CN115586580A

CN115586580A - 基于双站信号反演低电离层d层探测方法

Info

Publication number: CN115586580A
Application number: CN202211182896.0A
Authority: CN
Inventors: 何时旻; 刘默然; 周晨
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2023-01-10

Abstract

本发明公开了基于双站信号反演低电离层D层探测方法，具体涉及低电离层探测技术领域，使用磁环天线接受来自双通讯台站的VLF信号，采样频率为1MHz；S2.经过滤波放大8000倍后，根据电磁感应定律将接收到的电信号转换为磁信号，再利用麦克斯韦方程组，将磁信号转化为以dBμ为单位的电信号；S3.发射天线角度、高度，与路径信息，得到各个锐度β以及虚高H’值对应的到达相位差信息表；S4.查表得实测与模拟信号的相位最接近点的锐度β以及虚高H’值，得到路径低电离层信息，本发明可以实现任意时刻的电离层D层精确探测，解决幅值定位中的多值问题，进一步提高电离层D层探测精度。

Description

基于双站信号反演低电离层D层探测方法

技术领域

本发明涉及低电离层探测领域，具体为基于双站信号反演低电离层D层探测方法。

背景技术

地球空间环境按照距离地表从低到高的顺序以及各个区域的大气性质，距离为几十公里起至离地心距离约10个地球半径的磁层顶，依次包括对流层、平流层、中层、热层、电离层、等离子体层、磁层、磁层顶。其中，电离层是镶嵌在地球中性大气层中的一个重要区域，是连接日地空间环境的重要纽带。电离层的形成主要是宇宙射线和高能粒子与地球上层大气原子核分子相互作用从而使大气电离的结果，高度范围约距地面60-1000km(刘选谋，1994)。在电离层这个区域中，包含足以反射电磁波的电子、离子与中性粒子构成，不同的电子浓度会给无线电波传播造成不同程度的影响。根据电子浓度，电离层可以划分为D层、E层、F层三个区域，对应的高度分别为60-90km， 90-130km，130-1000km，常见的探测手段有火箭就地探测、甚低频波遥感探测。

D层位于电离层最底层60-90km，主要电离源是太阳辐射，因此具有明显的日变化和季节变化特征。该层电子碰撞频率约等于电子磁旋频率，白天对无线电磁波吸收严重，夜间随着太阳辐射减弱而消失。该层电子浓度较低，传统高频垂测仪难以探测，该层电子碰撞频率约等于电子磁旋频率，白天对无线电磁波吸收严重，夜间随着太阳辐射减弱而消失。该层电子浓度较低，传统高频垂测仪难以探测。常见的探测手段有火箭就地探测、甚低频波遥感探测。火箭探测中使用朗缪尔探针等手段对电离层进行实地探测。遥感探测中甚低频波(VeryLowFrequency，VLF)频段范围为3-30kHz，可以在由地面和电离层构成的波导内远距离传播，具有损耗小、相位稳定的特点，适合作为探测信号对电离层D区进行反演。

甚低频通信系统中，技术难点或可执行难点是发射天线，辐射VLF的天线尺寸要遵循VLF的波长进行设计，VLF的波长为3kHz-30kHz，波长对应范围在100km-10km之间。甚低频人工台站发射台大多采用垂直单极子天线阵，基于大型山谷或者大平原建立大型发射塔构建天线阵进行架设；同时，由于波长很长，就算搭建大型天线阵，天线的辐射效率也还很低。为获得较大的功率和辐射效率，用于甚低频通信发射天线阵通常很大，建设成本极高。

目前世界上已有多个发射站发射并研究VLF经电离层发射传播的性质，并进行了一系列的反演研究。其中一些研究探索了下部电离层D层对信号 (VLF/LF)传播的影响。该方法使用接收到的VLF发射台站信号与模拟信号进行对比，反演出电离层D层信息。

闪电发生时，辐射出甚低频电磁波大部分通过地球-电离层波导传播到全球各地，在接收机的数据处理中，称为“天电”信号。也可以利用闪电源的信号，先确定闪电发生位置，再测得接收到的闪电信号时延确定反射点的高度，进而获得电离层信息。

专利号为CN106646477B的申请文件公开了一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统及方法。所述系统包括：通信连接的至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置和一个中心处理装置；每个闪电低频脉冲信号探测采集装置用于探测采集闪电低频脉冲信号并进行处理得到天波地波脉冲对及其时间、到达时间差；中心处理装置用于根据天波和地波的到达时间差与路径差的关系反演电离层D层的高度。本发明利用闪电放电作为辐射源，无需人工产生高功率VLF/LF电磁波，极大的节省了能源。另外，由于闪电放电可以发生在全球的不同位置，合理调整闪电低频脉冲信号探测、采集装置的位置即可测量不同位置电离层的高度，能够大范围推广应用，提高电离层D 层探测系统的适应范围以及使用率。

现有技术中直接发射探空火箭的方案成本高并且无法长时间探测，间接探测中使用VLF发射机探测成本高，且无法解决参数的多值问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于双站信号反演低电离层D层探测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于双站信号反演低电离层D层探测方法，步骤如下：

S1.使用磁环天线接受来自双通讯台站的VLF信号，采样频率为1MHz；

S2.经过滤波放大8000倍后，根据电磁感应定律将接收到的电信号转换为磁信号，再利用麦克斯韦方程组，将磁信号转化为以dBμ为单位的电信号；

S3.发射天线角度、高度，与路径信息，得到各个锐度β以及虚高H’值对应的到达相位差信息表；

S4.查表得实测与模拟信号的相位最接近点的锐度β以及虚高H’值，得到路径低电离层信息。

路径信息使用锐度β以及虚高H’进行描述。

低电离层电子密度模型表达为： n_e(h)＝1.43×10⁷×exp(-0.15H)×exp[(β-0.15)(h-H)]，其中h为电离层高度，锐度β以及虚高H’就是需要的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明使用技术成熟、站点位置已知、发射时间持续稳定的双站发射信号源幅值信息，相较于自然源(闪电源等)具有发射信号稳定，发射源位置已知的特点，可以实现任意时刻的电离层D层精确探测，解决幅值定位中的多值问题，进一步提高电离层D层探测精度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中接受位置的双站幅值正演表截图；

具体实施方式

实施例

如图1-2所示，使用磁环天线接受来自双通讯台站的VLF信号，采样频率为1MHz，经过滤波放大8000倍后，根据电磁感应定律将接收到的电信号转换为磁信号，再利用麦克斯韦方程组，将磁信号转化为以dBμ为单位的电信号。发射天线角度、高度，与路径信息(使用锐度β以及虚高H’进行描述)，得到各个锐度β以及虚高H’值对应的到达相位差信息表。之后查表得实测与模拟信号的相位最接近点的锐度β以及虚高H’值，得到路径低电离层信息。

使用LWPC模型正演得到不同参数下到达天波相位差，并通过与实测信号相位对照获得路径电离层信息。

LWPC使用电离层模型为(Wait，1964)提出的电离层模型通过处在不同高度的水平电导率来描述电离层状态v(h)表示不同高度上电子和中性粒子的碰撞频率(考虑电离层D层)。依据(Belrose,1964)和(Kane,1961)的研究，低电离层电子密度：n_e(h)＝1.43×10⁷×exp(-0.15H’)×exp[(β-0.15)(h-H‘)]，其中 h为电离层高度，锐度β以及虚高H’就是需要的参数。

LWPC程序可以通过输入路径信息及锐度β以及虚高H’计算得到接受位置的双站幅值正演表，通过此图可以发现，幅值随电离层参数并非成单调线性变化，这也是波导模式传播的主要特点之一。因此只利用单个站点的幅值信息不可避免的会遇到对应多值的问题，再找到LWPC程序模拟得到的相位与实测信号的相位最接近出的参数值反演得到电离层信息，可以得到传播路径上的信息；同样的，当有电离层扰动出现时，双站反演能有效解决异常和误差间的区分，这种方法同样可以延申至多站反演电离层中。

Claims

1.基于双站信号反演低电离层D层探测方法，其特征在于，步骤如下：

S2.经过滤波放大后，根据电磁感应定律将接收到的电信号转换为磁信号，再利用麦克斯韦方程组，将磁信号转化为电信号；

2.根据权利要求1所述的路径信息基于双站信号反演低电离层D层探测方法，其特征在于，路径信息使用锐度β以及虚高H’进行描述。

3.根据权利要求1所述的路径信息基于双站信号反演低电离层D层探测方法，其特征在于，低电离层电子密度模型表达为：n_e(h)＝1.43×10⁷×exp(-0.15H')×exp[(β-0.15)(h-H')]，其中h为电离层高度，锐度β以及虚高H’就是需要的参数。

4.根据权利要求1所述的路径信息基于双站信号反演低电离层D层探测方法，其特征在于，VLF信号放大倍数为8000倍。

5.根据根据权利要求1所述的路径信息基于双站信号反演低电离层D层探测方法，其特征在于，将磁信号转化为以dBμ为单位的电信号。