CN111257867B - 基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电离层探测技术领域，具体涉及了一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，旨在解决现有技术无法在不同条件下精确探测电离层状态的问题。本发明包括：输入模块获取电离层初始非相干散射理论谱；模型选择指令模块生成模型选择指令；非相干散射理论谱模块预先构建非相干散射理论谱模型，在不同条件下进行模型求解获得各非相干散射理论谱子模型以及基于电离层初始非相干散射理论谱与模型选择指令，通过相应子模型获取电离层雷达回波功率谱；输出模块基于电离层雷达回波功率谱提取电离层状态、运动、结构、扰动信息并输出。本发明不同电离层条件对应不同子模型，可精确、快速探测不同条件下的电离层信息。
Description
技术领域
本发明属于电离层探测技术领域，具体涉及了一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统。
背景技术
电离层是高度范围大约在60～100km之间的地球大气区域，由于其中带有大量的自由电子，相当于一个等离子导体，电磁信号在其中传播时会产生相互作用。当信号频率在某个特定频率之下时，会在电离层处被反射；当信号频率在这个特定频率之上时，信号将穿过电离层，同时会受到电离层折射，从而改变传播方向，信号频率越高，传播路径因电离层折射而弯曲程度越小。因此，任何依赖无线电波传送信号进行工作的电子系统，当其信号穿越电离层或在其下部反射传播时，都会受到电离层环境变化的影响。通信系统中与电离层关系最密切的是短波通信。远距离短波通信是靠电离层对短波信号的反射来实现的，最高和最低可用频率取决于电离层电子密度的分布。因而频率预报取决于通信链路上电离层电子密度的预报。电离层的快速变化能导致短波通信信道衰落，强衰落能致通信中断。因此为了保障短波通信的质量，准确获得电离层整个剖面(100-1000km)各参量信息，如电子密度、温度、漂移速度等信息至关重要。例如民航气象中心依据电离层三维电子密度，生成任意航线上短波通信的最优频率；还可利用大气和电离层漂移速度，分析航天发射收到剪切风影响程度，提供安全发射窗口参考。
在所有的电离层探测手段中，地基非相干散射雷达是迄今为止最为强大的探测手段，可获取电离层整个高度剖面的电子密度、电子温度、离子温度、等离子体漂移速度等多种参量。非相干散射雷达的测量原理为：雷达向电离层发射电波，接收电离层电子散射的回波信号，电离层中的电子与离子的温度、离子的成分、等离子体漂移速度、电子密度等都可影响雷达散射信号的功率谱。通过实测的雷达散射信号的功率谱信号与理论计算的功率谱信号进行非线性拟合从而可以得到电子与离子的温度、离子的成分、等离子体漂移速度、电子密度信息。为准确获取参量需要：(1)在误差允许范围内确定测量功率谱；(2)使用电离层特征参量准确描述电离层散射的理论谱。因此理论谱模型的准确与否直接影响反演参量的精度。
总的来说，现有电离层等离子体非相干散射理论谱模型获取电离层各参量信息的精度尚达不到预期，急需一种精确的非相干散射理论谱模型构建与计算方法，在多种不同条件下实现电离层各参量信息的更为快速、高精度的获取。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术在不同条件下获取电离层各参量信息的精度达不到预期，从而无法精确探测电离层状态的问题，本发明提供了一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，该电离层探测系统包括输入模块、模型选择模块、非相干散射理论谱模块、输出模块；
所述输入模块用于获取电离层初始非相干散射理论谱并输入至所述模型选择模块、非相干散射理论谱模块；
所述模型选择模块基于电离层初始非相干散射理论谱所处条件生成对应的子模型选择指令，并将所述子模型选择指令发送至所述非相干散射理论谱模块；
所述非相干散射理论谱模块预先构建非相干散射理论谱模型，并通过各设定条件下电离层电子或离子的Gordeyev积分对模型求解，获得各条件下非相干散射理论谱子模型；基于所述电离层初始非相干散射理论谱，通过所述子模型选择指令对应的非相干散射理论谱子模型获取电离层雷达回波功率谱；
所述输出模块基于所述电离层雷达回波功率谱提取电离层状态、运动、结构、扰动信息并输出。
在一些优选的实施例中，“预先构建非相干散射理论谱模型”，其方法为：
其中，
代表平衡条件下等离子体中的电子密度波动谱；
代表归一化单个自由电子或离子的散射谱，s∈[e，i]，e代表电子，i代表离子；σi代表等离子体离子的广义电导率，σe代表等离子体电子的广义电导率，ω代表雷达发射频率，∈0代表真空中介电常数。
在一些优选的实施例中，所述电导率σ为：
其中，k＝ω/c代表雷达入射波波矢，c代表光速；
为等离子体德拜半径，s代表电子或离子，K为波尔兹曼常数，Ts为等离子体温度；J代表热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分；ω代表雷达发射频率，∈0代表真空中介电常数。
在一些优选的实施例中，所述归一化单个自由电子或离子的散射谱为：
其中，N0代表等离子体密度；Js(ωs)代表热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分，s∈[e，i]，e代表电子，i代表离子；Re代表取实部。
在一些优选的实施例中，所述热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分为：
其中，
是相应电子或离子在忽略集体相互作用情况下，在τ时间段内位移
的特征函数，
为归一化无量纲参量；
代表雷达坐标系下的各个散射粒子相对于雷达发射频率以及粒子整体平均运动速度的多普勒频率，
代表雷达发射频率，K为波尔兹曼常数，T为等离子体温度，m代表粒子质量，θ代表热速度归一化的多普勒频率，
代表电子或离子的整体速度，k＝ω/c，代表雷达入射波波矢，c代表光速。
在一些优选的实施例中，所述电离层电子或离子的Gordeyev积分，其各设定条件包括无碰撞情况的两种条件与有碰撞情况的四种条件：
所述无碰撞情况的两种条件为：
第一无碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞，其对应的Gordeyev积分为：
其中，
代表，t代表归一化无量纲参量；
第二无碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞，其对应的Gordeyev积分为：
其中，α为雷达入射波和磁场的夹角，
为无量纲回旋频率；
所述有碰撞情况的四种条件为：
第一有碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞；
第二有碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞；
第三有碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞；
第四有碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞。
在一些优选的实施例中，在所述有碰撞情况的四种条件下进行相应的Gordeyev积分之前，还需要进行积分公式转换，其方法为：
其中，v代表粒子相互作用，ω代表雷达发射频率，t代表归一化无量纲参量，f(t)为预设变换函数。
在一些优选的实施例中，在所述有碰撞情况的四种条件下，所述预设变换函数分别为：
第一有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，ψ为带电粒子与中性粒子无量纲碰撞频率；
第二有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，ψc为带电粒子无量纲库伦碰撞频率；
第三有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，γ＝arctan(ψc⊥/ψc||)，ψc||、ψc⊥分别为带电粒子无量纲库伦碰撞频率ψc平行于磁场的分量、垂直于磁场的分量；
第四有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，ψ为带电粒子与中性粒子无量纲碰撞频率；γ＝arctan(ψc⊥/ψc||)，ψc||、ψc⊥分别为带电粒子无量纲库伦碰撞频率ψc平行于磁场的分量、垂直于磁场的分量。
在一些优选的实施例中，所述粒子碰撞频率，包括：
电子-电子：
电子-离子：
离子-离子：
非共振离子-中性粒子：vin＝Cinnn
其中，ne为电子密度，Te为电子温度，ni为离子密度，Zi为离子电荷数，Bst为离子-离子碰撞系数，Tt为离子温度，Cin为离子-中性碰撞系数，nn为中性密度。
本发明的另一方面，提出了一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法，该电离层探测方法包括：
步骤S10，获取电离层初始非相干散射理论谱作为待处理信息；
步骤S20，基于所述待处理信息，判断其所处条件，并生成对应的子模型选择指令；
步骤S30，基于所述模型选择指令，选择相应的非相干散射理论谱子模型；
步骤S40，基于所述电离层初始非相干散射理论谱，通过其相应的非相干散射理论谱子模型，获取电离层雷达回波功率谱；
步骤S50，基于所述电离层雷达回波功率谱，获取电离层状态、运动、结构、扰动信息。
本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法。
本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，构建的非相干散射理论谱模型，结构简单、物理意义清晰，模型还引入地磁场模型，考虑雷达入射波与地磁场磁力线夹角对理论谱的影响，在多种条件下完成非相干散射谱模型求解，改变了以往的等离子体碰撞项求解不区分带电和不带电的情况，在不同条件下获取电离层各参量信息的精度高、速度快，可精确探测电离层电子密度、电子温度、离子温度和漂移速度。
(2)本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其碰撞项求解方案，引入了IRI和MSIS模式求解，而非人为经验给定，模型求解更加全面和精确。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统的框架示意图；
图2是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同雷达频率的非相干散射理论谱；
图3是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同离子温度的非相干散射理论谱；
图4是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同离子成分的非相干散射理论谱；
图5是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同离子漂移速度的非相干散射理论谱；
图6是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同碰撞频率的非相干散射理论谱；
图7是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同雷达入射波与磁场夹角的非相干散射理论谱；
图8是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的考虑磁场可以得到离子线和等离子体线之间的Gyro Line等离子体线PL随着角度增大发生分裂的示意图；
图9是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的理论谱计算的GUI界面示意图；
图10是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的AMISR观测数据与理论计算的功率谱对比图；
图11是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的反演参数值与IRI模式值对比图；
图12是本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的电离层探测方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，该电离层探测系统包括输入模块、模型选择模块、非相干散射理论谱模块、输出模块；
所述输入模块用于获取电离层初始非相干散射理论谱并输入至所述模型选择模块、非相干散射理论谱模块；
所述模型选择模块基于电离层初始非相干散射理论谱所处条件生成对应的子模型选择指令，并将所述子模型选择指令发送至所述非相干散射理论谱模块；
所述非相干散射理论谱模块预先构建非相干散射理论谱模型，并通过各设定条件下电离层电子或离子的Gordeyev积分对模型求解，获得各条件下非相干散射理论谱子模型；基于所述电离层初始非相干散射理论谱，通过所述子模型选择指令对应的非相干散射理论谱子模型获取电离层雷达回波功率谱；
所述输出模块基于所述电离层雷达回波功率谱提取电离层状态、运动、结构、扰动信息并输出。
为了更清晰地对本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统进行说明，下面结合图1对本发明方施例中各模块展开详述。
本发明一种实施例的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，包括输入模块、模型选择模块、非相干散射理论谱模块、输出模块，各模块详细描述如下：
输入模块用于获取电离层初始非相干散射理论谱并输入至所述模型选择模块、非相干散射理论谱模块。
本发明针对以往非相干散射理论计算未考虑磁场影响的不足，提出的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，可计算不同雷达频率、不同离子温度、不同离子/电子温度比、多种离子成分、多种离子漂移速度，多种离子-中性碰撞频率下的理论谱。还可计算不同雷达入射波束与磁场夹角下的理论谱，包括离子谱线和等离子体谱线。
如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，分别为本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的不同雷达频率、不同离子温度、不同离子成分、不同离子漂移速度、不同碰撞频率、不同雷达入射波与磁场夹角的非相干散射理论谱：在雷达频率不断变高的情况下，非相干散射理论谱的幅值逐渐变小、谱线变宽，并且其双峰逐渐向单峰转换；在离子温度不断变高的情况下，非相干散射理论谱的幅值逐渐变小、谱线变宽；在O离子成分不断变高、同时H离子成分不断变低的情况下，非相干散射理论谱的幅值逐渐变大、谱线变窄；离子正向或反向漂移速度越大，谱线越偏离中心、谱线也越不对称；碰撞频率由1000s-1变大到40000s-1时，谱线由双峰变为单峰；当谱线夹角大于85度时，双峰结构明显变为单峰结构，并且随着角度越来越大，单峰变为钉状。
该系统及方法在我国海南三亚地区电离层非相干散射雷达探测和参量反演中具有重要应用。利用该算法可准确提取低纬电离层100-1000km的电子密度、电子温度、离子温度、离子漂移速度、低高度碰撞频率、不同离子成分的信息，从而对三亚及周边电离层的状态与运动、结构与扰动等进行实时监测，利于开展大气层/电离层耦合、低纬电离层/磁层耦合等重大科学问题研究，对完善认识电离层及地球空间系统的整体行为具有重要意义。同时实现对我国三亚低纬空间环境的预警与空间天气预报，用于我国北斗系统等卫星定位导航的电波传播修正，提高相关应用的服务精度与质量，实现对中国南部特别是南海远距离高频通信的选频和通信质量评估，服务于众多的军民用户。
模型选择模块基于电离层初始非相干散射理论谱所处条件生成对应的子模型选择指令，并将子模型选择指令发送至非相干散射理论谱模块。
电离层等离子体对电磁波的非相干散射，是指由于离子和电子随机热运动而导致的等离子体密度微小涨落所引起的电磁波散射，根据非相干散射理论，对平衡态下考虑碰撞和不碰撞的磁化等离子体非相干散射谱进行建模，并且对其单一成分以及多成分都进行模拟，分析随着高度的增加各种成分离子对功率谱的影响。
电离层电子或离子的Gordeyev积分在不同条件下有不同的表现形式，从而模型求解结果为对应于各设定条件的非相干散射理论谱子模型。通过对获取的电离层条件的解析，获取其条件对应的子模型，并通过子模型获取电离层雷达回波功率谱，从而实现不同条件下电离层探测。
如图8所示，为本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的考虑磁场可以得到离子线和等离子体线之间的Gyro Line等离子体线PL随着角度增大发生分裂的示意图，与理论预期符合。
如图9所示，为本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的理论谱计算的GUI界面示意图，左侧为离子参数、电子参数、雷达参数、磁场参数、散射谱频率、漂移参数输入界面，右侧为根据各参数计算获取的谱线示意图。
如图10所示，为本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的AMISR观测数据与理论计算的功率谱对比图，观测数据存在各种噪声，功率谱存在很多振荡，而计算的功率谱为观测数据线中平滑的曲线，从左到右、从上到下，依次为电离层高度80km、150km、220km、290km、430km、500km、570km、640km的观测数据与计算的功率谱对比图。
如图11所示，为本发明基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统一种实施例的反演参数值与IRI模式值对比图，第一行代表电子密度，第二行代表电子温度，第三行代表离子温度，左边是反演参数值，右边是国际电离层参考模式IRI模式值，可以看出，观测和模式形态非常吻合。
非相干散射理论谱模块预先构建非相干散射理论谱模型，并通过各设定条件下电离层电子或离子的Gordeyev积分对模型求解，获得各条件下非相干散射理论谱子模型；基于电离层初始非相干散射理论谱，通过子模型选择指令对应的非相干散射理论谱子模型获取电离层雷达回波功率谱。
预先构建非相干散射理论谱模型，如式(1)所示：
其中，
代表平衡条件下等离子体中的电子密度波动谱；
代表归一化单个自由电子或离子的散射谱，s∈[e，i]，e代表电子，i代表离子；σi代表等离子体离子的广义电导率，σe代表等离子体电子的广义电导率，ω代表雷达发射频率，∈0代表真空中介电常数。
电导率σ，其计算分为实部和虚部的计算，如式(2)所示：
σ＝σR+jσI 式(2)
其中，为电导率的实部，为电导率的虚部。
实部的计算过程如式(3)所示：
虚部的计算过程需借用希尔伯特变换，如式(4)所示：
其中，JR和JI分别为Gordeyev积分Js(ω)的实部和虚部；k为雷达入射波波矢；
为等离子体德拜半径，s代表电子或离子，与等离子体的温度Ts和密度N0有关；K为波尔兹曼常数；∈0为真空中介电常数。
将实部与虚部代入电导率计算公式，并进行公式变换，最终电导率如式(5)所示：
其中，k＝ω/c，代表雷达入射波波矢；
为等离子体德拜半径，s代表电子或离子，K为波尔兹曼常数，Ts为等离子体温度；J代表热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分；ω代表雷达发射频率，∈0代表真空中介电常数。
归一化单个自由电子或离子的散射谱，如式(6)所示：
其中，N0代表等离子体密度；Js(ωs)代表热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分，s∈[e，i]，e代表电子，i代表离子；Re代表取实部。
热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分，如式(7)所示：
其中，
是相应电子或离子在忽略集体相互作用情况下，在τ时间段内位移
的特征函数，
为归一化无量纲参量；
代表雷达坐标系下的各个散射粒子相对于雷达发射频率以及粒子整体平均运动速度的多普勒频率，
代表雷达发射频率，K为波尔兹曼常数，T为等离子体温度，m代表粒子质量，θ代表热速度归一化的多普勒频率，
代表电子或离子的整体速度，k＝ω/c，代表雷达入射波波矢，c代表光速。
电离层电子或离子的Gordeyev积分，在不同条件下有不同的表现形式：
电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞时，其表现形式如式(8)所示：
其中，
代表热速度归一化的多普勒频率，t代表归一化无量纲参量。
电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞时，其表现形式如式(9)所示：
其中，α为雷达入射波和磁场的夹角，
为无量纲回旋频率。
在考虑碰撞时，Gordeyev积分需要先进行积分公式转换，如式(10)、式(11)所示：
其中，v代表粒子碰撞频率，ω代表雷达发射频率，t代表归一化无量纲参量，f(t)为预设变换函数。
电离层无磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞时，其相应的Gordeyev积分中预设变换函数如式(12)所示：
其中，ψ为带电粒子与中性粒子无量纲碰撞频率。
电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞时，其相应的Gordeyev积分中预设变换函数如式(13)所示：
其中，ψc为带电粒子无量纲库伦碰撞频率。
电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞时，其相应的Gordeyev积分中预设变换函数如式(14)所示：
其中，γ＝arctan(ψc⊥/ψc||)，ψc||、ψc⊥分别为带电粒子无量纲库伦碰撞频率ψc平行于磁场的分量、垂直于磁场的分量。
电离层有磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞时，其相应的Gordeyev积分中预设变换函数如式(15)所示：
其中，ψ为带电粒子与中性粒子无量纲碰撞频率；γ＝arctan(ψc⊥/ψc||)，ψc||、ψc⊥分别为带电粒子无量纲库伦碰撞频率ψc平行于磁场的分量、垂直于磁场的分量。
在Gordeyev积分转换时，考虑的粒子碰撞包括：
如式(16)所示的电子-电子之间，式(17)所示的电子-离子之间，式(18)所示的离子-离子之间，式(19)所示的非共振离子-中性粒子之间：
vin＝Cinnn 式(19)
其中，ne为电子密度，Te为电子温度，ni为离子密度，Zi为离子电荷数，Bst为离子-离子碰撞系数，Tt为离子温度，Cin为离子-中性碰撞系数，nn为中性密度。
如此，Gordeyev积分转换为Sommerfeld型积分，通过Erf函数数值求解积分，如式(20)所示：
其中，a为积分下限；b为积分上限；g(t)＝sinh，为双曲正弦函数，g′(t)为是g(t)对t的一阶导数；
代表误差函数。
该积分可以离散为式(20)所示：
其中，
代表n处的求和系数；
表示最佳网格间距；N表示截断位置，n为求和过程中的遍历量。
输出模块基于电离层雷达回波功率谱提取电离层状态、运动、结构、扰动信息并输出。
本发明第二实施例的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法，如图12所示，该电离层探测方法包括：
步骤S10，获取电离层初始非相干散射理论谱作为待处理信息；
步骤S20，基于所述待处理信息，判断其所处条件，并生成对应的子模型选择指令；
步骤S30，基于所述子模型选择指令，选择相应的非相干散射理论谱子模型；
步骤S40，基于所述电离层初始非相干散射理论谱，通过其相应的非相干散射理论谱子模型，获取电离层雷达回波功率谱；
步骤S50，基于所述电离层雷达回波功率谱，获取电离层状态、运动、结构、扰动信息。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块或者步骤可以合并为一个模块或一个步骤，也可以进一步拆分成多个子模块或子步骤，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法。
本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，该电离层探测系统包括输入模块、模型选择模块、非相干散射理论谱模块、输出模块；
所述输入模块用于获取电离层初始非相干散射理论谱并输入至所述模型选择模块、非相干散射理论谱模块；
所述模型选择模块基于电离层初始非相干散射理论谱所处条件生成对应的子模型选择指令，并将所述子模型选择指令发送至所述非相干散射理论谱模块；
所述非相干散射理论谱模块预先构建非相干散射理论谱模型，并通过各设定条件下电离层电子或离子的Gordeyev积分对模型求解，获得各条件下非相干散射理论谱子模型；基于所述电离层初始非相干散射理论谱，通过所述子模型选择指令对应的非相干散射理论谱子模型获取电离层雷达回波功率谱；
所述输出模块基于所述电离层雷达回波功率谱提取电离层状态、运动、结构、扰动信息并输出；
其中，预先构建非相干散射理论谱模型，其方法为：
其中，
代表平衡条件下等离子体中的电子密度波动谱；
代表归一化单个自由电子或离子的散射谱，s∈[e,i]，e代表电子，i代表离子；σi代表等离子体离子的广义电导率，σe代表等离子体电子的广义电导率，ω代表雷达发射频率，ε0代表真空中介电常数，
代表雷达入射波波矢；
其中，所述电离层电子或离子的Gordeyev积分，其各设定条件包括无碰撞情况的两种条件与有碰撞情况的四种条件：
第一无碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞；
第二无碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库仑碰撞；
第一有碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞；
第二有碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞；
第三有碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞；
第四有碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞。
2.根据权利要求1所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，所述电导率σ为：
其中，k＝ω/c代表雷达入射波波矢的标量，c代表光速；
为等离子体德拜半径，s代表电子或离子，K为波尔兹曼常数，Ts为等离子体温度，N0代表等离子体密度；J代表热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分；ω代表雷达发射频率，∈0代表真空中介电常数。
3.根据权利要求1所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，所述归一化单个自由电子或离子的散射谱为：
其中，N0代表等离子体密度；Js(ωs)代表热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分，s∈[e,i]，e代表电子，i代表离子；Re代表取实部。
4.根据权利要求3所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，所述热平衡等离子体中归一化单个自由电子或离子的Gordeyev积分为：
其中，
是相应电子或离子在忽略集体相互作用情况下，在τ时间段内位移
的特征函数，
为归一化无量纲参量；
代表雷达坐标系下的各个散射粒子相对于雷达发射频率以及粒子整体平均运动速度的多普勒频率，
代表雷达发射频率，K为波尔兹曼常数，T为等离子体温度，m代表粒子质量，θ代表热速度归一化的多普勒频率，
代表电子或离子的整体速度，k＝ω/c，代表雷达入射波波矢的标量，c代表光速。
5.根据权利要求1所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，
所述第一无碰撞条件，其对应的Gordeyev积分为：
其中，
代表热速度归一化的多普勒频率，t代表归一化无量纲参量；
所述第二无碰撞条件，其对应的Gordeyev积分为：
其中，α为雷达入射波和磁场的夹角，
为无量纲回旋频率。
6.根据权利要求5所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，在所述有碰撞情况的四种条件下进行相应的Gordeyev积分之前，还需要进行积分公式转换，其方法为：
其中，v代表粒子碰撞频率，ω代表雷达发射频率，t代表归一化无量纲参量，f(t)为预设变换函数。
7.根据权利要求6所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，在所述有碰撞情况的四种条件下，所述预设变换函数分别为：
第一有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，ψ为带电粒子与中性粒子无量纲碰撞频率；
第二有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，ψc为带电粒子无量纲库伦碰撞频率；
第三有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，γ＝arctan(ψc⊥/ψc||)，ψc||、ψc⊥分别为带电粒子无量纲库伦碰撞频率ψc平行于磁场的分量、垂直于磁场的分量；
第四有碰撞条件对应的预设变换函数为：
其中，ψ为带电粒子与中性粒子无量纲碰撞频率；γ＝arctan(ψc⊥/ψc||)，ψc||、ψc⊥分别为带电粒子无量纲库伦碰撞频率ψc平行于磁场的分量、垂直于磁场的分量。
8.根据权利要求7所述的基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测系统，其特征在于，所述粒子碰撞频率，包括：
电子-电子：
电子-离子：
离子-离子：
非共振离子-中性粒子：vin＝Cinnn
其中，ne为电子密度，Te为电子温度，ni为离子密度，Zi为离子电荷数，Bst为离子-离子碰撞系数，Tt为离子温度，Cin为离子-中性粒子碰撞系数，nn为中性粒子密度。
9.一种基于磁化等离子体非相干散射理论谱的电离层探测方法，其特征在于，该电离层探测方法包括：
步骤S10，预先构建非相干散射理论谱模型，并通过各设定条件下电离层电子或离子的Gordeyev积分对模型求解，获得各条件下非相干散射理论谱子模型；
步骤S20，获取电离层初始非相干散射理论谱作为待处理信息；
步骤S30，基于所述待处理信息，判断其所处条件，并生成对应的子模型选择指令；
步骤S40，基于所述子模型选择指令，选择相应的非相干散射理论谱子模型；
步骤S50，基于所述电离层初始非相干散射理论谱，通过其相应的非相干散射理论谱子模型，获取电离层雷达回波功率谱；
步骤S60，基于所述电离层雷达回波功率谱，获取电离层状态、运动、结构、扰动信息；
其中，预先构建非相干散射理论谱模型，其方法为：
其中，
代表平衡条件下等离子体中的电子密度波动谱；
代表归一化单个自由电子或离子的散射谱，s∈[e,i]，e代表电子，i代表离子；σi代表等离子体离子的广义电导率，σe代表等离子体电子的广义电导率，ω代表雷达发射频率，ε0代表真空中介电常数，
代表雷达入射波波矢；
其中，所述电离层电子或离子的Gordeyev积分，其各设定条件包括无碰撞情况的两种条件与有碰撞情况的四种条件：
第一无碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞；
第二无碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间无库仑碰撞；
第一有碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间无库伦碰撞；
第二有碰撞条件：电离层无磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞；
第三有碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子无碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞；
第四有碰撞条件：电离层有磁场、带电粒子与中性粒子有碰撞、带电粒子之间有库伦碰撞。
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