曲靖非相干散射雷达功率剖面的初步观测与分析

介绍了非相干散射雷达功率剖面与电离层电子密度剖面之间的关系,给出了曲靖非相干散射雷达功率剖面的一些观测结果,结合电离层垂直探测数据,初步介绍了曲靖非相干散射雷达在夜间电离层波状扰动、低纬电离层异常区北驼峰位置、电离层电子密度日落增强和暴时变化等观测研究中的应用.本文结果丰富了对我国曲靖地区电离层空间天气特性的认识,显示了该雷达在我国低纬电离层空间天气观测研究中的良好应用前景.     

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。     

与地震相关的电离层三频信标CT诊断——实验及初步结果

已有研究表明地震发生前会出现电离层电子密度异常。三频信标探测通过对电离层进行快速扫描,反演得到电子密度的空间分布,能够更清晰地反映地震电离层异常特征,目前用于地震观测的三频信标观测刚刚开展。本研究介绍一种基于三频信标的电离层反演算法,采用120°E观测链的数据进行电离层层析成像,并与电离层垂测观测结果进行对比,研究观测链路上低纬和高纬电离层的时变特征。结果表明,本研究采用的电离层层析方法获得的F2层电子密度相对于初始输入的IRI模型更接近垂测观测,达到了一定的反演精度,可反映电离层的空间及时间变化特征。     

雷达探测仪对月球次表层结构的探测模拟方法

在月球探测中,星载高频雷达探测仪(HF Radar Sounder)通过月球表面天底点和次表面天底点的回波时延差与强度探测月球分层结构.电磁波在月球分层结构内散射与传播的建模与模拟,对于从雷达探测仪回波中提取微弱的次表面天底点回波,获取次表层结构信息等有重要的意义.本文基于粗糙面散射的Kirchhoff近似与几何光学射线追踪,提出月球分层结构雷达探测回波的模拟方法.根据月球表面地形特征,由规则三角形网格对月表面地形进行数值剖分,数值计算月球表面与次表层面的雷达回波,模拟绕月飞行的星载雷达探测仪对月球表面与次表层结构的探测图像,分析月球表面特征性物理参数对回波的影响.本文所述方法也可以应用到火星等其他外星球次表层结构的探测中.     

基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔~150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

高纬电离层气候学特征研究--EISCAT雷达观测及与IRI模式的比较

利用1988～1999年欧洲非相干散射EISCAT（European Incoherent Scatter）雷达观测数据,对不同太阳活动周相、不同季节的极光椭圆区电离层F区电子密度进行统计分析,研究其气候学特征,并与IRI 2001模式比较.EISCAT观测到的电子密度显示出显著的太阳活动高年“冬季异常”和太阳活动低年半年变化等现象.EISCAT实测电子密度随时间和高度的平均二维分布和500 km高度以下总电子含量TEC,从总体来看与IRI 2001模式预测结果符合较好.但高年在TEC达到最大值前后,IRI 2001模式预测的电子密度高度剖面与EISCAT观测结果有显著差别：F2峰以上IRI 2001模式预测的电子密度过大,造成TEC明显高于雷达观测值.另外,在太阳活动下降相,EISCAT观测显示出明显的半年周期季节变化特征,但IRI 2001模式未能预测出此下降相季节变化.     

基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔～150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

基于CFAR的三亚非相干散射雷达数据预处理研究

三亚非相干散射雷达是一部位于低纬度地区的先进的相控阵雷达系统,其主要任务是对地球电离层进行观测研究.在其探测区域内有许多航天器及碎片飞越,这些硬目标的存在导致回波信号比电离层非相干散射信号强度高出几个量级,进而影响电离层参量反演.为了有效消除原始数据中的硬目标信号,本文采用CFAR (constant false alarm rate)的方法来检测和消除硬目标.由于电离层背景不稳定,我们提出了基于传统OS-CFAR的自适应VI-OS-CFAR算法.在本文中,我们将新算法与传统的四种算法进行比较并将其应用于三亚雷达观测的数据处理中,结果证明了我们方法的有效性,该方法有望应用于三亚非相干散射雷达实际信号处理中.     

2002年10月Millstone Hill地区电离层暴时特性研究

磁暴期间电离层行为是电离层物理的重要研究内容.本文利用美国Millstone Hill非相干散射雷达以及GPS-TEC数据资料,分析了2002年10月13-17日和22-26日磁暴事件期间电离层电子密度响应在不同高度存在的差异.结果表明：正、负相暴电子密度的变化幅度随高度变化趋势相同,但不同高度上响应的时间、相位和幅度存在差异;负相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值非常吻合,二者有很好的线性关系,但正相暴最大变化幅度所在高度值同静时峰高值无关,波动较大,意味着电离层正相暴响应更易到达各个高度上;特别地,22-26日负相暴在能量初次耦合进入电离层时高高度有极小的变化,其最大绝对变化量仅为低高度的4%.大气成分和风场的共同作用是两次负相暴发生的主要原因,但前者成分效应明显,后者动力学作用明显,有时甚至700 km以上电离层的贡献也是不可忽略的.     

磁暴期间极光椭圆与极盖区电离层效应比较研究——F区负暴

联合利用EISCAT和E-Svalbard非相干散射雷达数据,研究l997年5月强磁暴期间向阳侧极盖与极光椭圆区电离层F区负暴.发现在磁暴主相和恢复相初期,极光椭圆和极盖区电离层都在大约l90km高度出现类似F1的峰,F2主峰完全消失,F区电子密度大幅度下降.但离子温度的变化在两个区域很不相同,在极光椭圆区大幅度升高,而在极盖区没有显著变化,反映出引起F区负暴的主要机制在两个区域不尽相同.强对流电场引起大气焦耳加热与离子增温而使O+离子消失的化学反应速率增大所导致的电离损失,对极光椭圆区负暴起主要作用;而输运过程,特别是持续长达数小时的沿场上行离子流,对极盖区负暴起重要作用.磁暴主相期间,当EISCAT雷达位于等离子体对流涡旋转换区下方时,在无焦耳加热与离子摩擦增温的情况下,观测到由顶部电离层O+离子沿场高速外流引起的F区电子密度耗空.     

曲靖非相干散射雷达电离层F区日间电子温度变化特征初步分析

利用曲靖非相干散射雷达2017-2018年春夏季观测数据首次分析了电离层日间150~450km电子温度的地方时与高度变化特征及其与电子密度的相关性.发现hmF2及以上的电子温度在日出日落时具有两个峰值,在11∶00-16∶00LT之间变化较小,高度越高午后上升的时间越早;从150km开始迅速增加,在约220km达到最大值,然后开始降低,在约300~350km达到最小值,最后单调上升;200km以下电子温度与电子密度成正相关(主要由热传导控制),200~450km之间存在明显的反相关(光电离过程占主导),电子-离子温度差与电子密度对数之间存在近似线性关系,电子温度逐日变化与光电离因子的变化趋势相似,这种相关性在中午与午后更明显;以上结果与其他非相干散射雷达观测和电离层模型计算结果基本一致,但也存在一些差别,需要结合更多数据深入分析.     

东亚赤道异常区电离层CT诊断──实验及初步结果

国际上第一个低纬电离层层析（ＣＴ）探测台链于１９９３年１１月建成，并开始数据采集．该ＣＴ台链沿１２０°Ｅ子午圈由６个卫星信标差分多普勒接收站组成，北起我国上海，南至菲律宾的马尼拉，纬度覆盖范围约２０°．该台链专为电高层赤道异常区电子密度大尺度结构ＣＴ成像而设计，其目的是监测研究赤道异常形态与动力学、电离层等离子体泡、行优以及暴时磁层－电离层－热层耦合过程等重要的赤道与低纬区电离层现象．本文介绍该低纬电离层ＣＴ实验的有关技术问题，包括接收台站布设、实验设备、数据采集软件和数据预处理方法．文中还给出利用ＣＴ技术，由实测斜电子含量数据反演电离层电子密度二维分布图像的几个实例．结果表明，利用低纬电离层ＣＴ台链可以有效地监测电离层赤道异常及其它低纬电高层电子密度大尺度结构的时空变化．     

电离层加热实验中超强电子密度增强特征

2011年11月利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的大功率加热设备和诊断设施开展了挪威高纬度地区电离层加热实验. 在此次加热实验中, UHF雷达探测到了十分明显的电子密度增强现象, 反射高度附近电子密度最大增幅可达269.3%, 而在远离谐振区的300~500 km及以上高度的增幅也可达30%~50%. 通过对加热前后离子线谱和数据残差的对比分析, 表明300~500 km的电子密度增强是真实可信的, 在如此大的空间范围出现增幅如此大的电子密度增强特征实属罕见. 另外通过对等离子体线谱的分析, 得到了等离子体线双谐振峰结构, 本文利用电子的速度分布函数和等离子体线谱之间的关系, 对加热实验中观测到的等离子体线谱进行了仿真, 提出了超热电子是引起本次电子密度增强的可能机制. 并利用仿真中所使用的超热电子速度参数对超热电子的电离能力、横向和纵向自由程进行了计算, 最终验证了所提出的物理机制的合理性.     

1986年2月特大电离层暴的动力学表现

1986年2月的太阳耀斑爆发导致了强烈的磁暴和电离层暴。 对我国多个台站有关电离层观测记录的分析表明:这次电离层暴呈现出显著的纬度效应,井在武昌、广州等地区形成了明显的“暴中心”。在暴变期间,伴随有大尺度的TID。在某些时段内,F区电子密度剖面产生了特殊的畸变。 对暴变形态特征及其形成机制进行了一些初步讨论。     

应用经验正交函数估算顶部电离层电子密度剖面

本文基于IRI模型、地面数字测高仪和GNSS TEC数据,提出了一种利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,简称EOF)估算顶部电离层电子密度剖面的方法,并将其应用于美国Millstone Hill测高仪和GNSS数据以估算顶部电离层电子密度剖面.通过将估算的临界频率、峰值高度、400km以上电子密度分别与测高仪实测临界频率、测高仪实测峰值高度以及非相干散射雷达实测400km以上电子密度作对比以对方法的有效性进行验证.统计结果显示估算临界频率、峰值高度与测高仪实测数据基本一致,400km以上估算电子密度相较于非相干散射雷达实测的绝对误差平均值仅是测高仪推算400km以上电子密度绝对误差平均值的一半左右.所以本文提出的方法可以更加精确地估算顶部电离层电子密度.     

月球就位光谱和雷达遥感科学研究进展

本文对月球就位光谱和雷达探测的科学研究进展进行综述,着重介绍了嫦娥三号和嫦娥四号探测器在月表巡视探测过程中获取的重要成果.光谱探测包括月表物质组成、光度特性、太空风化信息和热辐射特征等方面.雷达探测包括月表浅层结构探测、月表之下空洞/熔岩管道的探测和月壤介电特性参数反演.最后对月球就位光谱和雷达探测的发展趋势进行了展望...     

基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.     

一次中强磁暴期间低续电离层响应的CT成像

为考察赤道异常区电离层对中等强度磁暴的响应特性,用电离层ＣＴ成像方法重建电离层电子密度二维剖面。重建结果表明,暴时低纬电离层电子密度以降低为主,但暴相随纬度和高度而异;磁暴期间,赤道异常峰结构仍然存在,但恢复相期间峰的位置向赤道移动;磁暴急始之后约２０ｍｉｎ,在赤道异常峰区出现电子密度深度耗空,这种耗空遍及从底到顶的整个Ｆ区,朝赤道一侧显现水平梯度非常大的陡壁。这种与磁暴急始相联系的电子密度深度耗     

用非相干散射雷达链的观测资料研究高、低纬电离层间的耦合

本文用美国NCAR非相干散射雷达链的观测资料进行了两个事例分析。结果表明,在所选事例的中、弱磁扰期间,高低纬电离层间以动力耦合效应为主,即扰动电离层发电机的特征较明显。由于赤道电离层特性和赤道站雷达观测灵敏度较高,从而也观测到与扰动电场从高纬直接穿透过来相关的电动耦合现象。最后,对有关的物理过程进行了讨论。     

低太阳活动期间极区ELDI的EISCAT/ESR雷达观测

本文利用2009—2011年EISCAT/ESR雷达的场向观测数据,统计研究了低太阳活动期间极区E层占优电离层(ELDI)事件的发生规律及其主要特征.地面雷达观测表明,极区ELDI表现出明显的季节变化特征:在冬季和早春发生率较高.EISCAT雷达(极光椭圆纬度)观测到的ELDI多出现在磁午夜扇区,平均持续30 min;ESR雷达(极尖/极隙区纬度)观测到的ELDI多出现在磁正午附近,平均持续14 min,表现出与之前无线电掩星观测结果不一致的日变化特征.在ELDI事件期间,两处雷达观测到的电离层N_mE/N_mF₂比值和E层厚度都没有表现出显著的空间差异.事例分析证实E层电子增强和F层电子密度耗空都能够独立地导致ELDI,然而,统计分析表明上述两个过程对ELDI的形成都起着不可或缺的作用.