电离层非相干散射雷达非相干散射谱建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明一种电离层非相干散射雷达非相干散射谱建模方法，其适用于研究电离层 非相干散射雷达非相干散射谱的仿真系统设计。
【背景技术】
[0002] 电离层是近地空间环境的重要组成部分，地面附近的多种扰动可W上传到电离层 并和电离成分相互作用，对无线电通信、卫星导航、测量W及人类空间活动都有着重要的影 响，对电离层的研究手段和方法也是有很多种，除了卫星、火箭外，还利用电离层垂测仪、 GI^S闪烁接收仪等手段，随着雷达技术的发展，发射功率和接收灵敏度，W及天线增益都有 很大的提高，从而使得检测电离层中电子散射的微弱信号成为可能，一种新的电离层探测 手段一一非相干散射雷达随之出现，它可W探测到包括电子密度、电子溫度、碰撞频率、离 子密度、离子溫度和离子成分等电离层多种参数。而原有的非相干散射雷达的认识是基于 单一成分的麦克斯韦离子分布函数基础上的，然而，实际电离层等离子体中含有多种成分， 且随着高度的增加，各种离子的百分比也在发生变化。
[0003] 非相干散射雷达利用高空大气等离子体热起伏的微弱信号来遥测高空大气的物 理参数，测量区域可覆盖D区到两千公里左右的高度范围，基于非相干散射理论，对平衡态 下非相干散射功率谱进行模拟，由于缺乏实验设备，国内关于利用非相干散射雷达对电离 层等离子体的研究W及高缔极区处于非热平衡下的电离层等离子体的研究起步较晚，滞后 于国外相应的研究。
[0004] 在研究非相干散射谱的过程中，其中设及到电离层等离子体的概率分布函数W及 起伏密度的概念，目前的非相干雷达实验处理数据仍是基于最基本的麦克斯韦分布理论， 然而高缔极区出现的大规模对流电场和高能粒子的沉降，W及人工加热电离层等，都会导 致等离子体分布函数偏离麦克斯韦分布。
[0005] 探测电离层，通过研究其功率谱，推导出其电离层参数，包括电子密度、电子溫度、 碰撞频率、离子密度、离子溫度和离子成分等，对其散射谱的建模是很重要的，首先是研究 离子成分单一的情况，不考虑磁场下无碰撞等离子体的谱密度函数，求出不同电子和离子 溫度比下的散射谱，其次是考虑不同碰撞的散射谱，并且研究多成分下的非相干散射谱密 度。
【发明内容】
[0006] 本发明基于现有的国内外的电离层参考模型，利用地震局W及气象局实际观测的 电离层垂测及斜侧数据，合理的选取建模方法构建中国上空的电离层模型，得到具有实际 应用价值的电离层背景模型。对于信号在电离层中的传播行为可W通过对波动方程的数值 求解来描述。在基于非相干散射理论的基本原理上，分别对不考虑碰撞的等离子体散射谱， 不考虑磁场的碰撞等离子体散射谱，不同离子成份百分比下的非相干散射功率谱进行研究 分析。本发明除了能仿真3种基本散射谱外，还能仿真不同编码下的散射谱，W及仿真不同 高度散射谱，对雷达信号的回波仿真结果进行分析，且经简化算法提取的参数与IRI-致。
[0007] 电离层等离子体对电磁波的非相干散射，是指由于离子和电子随机热运动而导致 的等离子体密度微小涨落所引起的电磁波散射，根据非相干散射理论，我们要对平衡态下 考虑碰撞和不碰撞的非相干散射谱进行建模，并且对其单一成分W及多成分都进行模拟， 分析了随着高度的增加各种成分离子对功率谱的影响。
[0008] 本发明通过下述技术方案来实现的： 对于单一成分时，任意分布函数函数下的非相干散射功率谱是：
(1) 上式，
分别为电子和离子沿波矢k方向的一维速度分布函数，G。和Gi是 轴向色散函数的分量，其表达式为：
其中，X。和X1是复数，
^凸则是德拜长度。
[0009] 模拟不考虑磁场下无碰撞等离子体的谱密度函数是最简单的，其速度分布函数是 服从麦克斯韦分布，贝其电子和离子的速度分布函数为：
上式3=(21^。/111。)1/2表示的是电子平均热速度，6=(21^乃1/11〇1/2则是离子平均热速 度，kb为波尔茨曼常数，经过整理，可W求出功率谱密度为：
在不考虑磁场下有碰撞等离子体的谱密度函数时，其谱密度函数可近似表达为：
其中Yi= w-i uy化b)，V。和V1分别为电子和离子的碰撞频率。
[0010] 随着高度的增加电离层离子成分及其百分比都随之变化，对于多成分非相干散射 谱密度的模拟，主要是求出了不同离子成分百分比下的分布函数。在较低电离层一氧化氮 离子和氧原子离子占主要成份，在较高电离层氧原子离子和氨原子离子占主要成份，对于 非单一成份等离子体，在无碰撞，均匀W及非磁化的情况下，谱密度函数表示为：
[0011] 对于多成分等离子体，其速度分布函数fq。表示如下：
非相干散射雷达基本编码包括长脉冲编码，交替码编码，我们在长脉冲编码，4位、8位、16位交替码编码调制的下，分别仿真其不同高度的散射谱。等离子的散射谱和信号的功 率谱之间相差一个常数值，可W由散射谱推导出功率谱，并且反演出电离层参数。
[0012] 对于非相干散射雷达，离子溫度Ti为：
(巧) 式中，B是离子谱线半带宽，A是发射波长。 其电子溫度为：
幻據 PtAf表示雷达峰值功率孔径乘积，距离分辨率cU，n。是电子密度，0。是电子雷达截面 (10 2V)，探测距离为R，接收回波功率是Pf。通过式（17)和（18)，可W由已知量求出电子 和罔子溫度。
[0013]本发明与W往技术相比具有如下特点：在多种条件下完成非相干散射谱建模仿 真，分为单一成分下的理想化模型，不考虑等离子体之间的相互碰撞、磁场、电场等因素； 单一成分下考虑碰撞；多成分，在运几种情况下求散射谱，多方面的分析散射谱的形成。采 用控制变量的方法，能够很好分析散射谱的影响因素，W及探讨散射谱随着某一种因素变 化而变化的趋势。除了能仿真3种基本散射谱外，还能仿真不同编码下的散射谱，W及仿 真不同高度散射谱，对雷达信号的回波仿真结果进行分析，且经简化算法提取