CN113109632B - 一种用斜测电离图反演f2层参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，首先利用等效路径定理和正割定理将斜测电离图寻常波描迹转化为垂测电离图，以垂测电离图的最大频率为初步确定的F2层临界频率，然后从斜测电离图寻常波描迹上获取3组测量数据，高角波数据1组，低角波数据2组，再利用电波射线几何关系，计算出每组测量数据对应的仰角，进而通过测量数据、计算数据与收敛条件的关系，判定解集合中满足收敛条件的方程组的解；本发明解决了临界频率的反演精度高度依赖于高角波数据完整程度的问题，解决了仅使用低角波数据带来的反演结果不稳定的问题，解决了在求解方程组的过程中把仰角也当作待求解未知量的问题，有效提高了反演结果的精度和稳定性。

Description

一种用斜测电离图反演F2层参数的方法

技术领域

本发明涉及电离层电子浓度剖面反演领域，尤其涉及一种用斜测电离图反演F2层参数的方法。

背景技术

电离层是指离地面60km左右到900km左右处于电离状态的高层大气区域。电离层内存在4个密度不同的区域，分别称为D、E、F1和F2层。F2层离地面约200km以上，是反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域。

电离层可以通过斜向探测的方式进行观测，观测方式为将发射机和接收机置于不同的站点，发射机向电离层发射不同频率的高频电波，通过电离层反射后，接收机记录发射脉冲和接收脉冲间的时延。不同时延的回波信噪比随探测频率的变化以图形的方式展示出来，称为斜测电离图。

高频电波(3MHz～30MHz)的折射发生在斜测链路中继点处的电离层，通过反演斜测电离图可以获取斜测链路中继点处的电离层电子浓度剖面。有些地方(比如沙漠、海洋和沼泽等)是无法部署垂测仪的，斜测电离图的反演方法可以被应用来监测这些地方的电离层。另外，由N个斜测发射端和M个斜测接收端构成的斜测网络可以获得N×M个电离层电子浓度剖面。当N和M都比较大时，斜测网络的探测能力就会大于由N+M个垂测仪组成的垂测网络的探测能力。

目前，常用的方法是利用准抛物模型来反演斜测电离图，但是现有方法存在反演结果不稳定的问题，无法应用于实际电离图的反演。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，以有效的提高反演结果的精度和稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用等效路径定理和正割定理将斜测电离图寻常波描迹转化为垂测电离图，以垂测电离图的最大频率为初步确定的F2层临界频率f_v；

步骤2：从斜测电离图寻常波描迹上获取3组测量数据(f_i,P_i)，其中高角波数据1组，低角波数据2组，f_i为电波频率，P_i为群距离测量值，i＝1,2,3；

步骤3：利用电波射线几何关系，计算每组测量数据所对应的仰角β_i；

步骤4：设置一个由所有可能的解所构成的集合S＝{x(f_c,h_m,y_m)}，其中，f_c为F2层临界频率，h_m为F2层峰高，y_m为F2层半厚度；

步骤5：在集合S中随机选取一个可能的解x(f_c,h_m,y_m)，根据准抛物模型计算群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi；

步骤6：如果群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi满足收敛条件d_i≤2，即(P_xi,D_xi)与(P_i,D)之间的欧式距离不超过系统群距离分辨率的2倍，则判定此x(f_c,h_m,y_m)为方程组的解；如果不满足，重复步骤5至步骤6，直到得出满足收敛条件的解x(f_c,h_m,y_m)；

其中，

δ为系统群距离分辨率，D为发射站与接收站之间大圆距离的真实值。

步骤3中，所述的利用电波射线几何关系，计算每组测量数据所对应的仰角β_i的方法为：

r₀sin(0.5D/r₀)-0.5P_icos(β_i+0.5D/r₀)＝0；

其中，r₀为地球半径。

步骤4中，

所述的F2层临界频率f_c的取值范围为[f_v-3,f_v+3]，单位：MHz；

所述的F2层峰高h_m的取值范围为[150,550]，单位：km；

所述的F2层半厚度y_m的取值范围为[30,180]，单位：km。

步骤5中，

所述的在集合S中随机选取一个可能的解，根据准抛物模型计算群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi的方法为：

其中，

r_m＝h_m+r₀；

r_b＝r_m-y_m；

F＝f_i/f_c；

γ＝arccos[(r₀/r_b)cosβ_i]；

U＝B²-4AC；

其中，r_m为最大电子浓度对应的径向距离；

r_b为电离层底部对应的径向距离；

γ为电波射线在电离层底部的入射角。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，利用等效路径定理和正割定理将斜测电离图转化为垂测电离图，以垂测电离图的最大频率为初步确定的F2层临界频率，不仅有效缩小了F2层临界频率的搜索范围，还避免了F2层临界频率的反演精度高度依赖于高角波数据的完整程度；从斜测电离图寻常波描迹上获取3组测量数据，其中高角波数据1组，低角波数据2组，避免了仅使用低角波数据带来的反演结果不稳定的问题；利用电波射线几何关系，计算出每组测量数据所对应的仰角，避免了在求解方程组的过程中把仰角也当作待求解的未知量；以上几个方面，均有利于提高反演结果的精度和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明所述的实施例的斜测电离图；

图3为本发明所述的实施例的F2层临界频率误差图；

图4为本发明所述的实施例的F2层峰高误差图；

图5为本发明所述的实施例的F2层半厚度误差图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所述的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用等效路径定理和正割定理将斜测电离图寻常波描迹转化为垂测电离图，以垂测电离图的最大频率为初步确定的F2层临界频率f_v；

步骤2：从斜测电离图寻常波描迹上获取3组测量数据(f_i,P_i)，其中高角波数据1组，低角波数据2组，f_i为电波频率，P_i为群距离测量值，i＝1,2,3；

步骤3：利用电波射线几何关系，计算每组测量数据所对应的仰角β_i，其方法为：

r₀sin(0.5D/r₀)-0.5P_icos(β_i+0.5D/r₀)＝0；

其中，r₀为地球半径；

步骤4：设置一个由所有可能的解所构成的集合S＝{x(f_c,h_m,y_m)}，其中，f_c为F2层临界频率，h_m为F2层峰高，y_m为F2层半厚度；

具体采用以下方法：

以F2层临界频率f_c，F2层峰高h_m和F2层半厚度y_m这3个待求解的未知量的实际物理意义来限定它们各自的取值范围，具体限定方法为：

所述的F2层临界频率f_c的取值范围为[f_v-3,f_v+3]，单位：MHz；其中，F2层临界频率f_c左、右以步骤1中初步确定的F2层临界频率f_v为中心偏差3MHz，已为F2层临界频率f_c的极限范围，此取值范围可覆盖高角波数据不完整的情况；

所述的F2层峰高h_m的取值范围为[150,550]，单位：km；此取值范围可覆盖不同季节、不同地方时的电离层情况；

所述的F2层半厚度y_m的取值范围为[30,180]，单位：km；此取值范围可覆盖不同季节、不同地方时的电离层情况；

步骤5：在集合S中随机选取一个可能的解x(f_c,h_m,y_m)，根据准抛物模型(QP模型)，计算群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi，其方法为：

其中，

r_m＝h_m+r₀；

r_b＝r_m-y_m；

F＝f_i/f_c；

γ＝arccos[(r₀/r_b)cosβ_i]；

U＝B²-4AC；

其中，r_m为最大电子浓度对应的径向距离；

r_b为电离层底部对应的径向距离；

γ为电波射线在电离层底部的入射角；

F、A、B、C、U、V、W是为了方便计算和书写而引入的变量，无实际物理含义；

步骤6：如果群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi满足收敛条件d_i≤2，即(P_xi,D_xi)与(P_i,D)之间的欧式距离不超过系统群距离分辨率的2倍，则判定此x(f_c,h_m,y_m)为方程组的解；如果不满足，重复步骤5至步骤6，直到得出满足收敛条件的解x(f_c,h_m,y_m)；

其中，

δ为系统群距离分辨率，D为发射站与接收站之间大圆距离的真实值；其中d_i共3组数据，收敛条件中所有d_i均应满足d_i≤2。

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明的技术方案，下面将以具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

本实施例中，斜向探测发射站与接收站之间的大圆距离为1000km；

所采用的斜向探测性能参数如下所示：

探测起始频率：12MHz；

探测频率步进：50kHz；

探测终止频率：24MHz；

群距离分辨率δ：5km。

所采用的F2层参数的真实值如下所示：

临界频率f_c：14.1MHz；

峰高h_m：290.5km；

半厚度y_m：75.8km；

如图3至图5所示，采用本发明所述的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，F2层临界频率误差的均方根值为0.22MHz，F2层峰高误差的均方根值为6.46km，F2层半厚度误差的均方根值为9.78km；结果表明，本发明提供的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，其反演结果具有很高的精度和稳定性。

与现有技术相比，本发明提供的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，利用等效路径定理和正割定理将斜测电离图转化为垂测电离图，以垂测电离图的最大频率为初步确定的F2层临界频率，不仅有效缩小了F2层临界频率的搜索范围，还避免了F2层临界频率的反演精度高度依赖于高角波数据的完整程度；从斜测电离图寻常波描迹上获取3组测量数据，其中高角波数据1组，低角波数据2组，避免了仅使用低角波数据带来的反演结果不稳定的问题；利用电波射线几何关系，计算出每组测量数据所对应的仰角，避免了在求解方程组的过程中把仰角也当作待求解的未知量；以上几个方面，均有利于提高反演结果的精度和稳定性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用等效路径定理和正割定理将斜测电离图寻常波描迹转化为垂测电离图，以垂测电离图的最大频率为初步确定的F2层临界频率f_v；

步骤2：从斜测电离图寻常波描迹上获取3组测量数据(f_i，P_i)，其中高角波数据1组，低角波数据2组，f_i为电波频率，P_i为群距离测量值，i＝1，2，3；

步骤3：利用电波射线几何关系，计算每组测量数据所对应的仰角β_i；

步骤4：设置一个由所有可能的解所构成的集合S＝{x(f_c，h_m，y_m)}，其中，f_c为F2层临界频率，h_m为F2层峰高，y_m为F2层半厚度；

步骤5：在集合S中随机选取一个可能的解x(f_c，h_m，y_m)，根据准抛物模型计算群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi；

步骤6：如果群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi满足收敛条件d_i≤2，即(P_xi，D_xi)与(P_i，D)之间的欧式距离不超过系统群距离分辨率的2倍，则判定此x(f_c，h_m，y_m)为方程组的解；如果不满足，重复步骤5至步骤6，直到得出满足收敛条件的解x(f_c，h_m，y_m)；

其中，

δ为系统群距离分辨率，D为发射站与接收站之间大圆距离的真实值。

2.根据权利要求1所述的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，其特征在于：步骤3中，所述的利用电波射线几何关系，计算每组测量数据所对应的仰角β_i的方法为：

r₀sin(0.5D/r₀)-0.5P_icos(β_i+0.5D/r₀)＝0；

其中，r₀为地球半径。

3.根据权利要求2所述的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，其特征在于：步骤4中，

所述的F2层临界频率f_c的取值范围为[f_v-3，f_v+3]，单位：MHz；

所述的F2层峰高h_m的取值范围为[150,550]，单位：km：

所述的F2层半厚度y_m的取值范围为[30，180]，单位：km。

4.根据权利要求3所述的一种用斜测电离图反演F2层参数的方法，其特征在于：步骤5中，

所述的在集合S中随机选取一个可能的解，根据准抛物模型计算群距离计算值P_xi和大圆距离计算值D_xi的方法为：

其中，

r_m＝h_m+r₀；

r_b＝r_m-y_m；

F＝f_i/f_c；

γ＝arccos[(r₀/r_b)cosβ_i]；

U＝B²-4AC；

其中，r_m为最大电子浓度对应的径向距离；

r_b为电离层底部对应的径向距离；

γ为电波射线在电离层底部的入射角。

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