一种基于宽波束高频返回散射探测实现电离层区域重构的方法与流程

本发明属于电离层研究及应用领域，特别涉及该领域中的一种电离层区域重构方法。

背景技术：

目前我国电离层环境研究的区域范围主要集中在本土境内，境外及远海上空电离层认知由于缺少有效的探测手段和重构技术而发展缓慢。近年来随着高频返回散射探测技术的发展，可以通过在境内部署高频返回散射探测设备实现境外大面积范围电离层信息的实时、快速获取。高频返回散射探测技术分为宽波束探测技术和窄波束探测技术两种，宽波束探测技术主要基于单副天线进行探测，窄波束探测技术基于阵列天线进行探测。前者设备简单，占地面积小，但是探测结果为约60°左右的较宽方位内的电离层信息，方位分辨率差；后者占地面积大，虽然能够获取更加精细的电离层信息，但却具有造价昂贵、建设周期长、不便维护等缺点。目前，基于窄波束返回散射探测电离图反演电离层电子浓度剖面从而实现大区域电离层重构的技术得到了一定的发展，例如，fridman等(1994)以返回散射发射站处垂直探测得到的电离层电子浓度剖面和返回散射前沿作为输入，利用求解非线性问题的newton-kontorovich方法和线性不适定问题的tikhonov正则化方法，反演电离层电子浓度的二维分布，获得电离层重构结果；赵晶晶等(2014)、朱鹏等(2015)、周晨等(2015)使用模拟退火方法对返回散射电离图前沿进行了反演，一定程度上避免了传统反演算法面临的不稳定问题；冯静等(2018)提出了一种新的返回散射电离图反演方法，综合使用不同层(e、f1和f2层)的返回散射前沿进行联合反演，实现电子浓度剖面的精确重构。

如前所述，基于窄波束返回散射探测电离图进行大区域电离层重构的技术已经取得了一定进展，但是利用宽波束返回散射探测电离图重构区域电离层的研究成果非常少，缺乏有效的重构技术，从而限制了宽波束返回散射探测技术的应用，影响了其进一步发展。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于宽波束高频返回散射探测实现电离层区域重构的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于宽波束高频返回散射探测实现电离层区域重构的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，提取宽波束高频返回散射探测电离图前沿：

基于一幅宽波束高频返回散射探测电离图，采用返回散射电离图前沿提取方法提取前沿，形成实测前沿数据，前沿是由每个探测频率的最小时延组成的曲线；

步骤2，确定31个方位：

在宽波束高频返回散射探测的60°方位范围内，从最小方位开始，按照步进2°，确定31个方位；

步骤3，计算31个方位对应的理论前沿：

利用国际参考电离层iri模型，使用其指定r12计算电子浓度剖面模式，r12是太阳黑子数13个月滑动平均值，令r12在1～201范围内以步进2依次取值，可以取到共计101个值，r12每取到一个值，便将其作为iri模型的参数输入，计算一次宽波束高频返回散射探测对应的60°区域内的三维电子浓度剖面，高度范围在60km～2000km范围内设置，在此三维电子浓度剖面背景下，利用电离层数值三维射线追踪技术，分别合成步骤2确定的31个方位对应的理论前沿；

步骤4，计算理论合并前沿：

基于31个方位的理论前沿，针对每个探测频率，取31个最小时延的最小值，最终形成一条合并后的前沿，称为理论合并前沿，如此便可获取101条理论合并前沿，对应101个r12值；

步骤5，确定最佳r12：

分别计算101条理论合并前沿与实测前沿的均方根误差，选出最小均方根误差对应的r12值，记为r12best，称为最佳r12；

步骤6，计算iri模型在最佳r12下的三维电子浓度剖面：

将r12best代入iri模型，计算获得宽波束高频返回散射探测60°方位范围内的三维电子浓度剖面，完成电离层区域重构。

本发明的有益效果是：

本发明所公开基于宽波束高频返回散射探测实现电离层区域重构的方法，解决了宽波束高频返回散射探测技术无法有效应用于电离层重构领域的技术难题，为电离层实时重构、现报及建模增加了一种新的技术手段。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是宽波束高频返回散射探测的覆盖范围示意图；

图3是宽波束高频返回散射探测电离图；

图4是在宽波束高频返回散射探测电离图上标注实测前沿的示意图，其中黑色曲线为实测前沿线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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。

实施例1，本实施例公开了一种基于宽波束高频返回散射探测实现电离层区域重构的方法，其流程如图1所示，下面结合图3所示的一幅宽波束高频返回散射探测电离图(其探测范围如图2所示，站点位置经纬度假设为(120°e,20°n)，覆盖方位为90°～150°(60°方位范围)，覆盖距离为0～2000km)，对具体实施方式进行描述，包括以下步骤：

步骤1，基于一幅如图3所示的宽波束高频返回散射探测电离图，采用冯静等(2012)发展的返回散射电离图前沿(由每个探测频率的最小时延组成的曲线)提取方法(冯静,李雪,齐东玉.返回散射电离图的前沿提取方法.空间科学学报,32(4):524-531.)提取前沿，形成实测前沿数据，记为g实测(f)，其中f表示n个探测频率集合，f＝{f1,f2,…,fn}。实测前沿如图4黑色曲线所示。

步骤2，根据宽波束高频返回散射探测的覆盖方位范围90°～150°，从90°开始，按照步进2°，依次确定90°、92°、……、150°共计31个方位。

步骤3，利用国际参考电离层(iri)模型，使用其指定r12(太阳黑子数13个月滑动平均值)计算电子浓度剖面模式，令r12在1～201范围内以步进2依次取值，可以取到1、3、……、201共计101个值。r12每取到一个值，便将其作为iri模型的参数输入，计算输出如图2所示的扇形区域对应的三维电子浓度剖面(高度范围可根据需要在60km～2000km内设置)；在此三维电子浓度剖面背景下，利用电离层数值三维射线追踪技术，分别合成步骤2确定的31个方位对应的理论前沿，记为g1(f)、g2(f)、……、g31(f)，其中f表示n个探测频率集合，f＝{f1,f2,…,fn}，gi(f)＝{gi(f1),gi(f2),…,gi(fn)}，i＝1,2,…,31。

步骤4，基于31个方位的理论前沿，针对每个探测频率，取31个最小时延的最小值，最终形成一条合并后的前沿，称为理论合并前沿，记为g合并(f)。具体做法为：对于探测频率fj，g合并(fj)＝min{g1(fj),g2(fj),…,g31(fj)}，j＝1,2,…,n。r12每取到一个值，便可以获得1条理论合并前沿；根据步骤3，r12一共取101个值，因此可以获得对应的101条理论合并前沿。

步骤5，首先分别计算101条理论合并前沿与实测前沿的均方根误差，记为δk，k＝1,…101，均方根误差按照下式进行计算：

其中g合并k(fj)＝{g合并k(f1),g合并k(f2),…,g合并k(fn)}表示101条理论合并前沿中的某一条，g实测(fj)＝{g实测(f1),g实测(f2),…,g实测(fn)}表示实测前沿。

然后从101个δk中选择最小值，记录其对应的r12值为r12best，称为最佳r12。

步骤6，将r12best代入iri模型，计算获得宽波束高频返回散射探测60°方位范围内(如图2所示)的三维电子浓度剖面，完成电离层区域重构。