CN113687149B - 基于rtg的电离层电子密度反演方法及系统 - Google Patents
基于rtg的电离层电子密度反演方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113687149B CN113687149B CN202110812332.XA CN202110812332A CN113687149B CN 113687149 B CN113687149 B CN 113687149B CN 202110812332 A CN202110812332 A CN 202110812332A CN 113687149 B CN113687149 B CN 113687149B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electron density
- ion
- spectral line
- obtaining
- rtg
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000005433 ionosphere Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 43
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004501 airglow Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 239000005443 ionospheric plasma Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于RTG的电离层电子密度反演方法，包括：采用GUISDAP处理非相干散射雷达源数据得到部分电离层电子密度剖面图；采用RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；根据离子谱线求出离子温度；根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值；根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值；结合电子密度相对值和电子密度绝对值确定最终的电子密度值，本发明通过RTG软件将GUISDAP处理非相干散射雷达源数据缺失部分的电子密度补齐，从而与GUISDAP一起配合准确高效的反演出了电子密度。
Description
技术领域
本发明属于空间环境探测技术领域，尤其涉及一种基于RTG的电离层电子密度反演方法及系统。
背景技术
地球上层大气(60km～1000km)，由于受到太阳紫外辐射等因素，中性大气会发生部分电离而形成等离子体，虽然电离部分占总气体比例不超过1％，但是它足以改变电波的传播路径，对军用民用通信具有重要影响，这个区域称为电离层。一般来说，电离层在垂直高度上又分为D、E、F层。当大功率高频无线电波注入电离层时，会产生一系列物理现象，如电子温度增强、电子密度扰动，增强等离子体谱线(HFPLs)、增强离子谱线(HFILs)，增强气辉，小尺度场向不均匀体，异常吸收以及受激电磁辐射等等。
针对电离层扰动和电离层加热实验现象有许多有效的探测设备，其中非相干散射雷达是电离层参数探测的重要手段，也是最常用的手段之一。非相干散射雷达是目前唯一能探测整个电离层高度范围内等离子体参数的设备。在探测电离层的过程中，非相干散射雷达能够接收到电离层散射的回波信号，通过该信号的散射谱进行反演计算，可以获得相应的电离层的电子密度Ne、电子温度Te、离子温度Ti、以及离子漂移速度Vi等电离层等离子体参数，能观测到朗缪尔波和离子声波，可以实现对电离层准确全剖面和多参数的探测。
欧洲非相干散射雷达协会(EuropeanIncoherent Scatter ScientificAssociation，EISCAT)公布过一个非相干散射数据分析程序包GUISDAP(全称是GrandUnified IncoherentScatter Design and Analysis Package)，这程序包可以实现非相干散射雷达数据的电离层等离子体参数的反演过程，它是目前处理非相干散射雷达数据最实用的一个程序包，其汇编语言主要为MATLAB语言，它利用非相干散射理论进行编码。这个程序库中包含了一套完整非相干散射模型，包括自相关函数、模糊函数以及电离层经验模式，热层大气经验模式等等。我们利用GUISDAP软件进行数据处理时，只需要在用户界面上输入源数据的相关参数即可，十分方便。
当我们在使用GUISDAP软件处理数据的过程中，经常会出现数据缺失的情况。如图2，利用GUISDAP软件计算电离层加热后电子密度的分布时，可以观察到在15:06-15:09、15:33-15:39时间范围内，在大约120km～350km的高度范围上存在明显的数据缺失情况，作为观测试验在这种情况下，数据一般都不可信，尤其是数据缺失部分的实验现象并不能观测出来。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于RTG的电离层电子密度反演方法，能够反演出电离层的电子密度。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
第一方面，提供了一种基于RTG的电离层电子密度反演方法，包括：
采用GUISDAP处理非相干散射雷达源数据得到部分电离层电子密度剖面图；
采用RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；
根据离子谱线求出离子温度；
根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值；
根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值；
结合电子密度相对值和电子密度绝对值确定最终的电子密度值。
结合第一方面，进一步的，所述根据离子谱线求出离子温度具体为：
根据离子谱线得到离子谱线带宽，根据离子谱线带宽得到离子温度。
结合第一方面，进一步的，所述根据离子谱线带宽得到离子温度具体为：
根据式(1)通过离子谱线带宽求出离子温度，
其中，Bx为离子谱线带宽，k是玻尔兹曼常数，Ti为离子温度，mi为离子质量，λ为雷达发射波长。
结合第一方面，进一步的，所述根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值具体为：
通过式(2)得到电子密度相对值
其中，re为玻尔半径，C为常数，h为雷达散射高度，Ne为电子密度相对值，Te为电子温度，Ti为离子温度，π为圆周率。
结合第一方面，进一步的，述根据等离子体谱线得到电子密度绝对值具体为：
根据等离子体谱线得到等离子体谱线频率，然后根据式(3)得到电子密度绝对值
其中，fp为等离子体谱线频率，N'e为电子密度绝对值。
第二方面，提供了一种基于RTG的电离层电子密度反演系统，包括：
部分电子密度获取模块，用于采用GUISDAP处理非相干散射雷达源数据得到部分电离层电子密度剖面图；
缺失电子密度获取模块，用于采用RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；
根据离子谱线求出离子温度；
根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值；
根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值；
结合电子密度相对值和电子密度绝对值确定最终的电子密度值。
本发明有益效果：本发明通过RTG软件处理非相干散射雷达源数据将GUISDAP处理非相干散射雷达源数据缺失部分的电子密度补齐，与GUISDAP一起配合准确高效的反演出了电子密度。
附图说明
图1是本发明中基于RTG的电离层电子密度反演方法的流程图；
图2是本发明中GUISDAP软件处理数据的过程中，电子密度数据缺失的示意图。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
实施例1
本发明所提出的一种基于RTG的电离层电子密度反演方法，如图1-2所示，包括以下内容：
我们采用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)公布过的一个数据分析程序包GUISDAP软件处理非相干散射雷达源数据，可以得到部分电离层电子密度剖面图，由于GUISDAP软件本身存在的问题，导致此时的电子密度剖面图中的电子密度数据并不是完整的，缺失了一部分。
为了补全缺失部分的数据，我们采用RTG(Real Time Graphs)软件处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；由于离子谱线的峰谷比与电子温度比上离子温度的比值成正比例关系，即：
其中，apeak为离子谱线的峰值，avalley为离子谱线的谷值，Te为电子温度，Ti为离子温度，k为比例系数，为已知量。
根据缺失部分的离子谱线，我们可以得到离子温度，具体为过程如下：
首先，根据离子谱线可以很容易得到离子谱线带宽，根据离子谱线带宽得到离子温度，然后根据式(2)通过离子谱线带宽求出离子温度，
其中，Bx为离子谱线带宽，k是玻尔兹曼常数，Ti为离子温度，mi为离子质量，λ为雷达发射波长，mi和λ都是已知量，mi为本领域公知常识。
基于非相干散射雷达参数反演原理，利用非相干散射雷达接收的总功率确定电子密度的相对值。当雷达发射波波长远大于等离子体德拜长度时，即λ＞＞λDE时，雷达接收功率可以表示为电子密度与电子离子温度之比的函数，上一步骤已经求得电子离子温度之比Te/Ti，因此，利用雷达接收到的功率就可以反演出电子密度的相对值，具体通过式(3)得到电子密度相对值
其中，re为玻尔半径，C为常数，h为雷达散射高度，Ne为电子密度相对值，Te为电子温度，Ti为离子温度，π为圆周率。
然后，根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值，通过式(4)实现，
其中，fp为等离子体谱线频率，N'e为电子密度绝对值。
最后，结合数据缺失部分的电子密度相对值和电子密度绝对值确定数据缺失部分的最终的电子密度值，将该部分电子密度值和之前GUISDAP软件处理非相干散射雷达源数据得到的电子密度值合并就得到了完整的电离层的电子密度值。
实施例2
提供了一种基于RTG的电离层电子密度反演系统，包括：
部分电子密度获取模块，用于采用GUISDAP处理非相干散射雷达源数据得到部分电离层电子密度剖面图；
缺失电子密度获取模块，用于采用RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；
根据离子谱线求出离子温度；
根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值；
根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值；
结合电子密度相对值和电子密度绝对值确定最终的电子密度值。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于RTG的电离层电子密度反演方法，其特征在于，包括：
采用GUISDAP处理非相干散射雷达源数据得到部分电离层电子密度剖面图；
采用RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；
根据离子谱线求出离子温度，具体为：根据离子谱线得到离子谱线带宽，根据离子谱线带宽得到离子温度，具体为：根据式(1)通过离子谱线带宽求出离子温度，
其中，Bx为离子谱线带宽，k是玻尔兹曼常数，Ti为离子温度，mi为离子质量，λ为雷达发射波长；
根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值，具体为：
通过式(2)得到电子密度相对值
其中，re为玻尔半径，C为常数，h为雷达散射高度，Ne为电子密度相对值，Te为电子温度，Ti为离子温度，π为圆周率；
根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值；
结合电子密度相对值和电子密度绝对值确定最终的电子密度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于RTG的电离层电子密度反演方法，其特征在于，所述根据等离子体谱线得到电子密度绝对值具体为：
根据等离子体谱线得到等离子体谱线频率，然后根据式(3)得到电子密度绝对值
其中，fp为等离子体谱线频率，N'e为电子密度绝对值。
3.一种基于RTG的电离层电子密度反演系统，其特征在于，包括：
部分电子密度获取模块，用于采用GUISDAP处理非相干散射雷达源数据得到部分电离层电子密度剖面图；
缺失电子密度获取模块，用于采用RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的离子谱线，通过离子谱线得到其峰谷比；
根据离子谱线求出离子温度，具体为：根据离子谱线得到离子谱线带宽，根据离子谱线带宽得到离子温度，具体为：根据式(1)通过离子谱线带宽求出离子温度，
其中，Bx为离子谱线带宽，k是玻尔兹曼常数，Ti为离子温度，mi为离子质量，λ为雷达发射波长；
根据离子温度和雷达接收功率得到电子密度相对值；
根据RTG处理非相干散射雷达源数据得到数据缺失部分的等离子体谱线，根据等离子体谱线得到电子密度绝对值，具体为：
通过式(2)得到电子密度相对值
其中，re为玻尔半径，C为常数，h为雷达散射高度，Ne为电子密度相对值，Te为电子温度，Ti为离子温度，π为圆周率；
结合电子密度相对值和电子密度绝对值确定最终的电子密度值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110812332.XA CN113687149B (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 基于rtg的电离层电子密度反演方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110812332.XA CN113687149B (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 基于rtg的电离层电子密度反演方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113687149A CN113687149A (zh) | 2021-11-23 |
| CN113687149B true CN113687149B (zh) | 2024-04-05 |
Family
ID=78577343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110812332.XA Active CN113687149B (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 基于rtg的电离层电子密度反演方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113687149B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105022045A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-11-04 | 华东交通大学 | 一种基于多源数据融合的三维电离层层析方法 |
| CN105631889A (zh) * | 2016-01-27 | 2016-06-01 | 湖北大学 | 一种基于斜返电离图和层析成像的联合反演方法 |
| CN109507674A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-03-22 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法 |
| CN111693956A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-22 | 深圳大学 | 基于sar和isr的电子密度预测方法、系统及设备 |
| CN113686456A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-11-23 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于rtg的反演电离层电子温度的方法及系统 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2552218A (en) * | 2016-07-15 | 2018-01-17 | Qinetiq Ltd | Controlled radar stimulation |
| CN108828538B (zh) * | 2018-04-26 | 2021-02-09 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 雷达发射功率监测装置 |
-
2021
- 2021-07-19 CN CN202110812332.XA patent/CN113687149B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105022045A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-11-04 | 华东交通大学 | 一种基于多源数据融合的三维电离层层析方法 |
| CN105631889A (zh) * | 2016-01-27 | 2016-06-01 | 湖北大学 | 一种基于斜返电离图和层析成像的联合反演方法 |
| CN109507674A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-03-22 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法 |
| CN111693956A (zh) * | 2020-05-27 | 2020-09-22 | 深圳大学 | 基于sar和isr的电子密度预测方法、系统及设备 |
| CN113686456A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-11-23 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于rtg的反演电离层电子温度的方法及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113687149A (zh) | 2021-11-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pasko et al. | Toward better understanding of sprite streamers: initiation, morphology, and polarity asymmetry | |
| CN108152799B (zh) | 超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法 | |
| Li et al. | Channel capacity study of underwater wireless optical communications links based on Monte Carlo simulation | |
| CN105372506B (zh) | 一种用于区域电磁环境计算的变尺度栅格化方法及系统 | |
| Bortnik et al. | Frequency‐time spectra of magnetospherically reflecting whistlers in the plasmasphere | |
| CN110210129B (zh) | 自适应有限元gpr频率域正演方法 | |
| Blagoveshchenskaya et al. | Distinctive features of Langmuir and ion‐acoustic turbulences induced by O‐and X‐mode HF pumping at EISCAT | |
| KR970002345A (ko) | GTEM(Giga-Hertz transverse electromagnetic)셀의 복사에미션 측정방법 | |
| CN113686456B (zh) | 基于rtg的反演电离层电子温度的方法及系统 | |
| Mahmoudian et al. | Electron gyroharmonic effects on ionospheric stimulated Brillouin scatter | |
| CN118348067B (zh) | 一种电力设备金属组件的缺陷检测方法及装置 | |
| CN113687149B (zh) | 基于rtg的电离层电子密度反演方法及系统 | |
| Mahmoudian et al. | NSEE yielding electron temperature measurements at the Arecibo Observatory | |
| Li et al. | Simulations of coronal type III solar radio bursts: 3. Effects of beam and coronal parameters | |
| Chugunin et al. | Monitoring of the electron-acceleration region with auroral kilometric radiation | |
| Kaeppler et al. | Incoherent scatter radar observations of 10–100 keV precipitation: Review and outlook | |
| CN112036011A (zh) | 一种用于水下航行器的甚低频波通信传输分析方法及系统 | |
| Senior et al. | Measurements and modeling of cosmic noise absorption changes due to radio heating of the D region ionosphere | |
| Zernov et al. | On the effects of scintillation of low-latitude bubbles on transionospheric paths of propagation | |
| He et al. | Precipitation loss of radiation belt electrons by two‐band plasmaspheric hiss waves | |
| Satterfield et al. | Assessing the performance of an ensemble forecast system in predicting the magnitude and the spectrum of analysis and forecast uncertainties | |
| Akbari et al. | Zakharov simulations of beam‐induced turbulence in the auroral ionosphere | |
| KR101992346B1 (ko) | 대기권의 분산 특성을 고려하여 전파 특성을 해석하는 방법 및 장치 | |
| Dubrovin et al. | Positive streamers in air of varying density: experiments on the scaling of the excitation density | |
| Ryakhovsky et al. | Estimation of the ionospheric D‐region ionization caused by X‐class solar flares based on VLF observations |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |