星載等離子體探測儀回波的模擬研究

肖 雄，姜春華，楊國斌，趙正予,2

（1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），深圳 518055）

引 言

等離子體空間環(huán)境是空間環(huán)境的重要組成部分，在太陽輻射的作用下，該區(qū)域存在大量能夠自由運動的電子和離子，其中，自由電子能夠影響無線電波的傳播特性?？臻g等離子體環(huán)境一般包括電離層、等離子體層和磁層。而等離子體層和磁層在電離層的上邊界，并向外延伸至磁層頂，是連接深空等離子體環(huán)境與地球空間環(huán)境的過渡地區(qū)，主要由完全電離的電子、離子組成，中性大氣成分非常少，帶電離子的運動完全受地磁場控制。由于等離子體空間環(huán)境中的自由電子會影響在其中傳播的無線電波的幅度和相位，在無線電深空探測和通信中，如果等離子體環(huán)境中存在電子密度的不規(guī)則體結(jié)構(gòu)，那么這些不規(guī)則體結(jié)構(gòu)將會嚴(yán)重影響深空探測和通信的性能。因此，空間等離子體環(huán)境的研究將為深空探測和通信工程的順利實施提供重要的參考依據(jù)[1-2]。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，空間等離子體環(huán)境的探測技術(shù)也逐漸發(fā)展起來，人類對于電離層的基本特征也有了豐富的認(rèn)識，特別是隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，能夠從電離層頂部對電離層進(jìn)行觀測研究。20世紀(jì)六七十年代，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發(fā)射衛(wèi)星“云雀1號”（Alouette-1）、“云雀2號”（Alouette-2）和ISIS-1、ISIS-2，搭載星載電離層頂部探測儀，用于探測頂部電離層。對于等離子體層和磁層觀測，主要依賴于衛(wèi)星的就位觀測或無源等離子體探測手段，如WAVES系統(tǒng)[3]、PWI （Plasma Waves Instrument）系統(tǒng)[4]、范阿倫探針（Van Allen Probe）[5]等。搭載在IMAGE（Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration）[6]衛(wèi)星上的RPI（Radio Plasma Imager）[7-8]是第一套主動發(fā)射電磁波探測等離子體層和磁層空間環(huán)境的星載探測系統(tǒng)。RPI是低功耗有源多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，探測頻率范圍為3 kHz～3 MHz，RPI向自由空間中各個方向發(fā)射雷達(dá)電磁波，然后通過一副x-y軸為300 m、z軸為20 m的三正交天線接收三路回波信號[9]，可以從回波幅度、相位、延遲時間、頻率、極化、多普勒頻移和回波方向的數(shù)據(jù)中獲得自由空間中反射點處等離子體的位置和特性。利用三根天線正交組成的深空天線組陣能更好地完成對深空等離子體的探測，更好地降低天線組陣的增益損失[10]。

隨著衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的增加，對等離子層的探索與模擬也愈發(fā)深入。Green等[11]通過對Angerami和Thomas[12]的擴(kuò)散平衡模型、Kimura[13]的電離層和等離子層模型、Aikyo和Ondoh[14]的等離子層頂模型和Roelof和Sibeck[15]的磁層頂模型進(jìn)行組合，構(gòu)造背景等離子體環(huán)境，進(jìn)一步完成射線追蹤模擬。Huang等[16]通過對IMAGE衛(wèi)星的實測回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到了一種基于實測數(shù)據(jù)的等離子體層經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

由于衛(wèi)星就位觀測模式對于研究等離子體環(huán)境的空間特征分布存在一定的缺陷，為進(jìn)一步研究等離子體層和磁層中等離子體的物理過程及其和底部電離層之間的耦合關(guān)系，需要提供更為豐富的等離子體結(jié)構(gòu)分布。星載等離子體探測儀可以獲取電波傳播路徑上的電子密度分布特征，進(jìn)一步豐富等離子體層和磁層的觀測數(shù)據(jù)。為了從等離子體回波圖中反演得到真實環(huán)境中的電子密度分布，首先需要對等離子體回波圖有一定基本了解，并對比電子密度不同結(jié)構(gòu)和等離子體回波圖之間的關(guān)系。

星載等離子體探測儀的觀測數(shù)據(jù)目前較少，主要結(jié)合等離子體層模型和射線追蹤方法來研究探測儀回波特征結(jié)構(gòu)。由于等離子體層的模型對于探測儀回波模擬有決定性作用，如果模型精度較差，則回波特征結(jié)構(gòu)也和實際探測存在較大誤差。因此本文采用較高精度的等離子體層模型來研究星載等離子體探測儀回波的結(jié)構(gòu)特征。首先利用全球尺度等離子體模型（Global Core Plasma Model，GCPM）構(gòu)造空間等離子體環(huán)境，然后利用基于冷等離子體的射線追蹤方法對無線電波在等離子體環(huán)境中的傳播進(jìn)行模擬，同時加入無線電波在自由空間中傳播的損耗，以此來仿真星載RPI的回波特征。同時，將RPI模擬回波和IMAGE衛(wèi)星的實測結(jié)果進(jìn)行了對比，初步結(jié)果表明，在中緯度地區(qū)和正北極區(qū)進(jìn)行模擬傳播時，群路徑和傳播損耗隨著工作頻率的增加而增加，整體趨勢呈現(xiàn)拋物線型，與IMAGE衛(wèi)星在極區(qū)地區(qū)探測的實測結(jié)果類似，這為后續(xù)從等離子體回波圖中反演電子密度的分布提供了理論依據(jù)。

1 GCPM模型

近年來，很多全球尺度的等離子體模型相繼被開發(fā)，如基于衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ虸MAGE/RPI[16]、全球等離子體模型（Global Plasmasphere Ionosphere Density，GPID）[17]、標(biāo)準(zhǔn)等離子體模型（Standard Plasmasphere Ionosphere Model, SIM）[18]，以及GCPM[19]。在這些模型中，GCPM模型提供的電子密度及其導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的，而這是等離子體中波傳播數(shù)值模擬的一個必需條件[20]。同時，GCPM模型是一個開源的模型，基于以上條件考慮，本文最終采用GCPM模型（v2.4）來模擬等離子體空間環(huán)境。GCPM模型由多個區(qū)域模型集合而成，包括電離層模型、等離子體層、磁層槽區(qū)和極蓋區(qū)等區(qū)域。該模型能夠根據(jù)地磁活動指數(shù)Kp和太陽輻射（F10.7）以及時間等信息輸出不同形態(tài)的等離子體環(huán)境圖像。GCPM模型作為一個全球尺度的等離子體模型，能夠根據(jù)不同的地磁環(huán)境合理地估計整個內(nèi)磁層的熱等離子體密度。該模型沒有明顯的外部邊界，在白天可以延伸到外磁層區(qū)域，而晚上主要在地磁場的磁力線范圍內(nèi)適用。圖1為2002年7月4日標(biāo)準(zhǔn)時間0點、3點、6點、9點4個不同時間段，Kp為1時的背景等離子體密度分布情況，可以看出圖示背景等離子體密度存在明顯不均勻分層，不同時刻的分布大致相同。圖2為2002年7月4日標(biāo)準(zhǔn)時間0點時刻赤道區(qū)和極區(qū)位置電子密度隨高度變化的剖面結(jié)構(gòu)。

圖1 2002年7月4日不同時間段背景等離子體密度分布Fig. 1 Distribution of background plasma density at different time periods on July 4th, 2002

圖2 2002年7月4日0點時極區(qū)和赤道地區(qū)電子密度剖面圖Fig. 2 Electron density profile at polar region and equatorial region at 0 UT on July 4th, 2002

2 基于冷等離子體的射線追蹤方法

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真條件

本文以2002年7月4日標(biāo)準(zhǔn)時間0點時刻的GCPM模型為背景等離子體環(huán)境進(jìn)行電波傳播的模擬。在模擬過程中，考慮兩個不同地區(qū)即極區(qū)上空和中緯度地區(qū)上空的等離子體環(huán)境進(jìn)行模擬。在圖3中，發(fā)射仰角0°對應(yīng)于x軸正方向，按逆時針方向增大，顏色深淺代表著射線發(fā)射仰角的大小，顏色由淺至深代表著發(fā)射仰角從小到大的變化。在極區(qū)上空的模擬中，設(shè)置衛(wèi)星發(fā)射點位置為（3RE，8RE），射線群路徑的步進(jìn)為0.01RE，當(dāng)返回的射線距離發(fā)射點位置小于0.1RE時，則判斷該射線能夠被衛(wèi)星接收到。設(shè)置工作頻率分別為0.1 MHz和1 MHz，射線的發(fā)射仰角以0.05°的步進(jìn)從225°向245°變化，極區(qū)的射線傳播路徑圖分別對應(yīng)于圖3（a）（0.1 MHz）和圖3（b）（1 MHz）。從圖3（a）和圖3（b）中可知，由于極區(qū)部分存在等離子體密度的蝴蝶扇區(qū)分布，使得部分射線能返回到衛(wèi)星的位置，而不是全部在極區(qū)上空反射遠(yuǎn)離發(fā)射點。圖3（c）和圖3（d）所示是在中緯度地區(qū)上空的位置，衛(wèi)星發(fā)射點位置為（7.3RE，3.7RE），射線群路徑的步進(jìn)為0.01RE，同理，設(shè)置工作頻率分別為0.1 MHz和1 MHz，射線的發(fā)射仰角以0.05°的間隔從210°向230°變化，中緯度地區(qū)射線傳播路徑圖分別對應(yīng)于圖3（c）（0.1 MHz）和圖3（d）（1 MHz）。

圖3 處于不同發(fā)射起點的工作頻率分別為0.1 MHz和1 MHz的射線0點時刻在GCPM中傳播的尋常波的路徑圖Fig. 3 Path diagram of ordinary waves propagating in GCPM at 0 o'clock time of rays with working frequencies of 0.1 MHz and 1 MHz at different emission starting points respectively

為了獲取RPI的等離子體回波圖，本文將工作頻率的起始頻率設(shè)置為50 kHz，終止頻率設(shè)置為1MHz，頻率間隔為1 kHz，其它參數(shù)保持不變，群路徑則由式（15）計算得到[24]， τ0表示起始射線和衛(wèi)星的距離， τr表示射線反射點距離衛(wèi)星的距離，在本文中τ0為0

圖4所示為在極區(qū)上空等離子體回波圖的模擬結(jié)果，從圖4中可知，在極區(qū)和在中緯度地區(qū)的回波圖存在較大的差異，不再是一段平滑的拋物線?？梢悦黠@看出在部分頻率范圍內(nèi)，群路徑隨工作頻率的增長反而會減小。這是因為在極區(qū)地區(qū)，電子密度的分布會更加復(fù)雜，在極區(qū)上空存在著電子密度的凹槽。從圖3（a）、圖3（b）所示的射線傳播路徑圖可以看出，群路徑的變化即可以看作是射線反射點的變化，工作頻率從0.1 MHz到0.3 MHz增長時，射線的反射點逐漸靠攏，對應(yīng)著群路徑也隨之增大，但是由于極區(qū)地區(qū)電子密度分布復(fù)雜，存在電子密度凹槽區(qū)，所以反射點的位置也會隨電子密度的變化而變化，表現(xiàn)出來的便是在0.3 MHz到0.65 MHz的頻率區(qū)間內(nèi)有隨工作頻率的增加，群路徑反而減小的趨勢，群路徑在0.65 MHz以后繼續(xù)隨工作頻率的增加而增大。圖4所示為在中緯度地區(qū)上空模擬的結(jié)果，隨著工作頻率的增加，群路徑和能量損耗也會隨之增加。電波反射點越靠近，電子密度隨空間的變化越小，所以群路徑在工作頻率達(dá)到0.8 MHz時趨于平穩(wěn)狀態(tài)。由于在中緯度地區(qū)的上空，電子密度隨空間變化比較平穩(wěn)，因此等離子體回波圖是一段較為平滑的拋物線，如圖5所示。通過中緯度地區(qū)和極區(qū)上空等離子體回波圖的模擬，發(fā)現(xiàn)等離子體回波圖能夠很好地反映等離子環(huán)境中電子密度的分布特征，可以通過反演等離子體回波圖來獲取真實環(huán)境中電子密度隨空間的分布結(jié)構(gòu)特征。

圖4 0點時刻極區(qū)上空的等離子體回波圖的模擬結(jié)果Fig. 4 Simulation results of plasma echo patterns at polar regions at 0 UT

圖5 0點時刻中緯度上空的等離子體回波圖的模擬結(jié)果Fig. 5 Simulation results of plasma echo patterns at mid-latitude region regions at 0 UT

3.2 與在軌實測數(shù)據(jù)的對比研究

圖6所示為IMAGE衛(wèi)星RPI在軌實測回波圖[25]，衛(wèi)星處于北極上空，頻率范圍為50～300 kHz，橫坐標(biāo)代表頻率變化，右側(cè)縱坐標(biāo)代表回波的群路徑，顏色強(qiáng)度則是代表了相對幅度的大小。圖7所示是處于相同位置的等離子體回波圖的模擬結(jié)果，衛(wèi)星發(fā)射點位置為(0,3.5RE)，頻率為0.05～1 MHz。從圖6可知，在自由空間中傳播時，隨著工作頻率的增加，相對幅度越來越小，意味著回波損耗越來越大，該在軌實測等離子體回波圖在50～300 kHz的頻率范圍內(nèi)也是一段較為平滑的拋物線結(jié)構(gòu)。在軌實測圖中，頻率為0.05MHz時對應(yīng)的群路徑約為0.8RE；頻率為0.3 MHz時，群路徑約為2.3RE。而在模擬結(jié)果圖7中可以看出，頻率為0.05 MHz時，計算出的群路徑約為0.77RE；頻率為0.3 MHz時，群路徑約為2.0RE。在軌實測圖的群路徑變化趨勢、變化范圍以及回波損耗等特征都與圖7的模擬結(jié)果類似。在軌實測圖存在等離子體共振回波，而本文的模擬結(jié)果沒有考慮共振回波。

圖6 IMAGE衛(wèi)星RPI實測回波圖[25]Fig. 6 RPI measured echo map by IMAGE satellite[25]

圖7 距離北極上空3.5RE處等離子體回波圖模擬結(jié)果Fig. 7 Simulation results of plasma echo pattern at 3.5RE above the North Pole

4 結(jié) 論

本文利用等離子體模型GCPM模型（v2.4）作為背景模擬等離子體空間環(huán)境，然后通過射線追蹤方法對無線電波在等離子體環(huán)境中的傳播進(jìn)行模擬，同時加入無線電波在自由空間傳播的損耗，來仿真星載等離子體探測儀RPI的回波圖。本文初步給出了不同地區(qū)（極區(qū)和中緯度地區(qū)）上空等離子體回波圖的結(jié)構(gòu)特征。從模擬仿真結(jié)果看，中緯度地區(qū)和正北極上空等離子體回波圖的結(jié)構(gòu)特征都和實測結(jié)果的回波類似，而從極區(qū)右上空接收的等離子體回波圖則更為復(fù)雜，這是由于極區(qū)的電子密度分布更為復(fù)雜。模擬結(jié)果說明等離子體回波圖能夠很好地反映等離子體環(huán)境中電子密度在空間中的分布結(jié)構(gòu)。根據(jù)本文的工作基礎(chǔ)，后續(xù)將研究如何從等離子體回波圖中反演得到電子密度隨空間的分布，進(jìn)一步為未來深空探測任務(wù)和通信工程的順利實施提供參考。