基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法

本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于isr提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法、系统及电子设备。

背景技术：

1、电离层是地球上空五、六十公里到一、两千公里高度范围的部分电离等离子体区域，是日地空间环境中与人类活动最为密切的关键层次，对无线电通讯、卫星导航和定位、载人航天等具有重要影响。在所有的电离层探测手段中，非相干散射雷达（isr，incoherentscatter radar）是迄今为止最为强大的探测手段，其具有探测功能强、参量多（多种场和粒子成分）、精度高、分辨率好、高度范围覆盖大等众多优点。1958年gordon提出可以用大功率的雷达探测到电离层中电子微弱的汤姆森散射信号。bowles (1958)通过非相干散射探测实验测得了散射回波，之后很多的研究学者证明非相干散射雷达使用电子热波动的散射信号可以测量电离层的参数，例如电子密度、离子成分、电子温度、离子温度、漂移速度等 (参见参考文献：（1）dougherty, j.p., and d. t. farley (1960), “a theory ofincoherent scattering of radio waves by a plasma,” proc. royal soc. lond,vol.259, pp.79–99, feb 1960. doi:10.1098/rspa.1960.0212;（2） fejer, j. a.,“radio-wave scattering by an ionized gas in thermal equilibrium,” journal of  geophysical research, vol. 65, no. 9, pp. 2635–2636, sep 1960. doi: 10.1029/jz065i009p02635;（3）salpeter e. e., “electrondensity fluctuations in aplasma,”  phys rev,vol.120, no.5, pp.1528-1535. dec 1960. doi: 10.1103/physrev.120.1528;（4） rosenbluth m n, rostoker n, “scattering ofelectromagnetic waves by a nonequilibriumplasma,” physics of fluids, vol.5,no.7, pp.776-788, jul 1962, doi: 10.1063/1.1724446;（5）hagfors, t., “densityfluctuations in a plasma in a magnetic field, with applications to theionosphere,” journal of geophysical research, vol.66, no.6, jun1961.doi:10.1029/jz066i006p01699.)。

2、随着雷达技术的发展，相控阵天线以其大范围快速扫描，精细扫描，灵活可控以及长时间连续观测等优点进入人们的视野，非相干散射雷达开始使用相控阵天线来代替传统的抛物面天线，21世纪，美国提出了新式的模块化的有源相控阵雷达项目(amisr，advancedmodular incoherent scatter radar)，通过电扫描控制雷达波束从而可以在微秒量级内快速切换波束方向，大大改善了传统抛物面雷达机械转动改变波束方向导致产生时间模糊的问题(参见参考文献：valentic t., buonocore j., cousins m., heinselman c.,jorgensen j.&kelly j. et al, “amisr the advanced modular incoherent scatterradar, ” ieeeinternational symposium on phased array systems&technology,waltham, ma, usa, pp. 659-663, 2013, doi: 10.1109/array.2013.6731908)。建成后，阵面放置在阿拉斯加fairbanks附近的poker观测研究场地进行试验运行，其他阵面安装在加拿大的resolute湾，其地理位置均位于高纬地区。

3、中科院地质与地球物理研究所在电离层低纬地区三亚研制和建成了大功率相控阵非相干散射雷达，技术上具有持续观测、全空域覆盖、局部空间快速扫描等新的优势。该非相干散射雷达探测三亚周围两千公里范围的电离层，覆盖我国南海、东南沿海及南方地区，将是东亚地区和低磁纬地区的首台先进相控阵体制的非相干散射雷达(参见参考文献：（1）yue, x.; wan, w.; xiao, h.; et al. preliminary experimental results by theprototype of sanyaincoherent scatter radar. earth planet. phys. 2020, 4, 579-587, doi: 10.26464/epp2020063；（2）yue, x.; wan, w.; ning, b.; jin, l. anactive phasedarray radar in china. nat. astron. 2022, 6, 619, doi: 10.1038/s41550-022-01684-1;（3） yue, x., wan, w., ning, b., jin, l., ding, f., zhao,b., et al. (2022). development of thesanya incoherent scatter radar andpreliminary results. journal of geophysical research: space physics, 127,e2022ja030451. https://doi.org/10.1029/2022ja0.)。

4、在使用非相干散射雷达进行电离层观测时，可以通过观测得到的功率谱和理论谱进行拟合，进而得到电子密度、电子温度、离子温度和离子视线速度，由于雷达采用相控阵体制，可以在毫秒时间内实现波束的快速转换，在这样的前提下，可以假定电离层参量在一定的空间范围内保持不变，因此可以使用多波束计算一定空间内的离子矢量速度，通过离子矢量速度可进一步计算电离层的风场(参见参考文献：（1）heinselman, c. j., and m.j. nicolls (2008), a bayesian approach to electric field ande-region neutralwind estimation with the poker flat advanced modular incoherent scatterradar, radio sci., 43, rs5013, doi:10.1029/2007rs003805; （2）semeter, j., t.w.butler, m. zettergren, c. j. heinselman, and m. j. nicolls (2010), compositeimaging of auroral forms and convective flows during a substorm cycle,j.geophys. res., 115, a08308, doi:10.1029/2009ja014931.)。

5、低纬地区和高纬地区的电离层状态不同，在高纬地区，磁力线近似垂直，在地磁坐标系下，可以假定高高度（电离层f层及以上）的离子速度只受电场的影响，因此可以得到矢量电场的全部分量，电离层电场几乎没有垂直高度变化，因此可以直接得到全高度的3个方向的电场。在高纬地区的低高度（电离层e层），由于离子速度受电场和风场的共同作用，根据前面得到的电场，根据动量方程，就可以唯一的得到高纬地区低高度的风场，这种方法一方面只能应用于高纬地区，另一方面只能获得低高度e区的风场，无法得到高高度的风场。

6、其次，在高纬地区，离子速度量级较大，速度量级为几百米每秒；在低纬地区，离子速度量级较小，速度量级为几十米每秒。由于低纬地区的速度量级小，使用最小二乘拟合获得离子速度误差大，提取准确的离子视线速度难度大。基于此，本发明提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层矢量速度、风场方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的电离层矢量速度、风场提取方法仅适用于高纬度地区且无法得到高高度的风场的问题，本发明第一方面，提出了一种基于isr提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法，该方法包括：

2、通过非相干散射雷达isr探测得到待提取矢量速度、风场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；

3、基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；

4、根据地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；

5、通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、电子温度、离子温度，计算得到扩散速度；

6、基于所述扩散速度，结合所述全高度三个方向的矢量速度，计算得到南北向中性风，即南北向的风场。

7、在一些优选的实施方式中，所述地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系为：

8、

9、

10、其中，表示视线速度，表示第个视线方向，即表示第个视线方向的视线速度，、、表示三个方向的矢量速度，三个方向分别为东向、北向、天顶方向，、、分别表示三个方向的矢量速度对应的权重， 、 、表示第个视线方向的三个方向的矢量速度对应的权重，表示视线速度对应的误差，表示第个视线方向的视线速度对应的误差。

11、在一些优选的实施方式中，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，其方法为：

12、

13、

14、

15、其中，、、分别表示垂直磁场向东，垂直磁场向北和平行磁力线方向的分量，表示将参量从地理坐标系下转到地磁坐标系下的转换因子，表示磁倾角，表示磁偏角，表示地磁坐标系下的矢量。

16、在一些优选的实施方式中，所述全高度三个方向的矢量速度，其计算方法为：

17、

18、

19、其中，表示系数矩阵，表示矩阵的转置，，表示全高度三个方向的矢量速度，表示矢量速度先验误差矩阵，表示视线速度误差矩阵。

20、在一些优选的实施方式中，所述扩散速度，其计算方法为：

21、

22、其中，表示扩散速度，表示离子温度，表示电子温度，表示电子密度，表示离子质量，表示离子碰撞频率，表示高度，表示重力加速度，表示玻尔兹曼常数。

23、在一些优选的实施方式中，所述南北向的风场，其计算方法为：

24、

25、其中，表示南北向的风场，表示沿磁力线的方向的速度。

26、本发明的第二方面，提出了一种基于isr提取低纬地区电离层矢量速度、风场的系统，该系统包括：参量获取模块、关系转换模块、矢量速度计算模块、扩散速度计算模块、风场获取模块；

27、所述参量获取模块，配置为通过非相干散射雷达isr探测得到待提取矢量速度、风场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；

28、所述关系转换模块，配置为基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；

29、所述矢量速度计算模块，配置为根据地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；

30、所述扩散速度计算模块，配置为通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、电子温度、离子温度，计算得到扩散速度；

31、所述风场获取模块，配置为基于所述扩散速度，结合所述全高度三个方向的矢量速度，计算得到南北向中性风，即南北向的风场。

32、本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于isr提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法。

33、本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于isr提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法。

34、本发明的有益效果：

35、本发明实现了低纬度地区的电离层矢量速度、风场的提取，可以获取全高度南北向的风场。

36、1）本发明利用三亚非相干散射雷达对亚洲扇区低纬地区离子矢量速度、风场进行提取，首次能够定量计算低纬地区速度、风场等对于电离层探测非常重要的参量，实现了低纬地区100-500km离子矢量速度，风场的准确探测；

37、2）低纬地区离子速度会受到电场，风场，重力和压力梯度力的相互作用，本发明通过求解扩散速度，并去除扩散速度的影响，获得了准确的南北向中性风，即风场；

38、3）目前通过测高仪或者gnss接收机仅能获得电子浓度峰值以下的剖面数据和电子浓度总含量数据，缺乏必要的动力学信息，无法研究快速变化的电离层物理过程及其演化机制。通过三亚非相干散射雷达的获得低纬电离层100km-500km的速度，风场的测量，可用于研究各种大气波动上传和电离层响应、耦合和能量传输机制，磁暴期间电离层/热层温度、密度、成分、风场、电场变化、粒子上行和磁层耦合机制等；

39、4）三亚非相干散射雷达获得低纬电离层高度的速度，风场，可利用这些参量进行基于电离层理论模式的数据同化模式开发，进行电离层的现报和预报模式开发；

40、5）利用三亚非相干散射探测系统地处地磁低纬的地理优势及具有连续观测能力的技术优势，获得风场信息，可开展大气层/电离层耦合、电离层发电机与喷泉效应、超级电离层暴、低纬电离层/磁层耦合等重大科学问题研究。研究速度场随高度的变化，将有助于揭示热层底层的结构。特别是将这些雷达系统与其他仪器的数据相集合，可构建出专门用于研究中性大气的数据库。