單站測量電離層不均勻體水平尺度方法研究

宋 磊 苗建蘇 李清亮

（中國電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

電離層不均勻體對天地無線通信鏈路以及超視距高頻／甚高頻（High Frequency／Very High Frequency，HF／VHF）散射通信鏈路有重要的影響.另外從電離層不均勻體的形成機理來看：電離層行擾、大氣湍流、極光離子沉降、流星余跡等空間天氣活動能夠引發不同尺度的電離層不均勻體，電波加熱、空間飛行器的動力擾動及其釋放物也會引發電離層不均勻體.因此探測電離層不均勻體的尺度對空間電子系統設計、空間天氣活動規律研究以及人工改變電離層后的效應診斷具有重要意義.

目前已經用VHF非相干散射雷達［1，3-4］、HF相干散射雷達、天基探測衛星［2］等手段對電離層不均勻體尺度及其活動規律成功進行探測.但是上述探測手段存在探測系統復雜、設備規模龐大等弊端，限制了其靈活應用.本文提出將多普勒處理引入到垂測儀的回波信號處理中，利用簡單接收天線陣，可以實現單臺電離層垂直探測儀（簡稱垂測儀，下同）對電離層不均勻體的水平尺度進行測量.

1 電離層不均勻體垂直反射物理模型

垂測儀向上發射高頻電磁波脈沖.由于發射天線具有一定的波束寬度，發射脈沖會“照亮”一大塊區域的電離層等離子體（通常直徑有幾百千米，與發射天線的波束寬度以及等離子體的高度有關）.當入射電磁波頻率達到電離層各個反射平面的截止頻率時就會在等離子體密度等值面的各點發生反射.由于電離層不均勻體等離子體密度等值面起伏不平，可將其分成多個“小反射面”［6-7］，當反射面正對地面接收點時，其回波就能被地面接收系統接收，該反射平面可以看作反射信號的一個“源”，本文稱之為反射源（下同）.圖1為電離層不均勻體電子密度等值面的垂直剖面及其垂直反射示意圖.

圖1 電離層不均勻體垂直反射物理模型

電離層不均勻體存在漂移，因此，其反射回波具有多普勒頻偏.由于各反射源的空間位置不同導致其徑向運動速度不同.垂測儀用多元天線陣接收回波信號，任意一個天線陣元接收到的信號可以表示為

式中：s為反射源個數；Δωs為每個反射源回波多普勒頻偏；φas為反射源回波到達第a個接收陣元的波前相位.該相位信息是確定反射源空間位置的關鍵物理量.只要確定每個反射源的空間位置就能夠得出整個電離層不均勻體的水平尺度.因此獲取各個反射源回波到達接收陣元的波前相位信息是測量電離層不均勻體水平尺度的關鍵.

2 回波信號多普勒處理

由式（1）可知垂測儀接收到的信號是多個反射源回波在時域的疊加.通過時域處理無法區分不同反射源的回波，無法得到相應波前相位φas.參考脈沖多普勒雷達的回波信號處理辦法［9］，將每個反射源看成一個運動目標，可以提取對應每個反射源回波的多普勒幅度譜和相位譜.由于每個反射源的徑向運動速度不同，其對應的多普勒頻率也不同，因此可以在頻率域區分各個反射源回波.垂測儀對應于同一探測頻率重復發射N個脈沖，在地面接收點各陣元同時接收所有反射源回波.將被測高度范圍分成多個步進的高度（虛高）窗口，取遍所有N個脈沖對應于同一高度窗口的復采樣值組成N點新序列（見式（2）），對新序列作離散傅里葉變換（見式（3）），就得到了某一高度窗口回波以載波頻率為中心的多普勒譜線.

式中：r（n）是多個脈沖同一虛高所對應的回波采樣值所組成的新序列；T為發射脈沖間隔；N為同一頻率的探測脈沖個數.

圖2給出了三個接收陣元接收到回波信號的多普勒頻譜結構.左側是幅度譜，由多條多普勒譜線構成，如果某一譜線幅度超過設定門限值則表示該譜線對應的多普勒頻率是某一個反射源回波的多普勒頻偏.右側是相位譜，為反射源回波到達三個陣元的波前相位值.由于各個陣元空間位置不同，導致接收到同一反射源回波的多普勒幅度譜一致但相位譜存在差異，這也是第3節利用干涉儀原理進行回波來波方位判定的前提.同一塊電離層不均勻體由多個徑向運動速度不同的反射源構成，則能夠在多條多普勒譜線上檢測到信號，從而利用多普勒處理在頻率域區分各個反射源回波.

圖2 反射源回波多普勒幅度相位譜結構

3 電離層不均勻體水平尺度的確定

通過第2節多普勒處理得到各個反射源回波到達每個接收陣元的波前相位信息，利用相位干涉儀測向原理可以得到各個反射源回波的來波方向（Direction of Arrilal，DOA），結合高度信息就能夠得到反射源的空間分布情況進而得到整個電離層不均勻體的水平尺度.

圖3所示垂測儀通過接收天線陣的三個陣元來確定反射源回波的DOA.設回波頻率為f，波矢量為K，波矢量在x、y、z三個方向上的投影分別為Kx、Ky、Kz，反射源回波方位角φ、天頂角θ和波矢量K長度分別定義為：

圖3 相位干涉儀原理測反射源回波DOA

式中：c為光速；f為回波信號頻率.設三個天線陣元在直角坐標系中的位置分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），回波到達三個天線陣元的相位差分別為：

令陣元1的位置位于坐標原點可得

式中，Δφ21、Δφ31為測量值，由于天線各陣元的位置已知，聯合式（4）～（10）便可以解算出每個反射源回波方位角φ和天頂角θ.實際應用中可以將接收天線陣配置成等邊三角形或直角等腰三角形來簡化計算過程.

圖4給出了電離層不均勻體反射源到電離層垂直探測點間的水平距離D、電離層不均勻體距地面垂直高度Hv、反射源回波DOA信息之間的幾何關系.其中Hv為垂測儀在該頻率上測得的電離層不均勻體高度.θ為分布在某一固定方位角上反射源所對應的天頂角.根據式（11）可以計算出所有反射源距垂測儀間的水平距離.進而得到整個電離層不均勻體的水平尺度及其空間分布情況.

圖4 電離層不均勻體空間分布幾何關系

4 觀測結果

圖5、圖6、圖7為利用美國Lowell大學全球電離層垂測儀測量數據庫，依據本文所述的處理方法得到的三個臺站典型的電離層不均勻體位于其所在高度天頂平面的分布圖.每張圖的中心對應垂測儀在天頂平面上的投影，各個同心圓環代表不同的天頂角，越靠近圓心表示天頂角越小.通過電離層不均勻體在天頂平面的分布圖可以直觀地得到電離層不均勻體的水平分布情況，根據式（11）結合高度信息和天頂角信息可以快速計算出電離層不均勻體在不同方位角上的水平尺度值.

圖5為利用美國Millstone Hill電離層觀測臺站于2007年3月29日2∶11∶00UT的觀測數據在392.5km高度上處理得到的電離層不均勻體分布情況，可見該不均勻體呈東北西南向狹長分布，長度大約為368km，寬度大約為50km.

圖5 電離層不均勻體空間分布1

圖6為利用秘魯Jicamarca電離層觀測臺站于2004年10月7日2∶47∶16UT觀測數據在270 km高度上得到的電離層不均勻體水平分布圖，可見該不均勻體呈東西向狹長分布，長度約為314 km，寬度約為30km.

圖6 電離層不均勻體空間分布2

圖7為利用加拿大Gakona電離層觀測臺站于2006年10月29日2∶21∶21UT的觀測數據在285km高度上處理得到的電離層不均勻體分布情況，可見該不均勻體呈近似圓形分布，直徑大約為126km.

圖8為利用秘魯Jicamarca電離層觀測臺站于2002年11月30日2∶48∶42UT到2002年11月30日4∶53∶42UT連續觀測數據在300km高度上處理得到的電離層不均勻體分布變化情況，時間間隔為5min.可見利用本文所述處理方法經過連續觀測可以跟蹤同一電離層不均勻體的空間分布變化情況及其運動趨勢.

圖7 電離層不均勻體空間分布3

圖8 電離層不均勻體分布隨時間變化

5 結 論

本文將多普勒處理和相位干涉儀測向原理引入到垂測儀回波信號處理中，理論推導了單站單臺垂測儀測量電離層不均勻體水平尺度的基本方法.并利用本文方法對實地觀測數據進行處理成功得到了電離層不均勻體的分布圖，初步證明了本文所述方法的合理性.下一步將開展多種手段聯合觀測試驗進一步驗證本文所述方法的準確性.

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