一种基于返回散射和斜测电离图联合反演不均匀电离层剖面的方法与流程

1.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基于返回散射和斜测电离图联合反演不均匀电离层剖面的方法。


背景技术：

2.电离层是指60～1000km以上的高层大气，在太阳辐射的影响下，大气物质发生电离。这区域的电离层状态显著影响雷达无线电波传播。电离层是超视距传播系统的传输媒质，电离层的研究状态直接影响超视距传播的研究。目前国际上常规电离层无线探测主要包括垂直探测、斜向探测和返回散射探测。电离层垂直探测是用电离层测高仪(垂测仪)垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，从而获得反射高度与频率关系的反射曲线，称为垂测电离图.斜向探测是指利用斜向探测仪获得固定地面距离的频率—斜距特性曲线，获得接收信号相对于群时延(相对传播时间)与频率的关系。返回散射是指无线电波投射到电离层，被反射到远方地面，地面的起伏不平及电特性的不均匀性使电波向四面八方散射，而有一部分电波将沿着原来的(或其他可能的)路径再次经电离层反射回到发射点，被接收机接收。
3.垂直探测可获取单个地点上空电子浓度垂直剖面信息，通过对斜向探测结果反演只能获取收发距离对应的电离层反射区域信息。返回散射探测具有探测距离远、覆盖范围广的特点，能实时探测大面积范围电离层参数，是远区电离层信息的唯一来源。对于垂测反演方法国内外研究的比较多也比较成熟，对斜测反演和返回散射反演方法的研究偏少，对于斜测和返回散射联合反演的研究更是有限。现有的返回散射和斜测联合反演方法是根据返回散射前沿描迹和斜测描迹，基于特定的电离层qp模型和均方误差最小准则，在各点电子浓度剖面相同的假设下，采用全频段抽样全局搜索的方法确定qp模型参数，根据探测数据获取均匀电子浓度剖面，在电离层存在较复杂水平不均匀特性时不能很好地反映电离层电子浓度的变化趋势。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题就是提供一种新的基于返回散射和斜测电离图联合反演方法，根据实测数据频率点递增对反射区域不同地面距离剖面反演，如实反映电离层水平方向的不均匀结构，可以获取更能反映现实的电离层剖面。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种基于返回散射和斜测电离图联合反演不均匀电离层剖面的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
7.步骤1，获取实测的返回散射前沿g
bks
(f)和斜测描迹g
obs
(f)：
8.把返回散射接收设备和斜测接收设备获取的探测数据，根据返回散射前沿能量，应用返回散射前沿提取算法获取返回散射前沿g
bks
(f)，应用斜测电离图判读算法获取斜测
描迹g
obs
(f)；
9.步骤2，建立反射区域的电离层电子浓度网格：
10.在返回散射探测方位上，按照地面距离和高度分别划分网格，建立研究区域的二维电子浓度网格；
11.步骤3，根据准抛物模型反演斜测描迹g
obs
(f)，获取反射中点上空电子浓度剖面n0(h)：
12.假设斜测收发距离为d0，应用粒子群寻优的方法，应用准抛物电离层剖面qp模型对斜测描迹进行反演，qp模型用等离子体频率分布表示为：
[0013][0014]
其中f
p
为等离子体频率，fc为临频，rm为峰值电子密度对应的高度，rb为电离层底部的高度，ym＝r
m-rb为电离层半厚，ne为r处的电子密度，r表示相对于地球球心径向距离；
[0015]
在qp模型下，电波落地点与发射点之间的地面距离d和电波传播的群路径p分别由下式(2)、(3)计算：
[0016][0017][0018]
其中：f＝f/fc，f为探测频率，γ为射线在电离层底部的入射角，r0为地球半径，β0为射线的初始仰角；
[0019]
在斜测电离图上取k个频率点，相应斜测电离图上的k个群路径观测值为p
′
0i
，计算的群路径为p
0i
，计算值与观测值的均方误差ε为：
[0020][0021]
假设解空间搜索域为φ，则(fc,rb,ym)∈φ，首先确定解空间搜索域φ，然后在搜
索域内进行全局搜索并计算均方误差，均方误差最小时对应的电离层参数即为最优解，最优参数为(f
c0
,r
b0
,y
m0
)，从而获取反射中点上空电子浓度剖面n0(h)；
[0022]
步骤4，将实测返回散射前沿g
bks
(f)对应的探测频率范围[f1,fn]划分为n个频率点，频率点记为fi，i＝1,
…
,n，获取每个频率点上返回散射前沿对应的群距离p
bks_i
，i＝1,
…
,n，以及斜测描迹对应的频率点上的群距离p
obs_i
，i＝1,
…
,n，对应频率点没有斜测描迹的群距离记为0；
[0023]
步骤5，对实测返回散射前沿g
bks
(f)对应的探测频率范围[f1,fn]选取的n个频率点，从第一个频率f1开始进行反演，反演模型应用qp模型：
[0024]
利用返回散射前沿和斜测描迹在频率为f1时对应的探测群距离p
bks_1
和p
obs_1
进行反演，用斜测反演获取的初始电子浓度剖面n0(h)参数(f
c0
,r
b0
,y
m0
)作为反演的初值，
[0025]
初始二维电子浓度剖面是水平均匀的，步骤3中的电子浓度网格每一地面距离上空的电子浓度剖面都等同于斜向探测中点处的电子浓度剖面n0(h)，则有n(h，x)＝n0(h)，x表示距离发射站的地面距离；
[0026]
进行反演时，三个反演参数的搜索范围为：临频[f
c0-1 f
c0
+1]mhz，峰值电子密度对应的高度在[r
m0-30 r
m0
+30]km范围，电离层底部的高度在[r
b-30 rb+30]km范围，应用粒子群优化算法，对参数遍历，对每组参数利用电离层短波数字三维射线追踪技术合成探测频率对应返回散射的最小群距离p
′
bks_1
和斜测收发距离上的群距离p
′
obs_1
，并计算误差均值如下式(5)所示，最小误差均值的遍历参数就是当前频率对应的返回散射前沿相应的地面距离网格上空的电子浓度剖面；
[0027][0028]
步骤6，依次对后续的n-1个频率进行步骤5的计算，经过n次反演，最终得到各个地面距离上空对应的电子浓度剖面：
[0029]
依次对频率f2到fn对应的电离层信息进行反演，每个频率的反演参数初值都是上一频率电子浓度反演的电子浓度剖面。
[0030]
本发明的有益效果是：
[0031]
本发明所公开基于返回散射和斜测电离图联合反演不均匀电离层剖面的方法，应用不同频率上返回散射前沿和斜测描迹对应的群距离对反射区域不同地面距离上空的电子浓度分别进行反演，可以获取更能反映真实电离层状态的电子浓度。
附图说明
[0032]
图1是返回散射和斜测联合探测示意图；
[0033]
图2是返回散射和斜测联合探测描迹结果示意图。
具体实施方式
[0034]
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。
[0035]
实施例1，本实施例公开了一种基于返回散射和斜测电离图联合反演不均匀电离
(h)，x表示距离发射站的地面距离；
[0066]
进行反演时，对在电离层qp模型的参数fc、rb和ym在初始参数(斜测中点的参数)的基础上根据经验值，三个反演参数的搜索范围为：临频[f
c0-1 f
c0
+1]mhz，峰值电子密度对应的高度在[r
m0-30 r
m0
+30]km范围，电离层底部的高度在[r
b-30 rb+30]km范围，应用粒子群优化算法，对参数遍历，对每组参数利用电离层短波数字三维射线追踪技术合成探测频率对应返回散射的最小群距离p
′
bks_1
和斜测收发距离上的群距离p
′
obs_1i
、p
′
obs_2i
，并计算误差均值如下式(5)所示，最小误差均值的遍历参数就是当前频率对应的返回散射前沿相应的地面距离网格上空的电子浓度剖面；
[0067][0068]
步骤6，依次对后续的n-1个频率进行步骤5的计算，经过n次反演，最终得到各个地面距离上空对应的电子浓度剖面：
[0069]
依次对频率f2到fn对应的电离层信息进行反演，每个频率的反演参数初值都是上一频率电子浓度反演的电子浓度剖面(最佳参数)。