CN117289234B - 基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，旨在解决现有的电离层电场提取方法仅适用于高纬度地区不适用于低纬度地区的问题。本系统方法包括：通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；得到全高度三个方向的矢量速度；计算得到扩散速度；结合扩散速度，构建离子动量方程，并在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；将第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。本发明实现了低纬度地区的电离层三维矢量电场的提取。
Description
技术领域
本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法、系统和装置。
背景技术
电离层是地球上空五、六十公里到一、两千公里高度范围的部分电离区域，是日地空间环境中与人类活动最为密切的关键层次，对无线电通讯、卫星导航和定位、载人航天等具有重要影响。在所有的电离层探测手段中，非相干散射雷达是迄今为止最为强大的探测手段，其具有探测功能强、参量多（多种场和粒子成分）、精度高、分辨率好、高度范围覆盖大等众多优点。1958年Gordon提出可以用大功率的雷达探测到电离层中电子微弱的汤姆森散射信号（可参考文献：Gordon, W. E, “Incoherent scattering of radio waves byfreeelectrons with applications to space exploration by radar,” Proceedings ofthe IRE, vol.46, no.11, pp.1824–1829, Aug.1958. DOI:10.1109/JRPROC.1958.286852）。Bowles (1958)通过非相干散射探测实验测得了散射回波，之后很多的研究学者证明非相干散射雷达使用电子热波动的散射信号可以测量电离层的参数，例如电子密度、离子成分、电子温度、离子温度、漂移速度等(可参考文献：Bowles, K. L,“Observation of Vertical-Incidence Scatter from the Ionosphere at 41 Mc/sec,”PhysicalReview Letters, vol.1, no.12, pp.454–455, Dec1958. DOI:10.1103/PhysRevLett.1.454)。
随着雷达技术的发展，相控阵天线以其大范围快速扫描，精细扫描，灵活可控以及长时间连续观测等优点进入人们的视野，非相干散射雷达开始使用相控阵天线来代替传统的抛物面天线，21世纪，美国提出了新式的模块化的有源相控阵雷达项目(AMISR)，通过电扫描控制雷达波束从而可以在微秒量级内快速切换波束方向，大大改善了传统抛物面雷达机械转动改变波束方向导致产生时间模糊的问题(可参考文献：Valentic T., BuonocoreJ., Cousins M., Heinselman C., Jorgensen J.&Kelly J. et al, “AMISR theadvanced modular incoherent scatter radar, ” IEEEInternational Symposium onPhased Array Systems&Technology, Waltham, MA, USA, pp. 659-663, 2013, DOI:10.1109/ARRAY.2013.6731908)。建成后，阵面放置在阿拉斯加Fairbanks附近的Poker观测研究场地进行试验运行，其他阵面安装在加拿大的Resolute湾，其地理位置均位于高纬地区。
中国科学院地质与地球物理研究所在电离层低纬地区三亚研制和建成了大功率相控阵非相干散射雷达，技术上具有持续观测、全空域覆盖、局部空间快速扫描等新的优势。该非相干散射雷达可以探测三亚周围两千公里范围的电离层，覆盖我国南海、东南沿海及南方地区，将是东亚地区和低磁纬地区的首台先进相控阵体制的非相干散射雷达(可参考文献：Yue, X.; Wan, W.; Xiao, H.; et al. Preliminary experimental results bythe prototype of Sanya Incoherent Scatter Radar. EarthPlanet. Phys. 2020, 4,579-587, doi: 10.26464/epp2020063；Yue, X.; Wan, W.; Ning, B.; Jin, L. Anactive phased array radar in China. Nat. Astron. 2022, 6, 619, doi:10.1038/s41550-022-01684-1；Yue, X., Wan, W., Ning, B., Jin, L., Ding, F., Zhao, B.,et al. (2022). Development of theSanya incoherent scatter radar andpreliminary results. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127,e2022JA030451. https://doi.org/10.1029/2022JA0)。
在使用非相干散射雷达进行电离层观测时，可以通过观测得到的功率谱和理论谱进行拟合，进而得到电子密度、电子温度、离子温度和离子视线速度，由于雷达采用相控阵体制，可以在毫秒时间内实现波束的快速转换，在这样的前提下，可以假定电离层参量在一定的空间范围内保持不变，因此可以使用多波束计算一定空间内的离子矢量速度，通过离子矢量速度以及风场和扩散速度等可进一步计算电离层的电场。
现有的相控阵非相干散射雷达只有美国的AMISR和三亚非相干散射雷达，而美国AMISR的两部雷达均位于高纬地区，而三亚非相干散射雷达位于低纬地区。低纬地区和高纬地区的电离层状态不同，在高纬地区，磁力线近似垂直，因此在高纬地区高高度（电离层F层及以上）的离子速度只受电场的影响，因此在地磁坐标系下，通过垂直于磁力线朝东和垂直磁力线朝北的离子矢量速度可以唯一的垂直于磁力线朝东和垂直磁力线朝北的电场，沿磁力线的电场为0，因此可以得到矢量电场的三维分量，同时在高纬地区电离层电场几乎没有垂直高度变化，因此可以直接得到全高度的3个方向的电场。对于低纬地区上述方法不成立，因为低纬地区磁力线近似水平，高高度的离子速度和低高度的离子速度都不仅受电场作用，还受风场、重力和压力梯度力等共同作用，通过三亚非相干散射雷达多个波束的视线速度可以获得3个方向的矢量速度，但是由于矢量速度受电场、风场、重力和压力梯度力共同影响，无法直接通过矢量速度提取出3个方向的电场。
其次受地磁场构型影响，在高纬地区，离子速度量级较大，速度量级为几百米每秒；在低纬地区，离子速度量级较小，速度量级为几十米每秒。高纬地区速度量级大，提取准确的离子速度相对容易，而低纬地区的速度量级小，使用最小二乘拟合获得离子速度误差大，提取准确的离子视线速度难度大。
基于此，本发明提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决非相干散射雷达现有的电离层电场提取方法仅适用于高纬度地区，不适用于低纬度地区的问题，本发明第一方面，提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，该方法包括：
通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；
基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
在一些优选的实施方式中，所述离子动量方程为：
；
其中，表示矢量速度，/>表示矢量风场，/>表示矢量电场，/>表示电荷量，/>表示离子质量，/>表示碰撞频率，/>表示磁场。
在一些优选的实施方式中，将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程，其方法为：
；
；
；
其中，下标表示北向，下标/>表示东向，下标/>表示垂向，即/>、/>表示北向的速度、北向的风场，/>、/>表示东向的速度、东向的风场，/>、/>表示垂向的速度、垂向的风场，/>、/>、/>表示北向的电场、东向的电场、垂向的电场，/>代表磁倾角，/>代表磁偏角。
在一些优选的实施方式中，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程，其方法为：
；
；
；
其中，表示垂直磁力线朝北，/>表示垂直磁力线朝东，/>表示反平行磁力线方向，即/>、/>表示垂直磁力线朝北的速度、垂直磁力线朝北的风场，/>、/>表示垂直磁力线朝东的速度、垂直磁力线朝东的风场，/>、/>表示反平行磁力线方向的速度、反平行磁力线方向的风场，/>、/>、/>表示垂直磁力线朝北的电场、垂直磁力线朝东的电场、反平行磁力线方向的电场。
在一些优选的实施方式中，所述不同方向的风场包括南北向的中性风、东西向的中性风。
本发明的第二方面，提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的系统，该系统包括：
参量获取模块，配置为通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
关系转换模块，配置为基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
矢量速度计算模块，配置为根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
扩散速度计算模块，配置为通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
第一方程构建模块，配置为结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
第二方程构建模块，配置为根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；
电场获取模块，配置为基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
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，所述程序应用由处理器加载并执行以实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
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；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
本发明的有益效果：
本发明实现了低纬度地区的电离层三维矢量电场的提取。
（1）本发明利用三亚非相干散射雷达对亚洲扇区低纬地区的电场进行提取，首次能够定量计算低纬地区对于电离层探测非常重要的电场三维矢量，实现了低纬地区100-500km电场的准确探测；
（2）目前通过测高仪或者GNSS接收机仅能获得电子浓度峰值以下的剖面数据和电子浓度总含量数据，缺乏必要的动力学信息，无法研究快速变化的电离层物理过程及其演化机制。本发明通过三亚非相干散射雷达的获得低纬电离层100km-500km的电场的测量，用于研究各种大气波动上传和电离层响应、耦合和能量传输机制，磁暴期间电离层/热层温度、密度、成分、风场、电场变化、粒子上行和磁层耦合机制等。
（3）三亚非相干散射雷达获得低纬电离层高度的电场，可利用这些参量进行基于电离层理论模式的数据同化模式开发，进行电离层的现报和预报模式开发。本发明利用三亚非相干散射探测系统地处地磁低纬的地理优势及具有连续观测能力的技术优势，获得电场信息，开展大气层/电离层耦合、电离层发电机与喷泉效应、超级电离层暴、低纬电离层/磁层耦合等重大科学问题研究。
附图说明
通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明一种实施例的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法的流程示意图；
图2是本发明一种实施例的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的系统的框架示意图；
图3是本发明一种实施例的地理坐标系下的电场的示意图；
图4是本发明一种实施例的地磁坐标系下的电场的示意图；
图5是本发明一种实施例的东向电场的周日变化的示意图；
图6是本发明一种实施例的北向电场的周日变化的示意图；
图7是本发明一种实施例的垂向电场的周日变化的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中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。
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。
本发明的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，如图1所示，包括以下步骤：
通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；
基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
为了更清晰地对本发明基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法进行说明，下面结合附图对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
本发明基于已经建成的三亚非相干散射雷达，建立了基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。由于美国的AMISR系统位于高纬地区，其可以直接根据矢量速度解算电场。对于三亚非相干散射雷达，其位于低纬电离层区域，低纬电离层变化在全球电离层系统演化中占有十分重要而独特的地位，受磁赤道水平地磁构型的影响，它呈双峰结构，有着全球电离层电子密度最高的区域，具有很强的纬度和高度梯度，同时其对应的离子矢量速度受电场、风场、重力和压力梯度等共同控制，无法通过矢量速度直接解算电场。本申请基于相控阵雷达快速扫描能力，假定在一定空间内电离层参量不变，使用最小二乘拟合得到的离子视线速度，计算得到了全高度的三维矢量速度和风场，在此基础上，依据动量方程首次得到了全高度的三维矢量电场。具体如下：
本发明的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，如图1所示，包括以下步骤：
通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
在本实施例中，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系、全高度三个方向的矢量速度、扩散速度的过程为现有技术，此处不在一一陈述，可参考专利：CN202310627691.7的具体实施方式。
结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
电离层是等离子体层，除受重力和碰撞作用外，还受到电磁力的作用。假设等离子体粒子间的碰撞频率很高，意味着粒子随机热运动的速度完全平衡并可以忽略，可用洛伦兹项表示带电粒子运动的影响。电离层中主要有几种重要的输运过程，1电场使离子和电子运动，其运动特性依赖于外磁场和碰撞频率，从而决定了带电粒子的迁移率和电导率；2中性风拖曳带电粒子运动，E层潮汐风是大气发电机的驱动力，而热层风对F层输运过程起至关重要的作用；3双极扩散，电离层等离子体中电子与离子在重力和各自的部分压力梯度作用下将扩散分离，而它们之间的极化场又保持它们在一起，总的效果是两种粒子将以相同的速度朝某一方向扩散。
在本实施例中，根据离子动量方程及输运过程，去除扩散速度的影响，离子动量方程中只有电场和风场对电离层中电子和离子的作用。依据非相干散射雷达观测的电子温度，离子温度，电子密度以及通过中性模型计算得到的碰撞频率等可以获得准确的扩散速度，扩散速度的方向主要沿磁力线方向。去除扩散速度的影响，离子动量方程变为下式：
（1）
其中，表示矢量速度，/>表示矢量风场，/>表示矢量电场，/>表示电荷量，/>表示离子质量，/>表示碰撞频率，/>表示磁场。
将离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程，其方法为：
（2）
（3）
（4）
其中，下标表示北向，下标/>表示东向，下标/>表示垂向，即/>、/>表示北向的速度、北向的风场，/>、/>表示东向的速度、东向的风场，/>、/>表示垂向的速度、垂向的风场，/>、/>、/>表示北向的电场、东向的电场、垂向的电场，/>代表磁倾角，/>代表磁偏角。
根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；
在本实施例中，第二方程为：
（5）
（6）
（7）
其中，表示垂直磁力线朝北，/>表示垂直磁力线朝东，/>表示反平行磁力线方向，即/>、/>表示垂直磁力线朝北的速度、垂直磁力线朝北的风场，/>、/>表示垂直磁力线朝东的速度、垂直磁力线朝东的风场，/>、/>表示反平行磁力线方向的速度、反平行磁力线方向的风场，/>、/>、/>表示垂直磁力线朝北的电场、垂直磁力线朝东的电场、反平行磁力线方向的电场。
基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
在本实施例中，根据拆分的动量方程可以知道，在已知矢量速度的情况下，每一个方向的电场和中性风需要知道其中一个参量，就可以知道另一个参量，因此通过沿磁力线的扩散速度得到南北向的中性风，进而得到南北向电场（可参考专利：CN202310627691.7的具体实施方式），这里使用理论模型中的东西向中性风作为输入，进而得到东西向电场。这样就可以得到三维矢量电场。
为了证明本发明的有效性，对本发明提取电场的方法进行验证，具体如下：
使用三亚非相干散射雷达进行实验观测，信号波形采用长脉冲，脉冲宽度为480us，采用21波束观测，波束方位角分别为88°，178°，268°和358°，俯仰角为40°，50°，60°，70°和80°，还有一个波束俯仰角为90°。雷达观测时间是从2022年1月26日9：00开始，到2022年2月19号的9点结束。根据前面的公式可以知道，假定速度场在一定的空间范围内保持不变，由多个不同的视线速度可以通过最小二乘拟合得到矢量速度，以2022年2月2日为例进行分析，图3为地理坐标系下的电场图。
由图3可以看出白天电场是东向的，东向电场驱动向上的离子漂移，白天的垂向电场向上，向上的电场驱动西向的离子漂移，其符合电离层形态变化。夜间电场是西向的，西向电场驱动向下的离子漂移，夜间的垂向电场向下，向下的电场驱动东向的离子漂移速度。从图中可以看夜间的电场数据误差相对较大，主要是由于夜间电子密度较低，对应的回波信噪比较弱。从图中24小时的南北向电场可以看出白天是北向电场，夜间是南向电场，以上的观测结果均符合低纬电离层的周日变化。
三维矢量电场其对应的地磁坐标系下的结果绘图，如图4所示，在地磁坐标系下，电场沿磁力线方向的分量为0，电场只有垂直磁力线朝东和垂直磁力线朝北的分量，垂直磁力线朝北的电场驱动垂直磁力线朝西的速度，垂直磁力线朝东的电场驱动垂直磁力线朝北的速度。白天主要是垂直磁力线朝北的电场，夜间主要是垂直磁力朝南的电场。以上的观测结果均符合低纬电离层的形态变化。
为了更清晰的展示电场分量的周日变化，将2022年1月27日0：00开始，到2022年2月18号24点的22天的数据进行绘图，这里取300km高度的电场值绘制线图，东向电场如图5所示。
从东向电场的图中可以明显看出电场的周日变化，白天是东向电场，夜间是西向电场，但是由于雷达观测的夜间数据回波信噪比较低，夜间测量的电场误差较大，波动值较大，白天东向电场的峰值为2mv/m。2月3号-2月6号之间有一个小磁暴发生，因此电场波动较大。
通过北向电场图可以看出，北向电场也同样存在周日变化，白天是北向电场，夜间是南向电场，白天北向电场的峰值为1mv/m。由于夜间信噪比差，雷达的夜间观测数据误差相对较大，如图6所示。
从垂向电场绘图中可以看出，雷达的观测数据呈现明显的周日变化，在磁平静时，垂向电场的峰值是2mv/m，如图7所示。
本发明第二实施例的一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的系统，如图2所示，包括：
参量获取模块100，配置为通过非相干散射雷达ISR探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
关系转换模块200，配置为基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
矢量速度计算模块300，配置为根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
扩散速度计算模块400，配置为通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
第一方程构建模块500，配置为结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
第二方程构建模块600，配置为根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；
电场获取模块700，配置为基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体的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非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的系统，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，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，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，所述程序适用于由处理器加载并实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
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非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，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 (7)
1.一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，该方法包括：
通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程：
；
；
；
其中，表示垂直磁力线朝北，/>表示垂直磁力线朝东，/>表示反平行磁力线方向，即/>、/>表示垂直磁力线朝北的速度、垂直磁力线朝北的风场，/>、/>表示垂直磁力线朝东的速度、垂直磁力线朝东的风场，/>、/>表示反平行磁力线方向的速度、反平行磁力线方向的风场，/>、/>、/> 表示垂直磁力线朝北的电场、垂直磁力线朝东的电场、反平行磁力线方向的电场，/>表示磁场，/>表示离子质量，/>表示碰撞频率，/>表示电荷量；
基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
2.根据权利要求1所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，所述离子动量方程为：
；
其中，表示矢量速度，/>表示矢量风场，/>表示矢量电场。
3.根据权利要求2所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程，其方法为：
；
；
；
其中，下标表示北向，下标/>表示东向，下标/>表示垂向，即/>、/>表示北向的速度、北向的风场，/>、/>表示东向的速度、东向的风场，/>、/>表示垂向的速度、垂向的风场，、/>、/>表示北向的电场、东向的电场、垂向的电场，/>代表磁倾角，/>代表磁偏角。
4.根据权利要求1所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，所述不同方向的风场包括南北向的中性风、东西向的中性风；
其中，南北向的中性风，即南北向风场，通过获得的沿磁力线的矢量速度计算得到。
5.一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的系统，其特征在于，该系统包括：
参量获取模块，配置为通过非相干散射雷达探测得到待提取电场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；
关系转换模块，配置为基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；
矢量速度计算模块，配置为根据所述地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；
扩散速度计算模块，配置为通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、所述电子温度、所述离子温度，计算得到扩散速度；
第一方程构建模块，配置为结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；
第二方程构建模块，配置为根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程：
；
；
；
其中，表示垂直磁力线朝北，/>表示垂直磁力线朝东，/>表示反平行磁力线方向，即/>、/>表示垂直磁力线朝北的速度、垂直磁力线朝北的风场，/>、/>表示垂直磁力线朝东的速度、垂直磁力线朝东的风场，/>、/>表示反平行磁力线方向的速度、反平行磁力线方向的风场，/>、/>、/> 表示垂直磁力线朝北的电场、垂直磁力线朝东的电场、反平行磁力线方向的电场，/>表示磁场，/>表示离子质量，/>表示碰撞频率，/>表示电荷量；
电场获取模块，配置为基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场。
6.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序应用由处理器加载并执行以实现权利要求1-4任一项所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
7.一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；其特征在于，所述程序适用于由处理器加载并执行以实现权利要求1-4任一项所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法。
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| 基于真实地磁场的中低纬电离层电场理论模式;任志鹏 等;《科学通报》;第53卷(第18期);2236-2243页 * |
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