反射源回波DOA信息之間的幾何關(guān)系.其中Hv為垂測儀在該頻率上測得的電離層不均勻體高度.θ為分布在某一固定方位角上反射源所對應(yīng)的天頂角.根據(jù)式（11）可以計(jì)算出所有反射源距垂測儀間的水平距離.進(jìn)而得到整個電離層不均勻體的水平尺度及其空間分布情況.

圖4 電離層不均勻體空間分布幾何關(guān)系

4 觀測結(jié)果

圖5、圖6、圖7為利用美國Lowell大學(xué)全球電離層垂測儀測量數(shù)據(jù)庫，依據(jù)本文所述的處理方法得到的三個臺站典型的電離層不均勻體位于其所在高度天頂平面的分布圖.每張圖的中心對應(yīng)垂測儀在天頂平面上的投影，各個同心圓環(huán)代表不同的天頂角，越靠近圓心表示天頂角越小.通過電離層不均勻體在天頂平面的分布圖可以直觀地得到電離層不均勻體的水平分布情況，根據(jù)式（11）結(jié)合高度信息和天頂角信息可以快速計(jì)算出電離層不均勻體在不同方位角上的水平尺度值.

圖5為利用美國Millstone Hill電離層觀測臺站于2007年3月29日2∶11∶00UT的觀測數(shù)據(jù)在392.5km高度上處理得到的電離層不均勻體分布情況，可見該不均勻體呈東北西南向狹長分布，長度大約為368km，寬度大約為50km.

圖5 電離層不均勻體空間分布1

圖6為利用秘魯Jicamarca電離層觀測臺站于2004年10月7日2∶47∶16UT觀測數(shù)據(jù)在270 km高度上得到的電離層不均勻體水平分布圖，可見該不均勻體呈東西向狹長分布，長度約為314 km，寬度約為30km.

圖6 電離層不均勻體空間分布2

圖7為利用加拿大Gakona電離層觀測臺站于2006年10月29日2∶21∶21UT的觀測數(shù)據(jù)在285km高度上處理得到的電離層不均勻體分布情況，可見該不均勻體呈近似圓形分布，直徑大約為126km.

圖8為利用秘魯Jicamarca電離層觀測臺站于2002年11月30日2∶48∶42UT到2002年11月30日4∶53∶42UT連續(xù)觀測數(shù)據(jù)在300km高度上處理得到的電離層不均勻體分布變化情況，時間間隔為5min.可見利用本文所述處理方法經(jīng)過連續(xù)觀測可以跟蹤同一電離層不均勻體的空間分布變化情況及其運(yùn)動趨勢.

圖7 電離層不均勻體空間分布3

圖8 電離層不均勻體分布隨時間變化

5 結(jié) 論

本文將多普勒處理和相位干涉儀測向原理引入到垂測儀回波信號處理中，理論推導(dǎo)了單站單臺垂測儀測量電離層不均勻體水平尺度的基本方法.并利用本文方法對實(shí)地觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理成功得到了電離層不均勻體的分布圖，初步證明了本文所述方法的合理性.下一步將開展多種手段聯(lián)合觀測試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證本文所述方法的準(zhǔn)確性.

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