一种电离层垂直剖面建模及参数反演方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电离层研究及应用领域，尤其涉及一种电离层垂直剖面建模及参数反 演方法。
【背景技术】
[0002] 电离层垂直探测（简称垂测）能够获得反映电离层虚高与频率关系的垂测电离 图，所谓虚高，其实质是电磁波传播时间的度量，电磁波从垂测发射机发出，经电离层反射 后到达垂测接收机所经历的时间乘以光速就称为虚高。垂测获得的虚高并不是电磁波在电 离层中的真实反射高度，真实反射高度获得需要对垂测电离图进行反演，即利用垂测电离 图频率-虚高描迹反演电离层剖面（电离层高度与等离子体频率或电子浓度的对应关系）。 垂测电离图的反演对研究电离层结构和电离层波传播问题具有重要意义，一直以来受到十 分广泛的重视，当然，反演也具有相当大的难度。
[0003] 目前，应用较为普遍的垂测电离图反演方法是基于模式法思想发展的电离层参数 反演方法，其中，黄雪钦等公开了一种基于移位切比雪夫多项式模型反演电离层剖面的方 法，该方法中，将F层建模为移位切比雪夫多项式，求解满足计算虚高与实测虚高在最小二 乘意义上最佳吻合的多项式系数，从而确定电离层剖面，后来，针对回波描迹中明显有FJl 描迹的情况，做了模型上的一些改进，即将F1层和FJl分别用不同的移位切比雪夫多项式 表示，但该方法更适用于F1层充分发育的情况，对于F i层未充分发育的情况，基于反演结果 合成的垂测电离图与实测电离图在F1层临频附近差别较大，另外，未考虑层与层连接处的 光滑性问题也是该方法的不足之处。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题就是提供一种电离层垂直剖面建模及参数反演方法。
[0005] 本发明采用如下技术方案：
[0006] -种电离层垂直剖面建模及参数反演方法，其改进之处在于，所述方法包括以下 步骤：
[0007] 步骤1 :将电离层建模为包含E层、谷层、的四层模型，其中，E层和谷层 剖面用抛物模型表示，F1层和F 2层剖面用移位切比雪夫多项式模型表示；
[0008] 步骤2 :基于建立的电离层模型，推导各层回波虚高的计算公式；
[0009] 步骤3 :利用实测电离图数据，结合各层回波虚高计算结果，进行各层电离层参数 的反演。
[0010] 进一步的，所述步骤1具体包括：
[0011] 步骤11 :电离层电子浓度剖面具体形式如下式所示： CN 105184039 A 说明书 2/14 页
[0013] 上式中各符号的具体含义如下：
[0014] E层：fNE表示E层等离子体频率；f 表示E层临频；h mE表示E层峰高；y mE表示E 层半厚；hbE= h mE_ymE表示E层底高；
[0015] 谷层：fNV表示谷层等离子体频率；f ?表示谷层最小等离子体频率；h"v表示谷层等 尚子体频率为fCT时对应的电尚层尚度；y mV表不谷层半厚；h 2= h mE+W，W走乂为谷层宽度；
[0016] FJl :T Jg)为移位切比雪夫多项式，具有下式所示形式：
[0018] fNF1表示F i层等离子体频率；f m表示F i层临频；A i (i = 0~1+1)为移位切比雪 夫多项式系数，
[0021] Δ (为垂测电离图智能判读软件自动给出的fm相对于F i层模型设定临频的偏 差；
[0022] FJl :移位切比雪夫多项式T i⑴中的1具有下式所示形式：
[0024] fNF2表示F 2层等离子体频率；f CF2表示F 2层临频；C ; (i = 0~N+1)为移位切比雪 CN 105184039 A I兄明 3/14 页 夫多项式系数，且：
[0025] hmF2表示 F 2层峰高，且：h mF2= C N+1，
[0026] E层和谷层的连接点位于E层峰高h"E，谷层与F1层的连接点位于高度h 2处，并且 在高度匕处的等离子体频率等于E层临频f εΕ，谷层包括两个部分：与E层的连接部分和与 F1层的连接部分，这两部分的连接点位于高度h i处，F i层与F 2层连接点位于F i层峰高h ^fi处；
[0027] 步骤12 :为了使建立的电子浓度剖面满足连续光滑特性，在层与层的连接点处， 基于连接点以上及以下电离层模型分别计算的等离子体频率的平方值以及剖面梯度应该 相等，根据这一条件，限定相关参数之间的内在关系。
[0028] 进一步的，所述步骤2具体包括：
[0029] 步骤21 :对于频率小于等于fffi的电波将在E层反射，进行E层回波虚高计算公式 的推导；
[0030] 步骤22 :对于频率大于feE、小于等于fm的电波将在F i层反射，进行F 1层回波虚 高计算公式的推导，主要包括在E层传播的群距离△ hE (f)、在谷层中与E层连接部分传播 的群距离Ah' ;(f)、在谷层中与F1层连接部分传播的群距离Ah' v(f)和在FJl传播的 群距离Ah' F1(f)的计算公式；
[0031] 步骤23、对于频率大于fCF1、小于等于fCF2的电波将在F 2层反射，进行FJl回波虚 高计算公式的推导，主要包括Ah' E(f)、Ah' ;(f)、Ah' v(f)、Ah' F1(f)和在F2层传 播的群距离Ah' F2(f)的计算公式。
[0032] 进一步的，所述步骤3具体包括：
[0033] 步骤31 :选取实测E层描迹数据，采用区域搜索的方法实现E层feE、h"E(或hbE)、 ymE三个参数的反演；
[0034] 步骤32 :选取F1层描迹中大于E层临频和F i层描迹最小虚高对应的频率之间的 数据，基于搜索、迭代方法实现谷层参数的反演；
[0035] 步骤33 :选取F1层描迹中，F1层描迹最小虚高对应的频率到fm之间的数据，利用 约束寻优法实现匕层参数的反演；
[0036] 步骤34 :选取F2层描迹数据，利用约束寻优法实现F 2层参数的反演；
[0037] 步骤35、对根据不同Δ (得到的谷层、F i层和F 2层参数，寻找使基于这些参数计 算的所有数据点的计算虚高和实测虚高的误差和最小的一组参数，该组参数确定为最终的 谷层、F1层和FJl参数。
[0038] 本发明的有益效果在于：
[0039] 本发明所公开的电离层垂直剖面建模及参数反演方法，基于移位切比雪夫多项式 模型的约束优化匕层参数、F 2层参数的垂测电离图反演方法，即得到谷参数后，选取F 1层 较高区域回波描迹数据，在保证剖面连续光滑的约束条件下，计算F1层剖面多项式系数，同 样，在保证剖面连续光滑的约束条件下，选取FJl回波描迹数据，计算F 2层剖面多项式系 数，最后，基于所有数据点计算虚高和实测虚高误差和最小准则，选取对应初始设置下得到 的剖面参数最终确定电离层剖面。该方法适用于F1层未充分发育的情况，可以有效提高该 种情况下反演精度和稳定性。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明所公开的电离层垂直剖面建模及参数反演方法的流程图；
[0041 ] 图2为三层电离层反演实例。
【具体实施方式】
[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0043] 实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种电离层垂直剖面建模及参数反演方 法，包括以下步骤：
[0044] (1)建立电离层剖面数学模型：
[0045] 本发明基于模式法的思想，将电离层建模为包含E层、谷层、FJ1、FJl的四层模 型，E层和谷层剖面用抛物模型表示，F1层和F 2层剖面用移位切比雪夫多项式模型表示，电 离层电子浓度剖面具有式（1)所示形式：
[0047] E层和谷层的连接点位于E层峰高h"E，谷层与F1层的连接点位于高度h 2处，并且 在高度匕处的等离子体频率等于E层临频f εΕ，谷层包括两个部分：与E层的连接部分和与 F1层的连接部分，这两部分的连接点位于高度h i处，F i层与F 2层连接点位于F i层峰高h ^fi处，式（1)中各符号的具体含义如下：
[0048] E 层：
[0049] fNE表示E层等离子体频率；f 表示E层临频；h mE表示E层峰高；y mE表示E层半 厚；hbE= h mE_ymE表示E层底高；
[0050] 谷层：
[0051] fNV表不谷层等尚子体频率；f Ct表不谷层最小等尚子体频率；h mv表不谷层等尚子 体频率为心时对应的电离层高度；y 表示谷层半厚；h 2= h d+W，W定义为谷层宽度；
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