敏捷数字电离层测高仪系统研制及初步观测

在小型天线和低发射功率条件下,保证电离层测高仪观测数据质量和提高观测速度一直是电离层垂测的技术难点.针对这一问题,基于新近发展的高速数字芯片和射频器件,采用窄带跟踪滤波、脉冲压缩、编码复用和天线均衡匹配等技术,设计和研制一种敏捷数字电离层测高仪.该系统采用数米高的小型收发天线和便携式主机系统,配置任意频率扫描方式频高图、高分辨率多普勒频高图和斜向探测等多种工作模式,具有可流动观测布站、系统参数灵活捷变及适合快速电离层扰动探测等能力.敏捷数字电离层测高仪为组网观测获得大范围电离层时空变化和电离层快速扰动及传播提供了一种有效的探测手段.

CAS-DIS数字电离层测高仪系统研制

提出了将射频直接采样数字化的接收方式应用于数字电离层测高仪系统的设计方案,并详细介绍了该方案在CAS-DIS(Chinese Academy of Sciences,Digital Ionosonde)电离层测高仪系统的应用,给出了CAS-DIS电离层测高仪在中国武汉电离层探测标校试验场和武汉-北京斜向电离层探测系统中的实验结果.观测结果表明,采用本文提出的数字化方案设计的电离层测高仪系统性能优越,且可以分别工作在垂直和斜向探测模式,满足了电离层探测的多种应用需求.

DGS-256电离层数字测高仪的升级与联网

随着网络通信技术的发展 ,通过电离层测高仪的联网提供电离层实时数据 ,已成为当前国际上电离层观测技术的发展趋势。文中介绍了为实现电离层频高图数据自动度量和联网 ,对武汉 DGS- 2 56电离层数字测高仪进行升级改造的技术方案和实施方法。通过系统升级改造后 ,不仅实现了武汉上空电离层数据实时在网上发布 ,而且还可在网上对数字测高仪进行远程控制。

用数字测高仪漂移测量研究电离层声重波扰动

数字测高仪Digisonde中的漂移测量,常用来研究小尺度电离层扰动,如电离层小不均匀体的漂移。文中提出一种新的分析方法,利用漂移测量数据中多普勒频移和到达角参量的最大熵动态功率谱,估算声重波一类大尺度电离层扰动的水平传播速度和传播方向。作为实例,研究了Millstone Hill测高仪站的漂移观测资料,并对处理结果进行了初步分析。分析结果表明,从数字测高仪漂移测量数据中,可有效地提取声重波一类大尺度电离层扰动的传播参量,在电离层动力过程的研究中很有意义。

2014年黑龙江漠河站电离层数字测高仪数据集

电离层测高仪是最常用的地基电离层观测设备之一。子午工程中,中国科学院地质与地球物理研究所在黑龙江漠河台站(122.3°E,53.5°N)建成了我国最北端的电离层数字测高仪,不间断地积累电离层常规探测数据,有力地支撑了我国电离层区域特性和扰动传播的观测研究。本数据集包含2014年全年漠河站DPS4D电离层数字测高仪观测的原始电离层频高图数据和自动度量分析的电离层参数数据。本数据集原始观测精确可靠、数据记录完整连续,可为中纬电离层空间天气学和气候学研究提供重要数据支持。

基于数字测高仪和GPS观测的三亚地区电离层-等离子体层总电子含量特征分析

基于2012年海南三亚台站(18.34°N,109.62°E)的数字测高仪和GPS观测资料,分别研究了数字测高仪和GPS反演得到的总电子含量、等离子体层总电子含量(PTEC)的变化特征.结果显示:GPS观测得到的总电子含量(GTEC)与数字测高仪观测得到的总电子含量(ITEC)的变化特征一致,PTEC和PTEC占GTEC的百分比变化具有明显的日变化特征.PTEC数值在3~22 TECU(1 TECU=10^(16)el/m^2)范围内变化,PTEC的极大值大约出现在地方时日落时分,PTEC极小值大约出现在地方时日出时分,PTEC占GTEC百分比在夜间一般能达到40%左右,甚至能达到80%,白天一般在20%以下.

电离层数字测高仪实时控制处理系统

电离层数字测高仪是地面观测研究电离层的主要常规设备,在电离层无线电探测与诊断中发挥着重要作用。本文利用CADI电离层数字测高仪硬件平台,开发并实现了电离层数字测高仪实时控制处理系统。实验观测结果表明:新开发的CADI电离层数字测高仪实时控制处理系统界面友好,操作方便,运行可靠,系统采集数据准确连续,完全满足电离层观测研究需要。

电离层数字测高仪中的脉冲压缩技术及其FPGA实现

使用现代雷达信号处理系统中广泛应用的数字脉冲压缩技术,在FPGA硬件平台上设计实现了电离层数字测高仪接收机模块中用于对13位巴克码进行解码的相关运算电路,解决了电离层数字测高仪中目标作用距离与距离分辨率之间的矛盾.实验结果表明:基于FPGA的相关运算电路处理速度快,精度高,实时性好,完全满足电离层数字测高仪对解码电路的性能指标和技术要求.

数字式测高仪对电离层行扰的观测

本文报告了数字式测高仪对新乡上空电离层行扰的观测结果。声重波引起电离层波动,主要表现在虚高波动、真高波动、f_0F_2波动、M(3000)F_2波动、本地电子浓度波动。八月三日至七日白天的观测结果表明,大尺度的行扰经常出现,使其f_0F_2低于正常值5%以上的时间占观测时间的40%。当声重波的波峰到达时,F_2层峰值附近的高度上升30—50公里,F_2层的电子浓度下降20%—40%。本文给出的大尺度行扰的周期为30—120分钟,水平传播速度大约为500米/秒。

基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计

为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1~30 MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5 km,探测周期小于2 min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.

敏捷数字测高仪正交有源环天线设计与应用

为减少接收天线占地面积,降低架设难度,实现敏捷数字电离层测高仪的流动组网观测,设计了一种可用于1 MHz^30 MHz电离层回波探测的小型正交有源环天线,配合敏捷数字电离层测高仪,组成了具有多种工作模式的电离层高频回波探测系统.测试结果表明:该正交有源环天线与传统的正交折合偶极子天线相比,接收到的频高图质量基本相当,均可接收到电离层多次回波并区分电离层回波的O波与X波.结果表明:正交有源环天线在保证探测频高图质量条件下很好地解决了接收天线小型化问题,具有性价比高、架设简单的优点.为观测场地受限及需要临时流动观测的实际应用场景提供了良好的解决方案,具有广阔的应用前景.

中国上空夜间电离层等离子体泡群演化过程的多设备观测

利用子午工程富克站(19.5°N,109.1°E)全天空气辉成像仪、VHF雷达、三亚站(18.4°N,109.6°E)数字测高仪及C/NOFS卫星观测数据,对2014年3月30日中国上空的等离子体泡进行了研究。结果表明,当天夜间观测到一个等离子体泡群,约由9个等离子体泡组成,发生在日落后,一直持续到午夜后。其自西向东运动,南北向最大尺度超过1200 km,东西向绵延超过1400 km,在演化中部分结构融合在一起。等离子体泡被气辉成像仪观测到的同时,数字测高仪及VHF雷达观测到了相应扩展F及羽毛状不规则结构。同时,C/NOFS卫星检测到相应电子密度耗散。这表明,该等离子体泡同时被地基光学观测、无线电探测及C/NOFS卫星观测到。研究结果给出了多仪器同时观测到的等离子体泡群演化过程,丰富了多仪器融合研究电离层不规则体的内容。

基于CMONOC建立和评估中国区域电离层模型

利用中国地壳运动监测网络CMONOC中85个测站的GPS观测数据,建立3种常用的区域电离层模型:多项式函数模型(polynomial model,POLY)、低阶球谐函数模型(low-degree spheric function model,LSF)和球冠谐函数模型(spheric cap harmonic model,SCHA),并利用数字测高仪和GPS实测数据对3个模型进行评估和比较。与数字测高仪数据的比较表明,3个模型能够较为准确地反映VTEC的变化趋势,证明了模型的有效性。与GPS实测数据的比较表明,3个模型中平均精度最高的是低阶球谐函数模型,其次是多项式模型,最后是球冠谐模型,其RMS和STD平均值依次为3.48 TECu、3.03 TECu、3.54 TECu、3.00TECu、3.82TECu、3.25TECu。利用GPS实测数据计算GIM(global ionospheric maps)模型的精度,结果显示,3个模型的BIAS均比GIM模型大,但是其RMS和STD小于GIM模型,显示了区域模型精度较高的稳定性。由各个模型与GIM模型的VTEC差值格网图可知,3个模型在建模区域的中部精度较高,多项式模型在边界有较明显的边际效应。

软件无线电在电离层电波探测中的应用

提出了应用软件无线电发展新的电离层电波探测技术 ,开发新一代电离层电波探测设备的思想 ,并针对广泛使用的电离层探测设备数字测高仪 ,详细讨论了软件化数字测高仪的系统结构、特色和可行性。结果表明 :发展新的软件化电离层电波探测设备的理论和技术条件均已成熟 ,它所具有的开放性和灵活性 ,能更好的满足二十一世纪电离层空间大气研究的需要。

峰年期间北京数字测高仪观测(英文)

电离层数字式测高仪DGS—256在北京海淀小牛房地区进行试验观测。本文初步分析1988—89年冬季观测的几例,说明峰年期间北京上空电离层的某些特点。 1、电离层吸收变化与太阳耀斑活动的联系。 DGS—256频高图反映的是E区、F区回波幅度的变化。1989年1月12日、13日的回波幅度变化曲线与耀斑活动相对照表明:12日0417(UT)至0500小耀斑,几乎同时回波幅度发生5—7db下降,延续时间约二小时。13日发生四次耀斑,一次较大的开始于0829(UT),结束于1223(UT) 其整个平均值(虚线所示)较12日低约8db,夜间形态差别也较大。大约从1100(UT)开始,回波幅度明显下降,并持续几个小时。这次下降滞后耀斑三小时。12日和13日吸收变化与耀斑时间差的不同,可能与耀斑在太阳面上的位置有关。 2、冬季中纬地区扩展F现象:扩展F与太阳活动高年为负相关,这是由于黑子最大值时,电离层不均匀结构多发生在F层峰值以上区域,不能在底部频高图上产生扩展效应。北京磁纬近30°,1988年11月连续两天出现中纬地区少见的扩展F。10日的一次开始于本地时间21时,延续至清晨5时;11日开始于午夜后1时,也延续至5时。其形态既不同于常见的赤道型的高程扩展;也不同于极光区型的频率扩展,而是混合型。这似乎是北京地区的一种特别形态。 3、电离层扰动演变:12?

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.

低纬电离层等离子体块相关等离子体泡演化期间的虚高变化

针对东亚地区地磁低纬度南北半球Vanimo台站(地理2.7°S,141.3°E;地磁11.2°S,146.2°W)和海南台站(地理19.5°N,109.1°E;地磁9.1°N,179.1°W)上空的3个电离层等离子体块与等离子体泡相关联的事件,利用地面台站的电离层测高仪连续观测数据,研究等离子体泡演化期间的电离层虚高变化。结果表明:以往提出的等离子体块出现约2 h之前等离子体垂直漂移速度从向上(东向电场)转为向下(西向电场)的观点,本文的3个事例均与之不符,或者距反转时间很远(约6 h),或者由向下转为向上。在等离子体块形成时间点前的1 h内,均有突发的等离子体堆积的运动趋势,或是下降运动速度突然变慢,或是从下降转为向上运动,或是上升运动速度突然加快。这一堆积现象与等离子体块现象相关性更好,也不仅限于漂移速度从向上转变为向下。

中科院空间中心低电离层电场火箭试验研究获突破

中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的研究人员利用子午工程探空火箭上搭载的空间电场仪和DPS-4数字测高仪获得的测量数据,首次获得并分析了东亚地区电离层电场的直接测量数据,首次获得了近赤道区约100km^200km高度范围内电场的特征;

武汉上空偶发E层与流星雨的联系

利用全天空流星雷达和数字测高仪联合观测数据,初步分析了武汉(30°32′N,114°22′E)上空2002年3次大的流星雨(英仙座、狮子座、双子座)及2003年象限座流星雨爆发期间Es的出现率变化趋势及其与流星观测量的关系.结果表明,在流星雨爆发时,雷达观测到的流星数目会显著增加;流星雨峰值过后,Es出现率也会增大.流星数和Es出现率间的平均互相关函数有两个峰值,第一个峰值平均出现在流星雨爆发后的第2天前后,第二个峰值平均出现在流星雨后第6天前后.我们认为,第一个峰值对应于流星雨期间的大量流星雨电离产生的Es,第二个峰值对应于流星雨后沉积的金属离子在风剪切作用下形成的Es.