一个中纬电离层E层理论模式

本文建立了一个中纬电离层E层理论模式.该模式从NO+ ,O2+ ,O+ 和N2+ 这四种主要离子的连续性方程出发,通过数值模拟得到中纬电离层E层电子和各种离子密度随时间和高度的变化情况.计算结果能较好地反映出E层电子密度峰值(NmE)或E层临界频率(foE)的日变化、季节变化以及随太阳活动的变化趋势.将模式的计算结果与武汉地区测高仪的观测数据进行比较,结果证明模式能够较为客观地反映中纬电离层E层的实际形态.针对以往电离层E层理论模式存在的主要问题,本文还进一步讨论了几种重要因素,包括二次离化源,λ<15 0 谱段的辐射通量,吸收截面以及NO分布对于模式计算结果的影响.

电离层E层对星地量子密钥分发特性的影响

研究了采用3种不同波长信号进行通信时电离层E层对星地量子密钥分发系统特性的影响。首先,建立了电离层E层的传输模型,并得到了电离层E层的链路衰减计算式;分析了太阳天顶角和信号传输距离对3种波长信号链路衰减的影响。通过仿真实验分析了信道容量、纠缠保真度、量子误码率以及安全密钥率随太阳天顶角和信号传输距离的变化关系。结果表明,在实际应用中,为了获得较好的量子通信特性,推荐使用短波长量子信号,并尽量避免在中午前后传输量子信号。

我国中低纬地区电离层f_(o)E经验模型初步研究

利用电波环境观测网中低纬地区(以满洲里、重庆、昆明、海口为例)电离层f_(o)E数据,参照前人工作,分析了f_(o)E月中值与太阳活动指数、太阳天顶角的变化关系,建立了我国中低纬多个地区的f_(o)E月中值经验模型.结果表明:f_(o)E月中值与F10.7存在很强的相关性(相关系数大于0.9);与正午太阳天顶角余弦存在反相关性(相关系数绝对值大于0.7);与实测数据对比发现本文模型计算值标准偏差小于0.1 MHz,优于国际参考电离层(international reference ionosphere,IRI)模型.本文研究对于IRI模型改进与我国区域电离层经验模型研究建立具有重要意义.

利用电离层Es层进行通信

介绍了一种新的通信方式,利用电离层突发E层(简称Es层)进行无线通信.利用Es层进行通信具有信号质量好,通信设备简单轻便,天线发射功率小等优点,这为现代舰船上由于天线大发射功率所造成的设备与系统级电磁兼容性和电子武备以及工作人员安全性问题的解决提供了一个好的思路.

含突发E层的电离层模型建立及其在测高中的应用

针对高频射线测高模型未考虑电离层突发E层(sporadic-E,Es层)的问题,从电离层物理结构特性入手,结合实测的电离层垂测数据,在多层准抛物模型的基础上研究了含Es层的电离层模型及其在目标高度测量中的应用.首先,利用反转抛物线特性模拟了含Es的电离层模型,并得到了等离子体频率与高度的关系;然后,利用该模型分析了射线的电离层传输路径与发射仰角/频率的关系以及高频射线微多径特征与目标高度的关系;最后,结合含Es的电离层模型与射线微多径特征,提出了基于分段爬山搜索的快速匹配域测高方法,该方法能大大减少搜索时间.研究结果表明:含Es的电离层模型和提出的测高方法能准确估计出目标高度,并具有较强的实时性.

电离层E/F层闪烁对GPS TEC变化率的影响

电离层闪烁是一种能够降低导航性能的自然现象,主要发生在极区和低纬度地区电离层的不同高度层中,包括E层和F层。为研究电离层E/F层闪烁对地面站估算的GPS总电子含量(TEC)变化率指数(ROTI)的不同影响,借助COSMIC观测系统以及高速率GPS双频大地测量数据展开详细分析,同时也探讨GISM模型对其的预测能力。结果表明:电离层E层发生强闪烁(S4> 0.6),GPS ROTI未发生较大变化(ROTI≈0.02 TECU/min);而F层发生强闪烁时,ROTI则出现明显变化(ROTI≥2 TECU/min);GISM模型能够预测香港区域电离层夜间发生的强闪烁(预测值S4≥0.6),但对于白天发生的闪烁模型预测S4结果均为0,此外,GISM模型预测结果中对电离层E/F层闪烁并无区分。

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.

高频地波雷达中电离层E_s层杂波分析及其抑制

针对电离层杂波这一目前限制中远程高频地波雷达发展的主要因素,分析了突发E层(Es)杂波的信号特征.观察到电离层Es层杂波会在1d内多个时间段出现,每次持续时间为2～3h,且历经由单分量时频分布到扩展型散乱分布的变化.Es层杂波在能量上显著高于雷达海洋回波,且在距离上的相关性明显高于海洋回波,据此提出了杂波抑制的距离相关对消法,利用相邻距离元上回波信号估计杂波子空间,对杂波进行正交投影滤波.雷达实测数据处理结果表明上述分析和杂波抑制方法是正确和有效的.

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30min;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14min,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NmE/NmF2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.

极区ELDI随太阳活动的变化特征——EISCAT/ESR雷达观测

利用1999—2011年EISCAT(EISCAT Troms? UHF)和ESR(EISCAT Svalbard Radar)雷达的场向电子密度观测数据,对比分析了两处雷达观测到的极区E层占优电离层ELDI(E-Layer Dominated Ionosphere)事件在太阳活动高、低年的统计特征。地面雷达观测表明,太阳活动水平对极区ELDI发生率的空间分布影响显著:在太阳活动高年,ELDI在EISCAT雷达处(极光椭圆区纬度)的发生率高于ESR雷达处(极尖/极隙区纬度);在低年则恰好相反。夏季似乎不利于ELDI的发生,且在该季节的变化特征不受太阳活动水平及空间位置变化的影响。两部雷达在太阳活动高年观测到ELDI的季节变化规律分别与低年期间的结果相一致:在冬季和早春,ELDI的发生率较高,其他季节发生率较低,夏季尤其低。在ELDI事件期间,两处雷达观测到事件的持续时间和电离层E层厚度随太阳活动水平的变化表现出明显差异:高年事件的持续时间总体上比低年短,低年观测到ELDI的厚度要小于高年结果;然而N_mE/N_mF_2比值及H_mE却没有表现出明显依赖。

极隙区一次长时间ELDI事件的观测研究

E层占优电离层(ELDI)是一种特殊的电离层垂直结构,表现出与偶发Es明显不同的时空分布和形态特征,但其形成机理尚不清楚.本文报道了发生在2001年7月15日的一次长持续时间(~2.3 h)的ELDI事件.地面雷达观测表明,该ELDI事件可以按照电子密度剖面不同的变化特征分为两个阶段.在第1个阶段里,E层密度大幅度增强而F层密度未有明显变化;在第2个阶段里,E层密度回落至正常水平而F层密度强烈耗空.卫星及其他地面设备的协同观测数据表明,高能离子沉降是ELDI第1阶段的主导形成机制,而强等离子体对流是第2阶段的主导机制.

北京上空热层钠层的激光雷达观测

热层金属层位于电离层E层和F层的过渡区域,为研究105~200 km之间的中性和电离成分的相互作用过程提供了独特的示踪剂.为更好地了解热层金属层的来源和形成机制,本文基于北京延庆台站(40.42°N, 116.02°E)的高精度钠荧光共振激光雷达的数据,根据观测到的热层钠原子层的形态特征和出现规律等以及参考先前的研究报道,将该台站上空的热层钠层主要归类为四种:低热层突发钠层、天亮前热层-电离层钠层、午夜热层-电离层钠层和中纬度热层-电离层钠层.我们对最后一种热层钠层进行了仔细研究,基于2018—2020年415个观测夜共约3914 h的数据,找到了17个该事件(出现率仅4.1%,且多发于冬季).在14个完整事件中,仅约35.7%(5/14)的事件出现时间与附近地基台站观测到的电离层突发E层相似,但均早于电离层突发E层;剩下的9次事件与最近的突发E层的时间相差范围为2.5~8.6 h.因此,我们认为中纬度热层-电离层钠层与电离层突发E层相关性较弱,它应该有着其他可能的形成机制.