VHF雷达空域干涉法探测曲靖电离层E区场向不规则体精细结构

针对VHF相干散射雷达传统观测方式的探测能力局限,构建了空域干涉法探测实验系统,其具备对电离层场向不规则体(field-aligned irregularity,FAI)三维精细结构探测能力.结合曲靖E区FAI干涉探测实验数据,实现了对系统相位偏差校正及回波三维空间位置精确获取,得到了不规则体云团的三维精细结构以及漂移运动过程,包括FAI回波散射点的三维空间位置以及FAI云团的三维空间外尺度、漂移运动轨迹和漂移速度等.探测实例结果表明:其东西、南北和高度向分布范围分别为-35~20 km、85~120 km和95~130 km,对应的三维外尺度分别为23.8 km、7.6 km和7.6 km;东西向漂移速度要大于其他两个方向,并呈现出5~6 min的准周期回波特征.

基于佳木斯雷达与北海道东雷达观测的F层不规则体回波发生率

利用佳木斯和北海道东高频相干散射雷达的观测数据,对2018年3月至2019年11月期间两部雷达观测到的F层高度的不规则体回波信号发生率的分布特征进行了对比分析。比较了在地磁平静期(Kp<3)和地磁扰动期(Kp>3)的不规则体回波发生率变化特征,分析了回波发生率在昏侧与晨侧增强的现象和纬度变化特征。昏侧回波发生率增强现象在45°-64°MLAT范围内普遍存在,其中55°-64°MLAT的回波发生率在地磁扰动期明显增强。而晨侧回波发生率增强现象主要分布在45°-54°MLAT的地区,除了春秋分季外,地磁扰动的增强对其影响较弱。中纬日侧回波发生率受地磁活动影响较小。

暴时低纬电离层不规则体响应特征的多手段观测

2010年10月11日发生了一次中等强度的磁暴.本文利用三亚(18.4°N,109.6°E)数字测高仪、VHF雷达和GPS TEC/闪烁监测仪数据以及120°E子午线附近我国漠河(53.5°N,122.4°E)、北京(40.3°N,116.2°E)和武汉(30.6°N,114.4°E)的数字测高仪和GPS TEC/闪烁监测仪数据,分析了磁暴期间我国中低纬地区电离层不规则体的响应特征.结果表明:这次磁暴触发了10月11日午夜前后两个时段低纬(三亚)电离层不规则体事件,而在较高的纬度地区(武汉及以北),并没有观测到电离层不规则体与闪烁.在午夜前,电离层不规则体的发生受磁暴主相期间快速穿透电场激发;在午夜后,电离层不规则体受磁暴恢复相的扰动发电机电场触发,该时段伴随行星际磁场北向翻转的过屏蔽穿透电场也可能是扰动源之一.此外,磁暴期间不同尺度的电离层不规则体会伴随发生.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:2.东亚低纬电离层E区准周期回波

中低纬电离层E区不规则体准周期雷达回波现象,在地球不同经度区被观测到并开展了有关研究.本文利用三亚(109.6°E,18.4°N)VHF相干散射雷达2011年2月6日的观测,第一次给出了中国低纬电离层E区准周期回波的发生和变化特征.观测结果表明:准周期回波发生在地方时夜间2100—2200LT的110km高度上,与连续性回波可同时发生;准周期回波斜纹在雷达探测的高度-时间-强度(HTI)图上可延伸5～20km,持续时间为5～15min,回波斜纹高度随时间以20～30m/s下降,斜纹在HTI图上彼此间隔10km和10min左右.此外,雷达回波多普勒谱和雷达干涉分析显示不同高度准周期回波的多普勒速度随高度-时间表现出不同的变化趋势,与回波条纹斜率无明显联系,不同高度准周期回波对应的不规则体在东西方向也表现出截然不同的运动特征.分析结果表明,三亚电离层E区准周期回波的发生可能并不是由散块Es随着中性风周期性的经过雷达探测区域所致,而可能和Es中的扰动结构相关.

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：4.太阳活动低年夏季F区回波

太阳活动低年夏季,低纬电离层F区场向不规则体表现出与太阳活动高年和其他季节明显不同的特征.本文利用我国三亚站(18.4°N,109.6°E,地磁倾角纬度dip latitude 12.8°N)VHF雷达、电离层测高仪、GPS闪烁监测仪和美国C/NOFS卫星观测数据,研究了太阳活动低年夏季我国低纬电离层F区场向不规则体的基本特征.分析发现无论磁静日还是磁扰日,夏季电离层F区不规则体回波主要出现于地方时午夜以后,回波出现的时间较短,高度范围较小,伴随着扩展F出现,但没有同时段的L波段电离层闪烁.太阳活动低年夏季午夜后的低纬电离层F区不规则体回波,可能并不总是与赤道等离子体泡沿磁力线向低纬地区的延伸相关,而可能由本地Es等扰动过程引起.

海南地区电离层不规则体纬向漂移速度的观测和研究

根据中国海南富克(19.3°N,109.1°E)三点GPS观测系统2007年3月至11月的观测数据,利用互相关方法分析了三站闪烁信号的时间延迟,得出了不规则体纬向漂移的基本特征.在中国海南地区,闪烁主要发生在春秋季节,夜间不规则体的纬向漂移速度以东向为主,大小在50～150 m/s之间;平均东向漂移速度随时间呈下降趋势.另外,在闪烁刚发生时,不规则体纬向速度起伏较大,这可能与不规则体的随机起伏以及等离子体泡产生时垂直速度较大有关.中国海南地区不规则体纬向漂移速度的这些基本特征与低纬其他地区的测量结果较为一致.

基于全球定位系统的东亚电离层不规则体特性

利用2003年7月-2005年6月东亚110°E子午线附近的全球定位系统观测资料,对东亚区电离层不规则体形态特性及其随磁纬的变化进行了分析.主要结果表明：在处于磁纬±10°以内的磁赤道区,海南和东南亚台站存在明显的电离层不规则体活动,海南电离层闪烁与东南亚总电子含量起伏活动存在明显的相似性,在两分季明显增强且趋于对称,在两至季明显减弱且呈现一定不对称性,相对于其他季节,6月至季的电离层不规则体活动存在2～3 h的地方时延迟.而处于磁纬±14°以上的低中纬区,电离层不规则体活动会明显减弱,且南北半球呈现明显的形态差异.随着磁纬的增加,北半＋球电离层不规则体活动在两分季迅速减弱直至消失,在夏季相对有所增加;南半球所有季节的电离层不规则体活动会逐渐减弱直至消失.

基于海南VHF雷达观测的低纬E区场向不规则体研究

利用海南VHF雷达(19.5°N,109.1°E;磁纬8.1°N)在2011年7月15—22日期间的连续观测数据,对东亚低纬3 m尺度电离层场向不规则体(FAI)特性进行了分析.主要结果表明,在整个观测期间,E区场向不规则体几乎每天发生,既可发生于夜间,也可发生于白天,且存在各种不同结构.根据E区场向不规则体发生的时间及形态,可将其分为三种结构类型:低部连续型结构、上部下降型结构以及白天连续型结构.这些低纬E区场向不规则体的回波谱特性与赤道电集流(EEJ)和中纬区E区场向不规则体中的2型回波相类似,但其随时间的变化与后两者存在明显差异,且与其他低纬区E区场向不规则体回波存在不同程度的差异.

周期分布不规则体对弹性波的二维散射

建立了一种基于均布线载动力格林函数的周期间接边界元方法(PIBEM),进而研究了全空间中周期分布不规则体对弹性波的散射问题。方法利用平面波入射下,各不规则体周围波场频域内仅相差一个相位的特征,仅需针对其中一个不规则体进行离散和求解,即可求得问题的解;相对于选取有限多个不规则体进行近似求解的方法,该方法具有较高精度的同时,最大限度的降低了求解自由度;在对方法正确性验证的基础上,以全空间中空洞和加塞两种模型为例开展了数值计算分析,重点探讨了空洞形状、空洞间距和加塞刚度等参数对减振效应的影响。数值分析结果表明:周期分布空洞与多个空洞的位移幅值具有差异,且频率低时差异更为显著;三种形状空洞中,周期分布圆形空洞减振效果最佳,周期分布三角形空洞减振效果最差;周期分布加塞与周期分布空洞减振原理不同,加塞通过消耗地震波的能量减振,而空洞通过阻隔地震波减振;周期分布软加塞的消能减振效果优于周期分布硬加塞。

电离层沿场不规则体几何散射模型

电离层沿场不规则体散射具有很强的方向性,利用其进行甚高频(Very High Frequency,VHF)频段超视距通信时,需要准确可靠地确定散射轨迹以及地球上可接收散射信号的范围.文章基于电离层不规则体沿场散射的特点,分析了入射波、散射波及散射点地磁方向之间的几何关系,提出了一种电离层沿场不规则体散射几何分布模型.运用该模型对高中低纬度地区不同高度的电离层沿场不规则体散射进行了计算和分析,并将计算结果与已有文献中的数据结果进行了对比,结果比较一致.该模型能够计算电离层沿场不规则体VHF频段可接收信号的散射轨迹,为VHF散射通信链路的设计、布站提供了依据和技术指导.

一种电离层场向不规则体各向异性散射模型

电离层场向不规则体散射具有很强的方向性,利用电离层场向不规则体散射进行VHF频段超视距通信时,需要准确可靠地确定其散射分布特性及路径损耗等参数.基于电离层不规则体场向散射的特点,以地球地磁场为坐标系统,提出了一种电离层场向不规则体各向异性散射模型,该模型能够计算前向和后向散射链路的路径损耗分布、时延展宽和相干带宽等参数,同时运用该模型对雷达横向截面的计算结果与已有文献的数据结果进行对比,证明了该模型的准确性.该模型能够计算电离层场向不规则体VHF频段的散射分布及路径损耗等参数,为VHF散射通信链路的设计、布站提供依据和技术指导.

论赤道扩展F的密度不规则体(Ⅰ)

本文从等离子体二流体方程组出发,导出适于描述晚间赤道F层现象的DFA模型。证明该模型存在大量偶极涡解。它们可望用于解释赤道扩展F过渡区和中小尺度两区域内存在的大量密度不规则体事实。

论赤道扩展F的密度不规则体(Ⅱ)

本文对等离子体中的电子和离子分别采用流体和动力论描述,导出适于描述夜间赤道F层现象的若干非线性模型。由此证明赤道扩展F小尺度区域可存在大量偶极涡、孤子和孤子链等类型的密度不规则体。

运用平行投射处理某些不规则体的相贯线问题

运用平行投射法建立了空间两形体的拓外对应关系，使空间形体有规律的变形。

曲靖E区场向不规则体回波特征观测研究

利用曲靖VHF相干散射雷达2016年3月至2018年2月间持续观测数据,对电离层E区场向不规则体(field-aligned irregularities, FAI)回波形态特征进行统计分析,结果表明:E区FAI回波在地方时和高度上呈现出三个高发区间,日侧主要位于07:00—12:00LT和90～105 km,而夜侧两个高发区间分别对应于15:00—01:00LT和90～100 km以及18:00—04:00LT和100～115 km;E区FAI回波发生率还具有明显的季节变化,夏季5—8月是其高发期,而冬季的11和12月发生率为极小; E区FAI回波多普勒速度均在-85～85 m/s变化,而其谱宽主要分布在60 m/s以内,三个区间的平均多普勒速度均仅为数m/s,明显小于其平均谱宽,后者约在20～30 m/s.此外,高度分层研究发现,日侧E区FAI的各层平均多普勒速度总体上为负值,但在96 km高度上下薄层内存在一个小幅正值,而夜侧则以105 km高度为界,其上端各层均为负值,下端各层均为正值.曲靖E区FAI表现出典型的Ⅱ型回波特征,其生成和演变过程源自电离层电子密度梯度漂移不稳定性,子午风和低F区电场在其中起着重要作用.

电离层不规则体对P波段星载SAR成像的影响

电离层不规则体导致星载合成孔径雷达(SAR)信号产生幅度及相位闪烁,严重影响低波段星载SAR的图像分辨性能。推导了具有普遍性的幂律谱对应的双频双点互相关函数。基于此研究了电离层对星载P波段SAR分辨性能的影响及其规律。研究表明,电离层不规则体导致星载P波段SAR两维分辨率恶化,图像峰值增益损失严重。电离层不规则体强度,谱指数,外尺度等参数的增大都会导致星载SAR图像分辨率及峰值增益进一步下降。基于相位屏技术的数值仿真结果验证了本文研究。

不同尺度低纬电离层不规则体漂移特性的观测研究

利用我国三亚站GPS短基线接收机阵以及VHF电离层相干散射雷达多波束扫描模式进行同时观测,对2011年10月22日至29日夜间两种不同尺度电离层不规则体的纬圈漂移速度进行比较研究.结果表明,两种不同手段观测的不同尺度不规则体漂移速度,在大小、变化趋势以及时间范围上基本一致.不规则体产生在20:00LT(LT为北京时)左右,以100～250m/s的速度东向漂移,并且速度幅值起伏较大;在不规则体发展中后期(21:00LT以后),东向漂移速度减低到50～150m/s,并延续至午夜.两种手段观测的漂移速度差异,一个重要原因可能来自于两者观测范围的不同.此外,GPS短基线接收机阵观测的400米尺度电离层不规则体通常比VHF雷达探测到的3米尺度电离层不规则体存在的时间要长.

基于COSMIC资料分析电离层F层不规则体结构

根据电离层不规则体的产生会导致周围电子浓度发生起伏变化的原理,利用2007年COSMIC掩星系统的TEC数据,通过平滑滤波得到TEC的扰动值ΔTEC的变化,利用其研究F层不规则体的时空变化特征.统计结果表明：扰动较大的掩星事件主要发生在磁纬±20°之间和高纬地区,春季和秋季带状分布较为明显,不同经度地区较强扰动的掩星事件的分布也有不同特征;较强ΔTEC的掩星事件主要发生在地方时午夜前和午夜后两个时段,发生的高度主要在250～400km范围内.这些结果与已知的F层不规则体的时空分布特征较为一致,说明利用TEC的扰动量来分析电离层F层不规则体结构是可行的.

海南VHF雷达观测到的低纬F区电离层场向不规则体事件分析

中国海南VHF雷达具有快速扫描观测及对电离层不规则体进行二维成像的能力.采用时间序列上的连续观测,可以获得场向不规则体发展变化的一系列二维空间图像.本文对海南VHF雷达2011年10月27日夜间观测到的电离层不规则体事件进行分析,主要结果表明,本次观测到的不规则体可分为三个阶段.在初步形成阶段,不规则体开始出现时非常微弱,发展变化很慢,主要表现为向上可扩展,持续时间约14min.在扩大增强阶段,不规则体快速向上并向两侧扩展,持续时间约14min;不规则体强度前期迅速增大,后期略有减弱,空间尺度达200km以上.在东漂离开阶段,不规则体强度进一步减弱,扩展面积达到最大,主要表现为东向漂移,持续时间近30min.这次观测首次给出了海南地区上空电离层不规则体的形成和发展过程.结合其他台站的观测进行对比分析发现,海南观测到的雷达羽与其他地区的雷达羽具有明显不同,海南地区的雷达羽特性及其对应的物理过程有待进一步观测研究.

基于多种观测手段的东亚低纬电离层不规则体事件分析

利用海南台站(19.5°N,109.1°E, dip:13.6°N)和磁赤道区的多种地基和天基观测数据,对2011年11月20日观测到的电离层不规则体事件进行了分析.海南台站VHF雷达、电离层闪烁和数字测高仪的综合观测结果表明,当天日落附近发生了强的电离层不规则体事件,主要表现为雷达羽和强闪烁的形态.结合磁赤道区GPS和C/NOFS卫星观测结果进行分析可知,海南台站日落附近出现的雷达羽和强闪烁与南海磁赤道区产生的主等离子体泡存在明显联系.