電離層垂直剖面建模方法改進研究

王華旭 郭文玲 蔚娜 李雪 王鵬

(1. 海軍91033部隊,青島 266071；2. 中國電波傳播研究所,青島 266107;3.63892部隊，洛陽 471003)

電離層垂直剖面建模方法改進研究

王華旭1郭文玲2蔚娜2李雪2王鵬3

(1. 海軍91033部隊,青島 266071；2. 中國電波傳播研究所,青島 266107;3.63892部隊，洛陽 471003)

垂測電離圖反演對研究電離層結構、電離層波傳播等具有重要意義,受到廣泛的重視．模式法是垂測電離圖反演較為普遍的方法,基于Reinisch和黃雪欽根據IRI模型建立的電離層垂直剖面模型,Carlo Scotto提出了一種反演電離層剖面的方法．文章基于這種反演方法對Reinisch和黃雪欽模型進行了改進,把高斯模型應用于F1層模型，使反演后F1層臨頻與實測F1層臨頻基本吻合，同時應用F1層模型的反模型——反高斯模型作為連接層以保證F1層與F2層剖面連續，并通過仿真分析對算法的有效性進行了驗證。

反演;建模;電離層剖面;垂直探測

DOI 10.13443/j.cjors.2016090601

引 言

電離層是指60～1 000 km以上的高層大氣,在太陽輻射的影響下,大氣物質發生電離. 該區域的電離層狀態對雷達無線電波傳播影響顯著. 電離層是超視距傳播系統的傳輸媒質,它對超視距傳播的研究具有重要的意義[1-2]. 目前,國際上常規的短波段地基電離層探測主要包括垂直探測[3-4]、斜向探測[5]和返回散射探測[6-7].利用電離層測高儀對電離層進行垂直探測是電離層研究中歷史最悠久,也是至今為止最為重要的探測方法. 而且電離層測高儀因其廉價、方便和功能豐富而被廣泛采用,是目前地面觀測研究電離層的主要常規設備.

現有的電離層測高儀直接探測只能得到頻率與虛高的關系,不能得到真實的電子濃度. 要研究電離層結構和電離層波傳播問題需要明確真實的電子濃度,也就需要進行電離層垂直探測反演. 電離層垂直探測反演是根據探測的垂測電離圖獲取電磁波真實反射高度與等離子體頻率或電子濃度的對應關系.

目前,垂測電離圖反演方法可以歸納為以下兩種:① 直接計算法[8-9],該方法根據電離層真實高度和虛高的對應關系,直接由實測虛高計算得到電離層真實高度;② 模式法[10-12],該方法假設電離層剖面可用某種模型表征,通過尋找使基于該模型合成的垂測描跡與實測描跡在某種意義上最佳吻合的模型參數來確定電離層剖面. 相較于前一種方法,模式法對于電離圖質量要求不那么苛刻,并且可以得到較好的反演結果,應用較為普遍,國內外學者利用不同的探測數據發展了多種基于模式法的電離層參數反演方法.

基于模式法思想,Reinisch和黃雪欽公開了一種基于國際參考電離層(International Reference Ionosphere, IRI)模型[13]改進的電離層垂直剖面模型[14],Carlo Scotto基于此剖面模型,提出了一種反演電離層剖面的方法[15]. 但當該模型中有F1層存在時,計算得到的F1層臨頻和實測F1層臨頻沒有約束對應關系,導致最終反演得到的F1層臨頻和實測值存在偏差.

針對上述模型的缺陷,本文基于Carlo Scotto反演方法對剖面模型進行了改進,把高斯模型應用于F1層模型,并利用反高斯模型連接F1層和F2層,把文中新改進的模型稱為“本文模型”．本文模型不僅使反演的F1層臨頻與實測F1層臨頻高度吻合,提高了模型的精度,同時還使反演的F1層剖面與實測F1層剖面也達到高度吻合,并且還保證了整個剖面的連續性．本文對提出模型進行了仿真分析,驗證了模型的有效性．

1 反演模型

1.1 Reinisch和黃雪欽改進模型

Reinisch和黃雪欽基于IRI模型建立了改進的電離層垂直剖面模型[14]．三層電離層模型示意圖如圖1所示,橫坐標N表示電子濃度,縱坐標h表示高度,建模模型大體上可概括為:EF段為二次多項式模型,DE段為三次多項式模型,CD段為二次多項式模型,AC段為Reinisch和黃雪欽改進模型．

圖1 三層電離層電子濃度剖面示例

Reinisch和黃雪欽改進后新模型,當有F1層存在時電離層電子濃度剖面具體形式如式(1)所示:

(1)

Hst≠hmE+ΔhvE；NEF(h)表示EF段電子濃度;NDE(h)和NCD(h)表示谷層電子濃度;NAB(h)表示F2層電子濃度;NBC,1(h)表示F1層電子濃度;NBC(h)表示谷層與F1層連接層的電子濃度;NmE表示E層最大電子濃度,hbE表示E層底高，hmE表示E層最大電子濃度處的高度,hvE表示谷層最深處的高度,δhvE表示谷的寬度,δNvE表示谷的深度,ymE表示E的半厚,ymv表示谷的半厚;NmF2表示F2層最大電子濃度,hmF2表示F2層最大電子濃度處的高度,B0是F2層的厚度參數,B1表示F2層的形狀參數;hmF1表示F1層最大電子濃度處的高度,D1表示F1層的形狀參數;

式(1)中NBC,1(h)中Hst為NAB(h)=NmE時的h,NBC(h)中Hst為NBC,1(h)=NmE時的h. 根據剖面的連續性和光滑性確定a0、b0、c0、d0以及ymv的解析式．

1.2 Scotto反演算法

Scotto基于Reinisch和黃雪欽改進模型,提出了一種電離層反演方法[15]．針對含有E層、F1層和F2層三層的電離層,以圖1中參數為例,該方法具體算法如下:

首先,在實測電離圖上選取三個探測頻點．

其次,設置F2層最大電子濃度NmF2、F2層最大電子濃度處的高度hmF2、F1層最大電子濃度NmF1、F2層的厚度參數B0、F2層的形狀參數B1、F1層的形狀參數D1、E層最大電子濃度NmE、E層最大電子濃度處的高度hmE、谷層最深處的高度hvE、谷的寬度δhvE、谷的深度δNvE、E的半厚度ymE共12個自由參數的初始搜索范圍．

然后,鑒于算法的計算效率以及有效性,在12個自由參數尋優中找出與選取的三點實測虛高誤差最小的1 000組參數．

最后,在實測的所有頻點上根據這1 000組數據求取模型的虛高與真實數據虛高的相關系數,把相關系數最高的一組參數作為剖面模型的參數.

1.3 改進新模型

在Reinisch和黃雪欽改進模型中,峰高處電子濃度與根據實測臨頻得到的最大電子濃度吻合得不好,所以在根據反演剖面得到的描跡中,反演描跡的F1層臨頻與實測臨頻有偏差. 本文對F1層模型進行了改進,把高斯模型應用于F1層模型,使反演得到的F1層臨頻與實測F1層臨頻吻合得更好,而且F1層電子濃度與真實電子濃度吻合得很好. 同時F1層模型的反模型——反高斯模型作為保證F1與F2剖面連續的連接層.

當有F1層存在時,改進后新模型的電離層電子濃度剖面具體形式如式(2)所示:

(2)

Hst≠hmE+δhvE．

E層和谷層的連接點位于E層峰高hmE處．谷層包括兩個部分,與E層連接部分N谷E和與連接層1的連接部分N谷F1,并且在高度hmE+δhvE處的濃度等于E層峰高處濃度NmE,這兩部分的連接點位于高度hvE處．F1層和谷層連接層的連接點位于高度h1處．F1層與F1層和F2層連接層的連接點位于F1層峰高hmF1處．F1層與F2層連接層和F2層的連接點位于高度h2處．式(2)中各符號的具體含義如下:

1)E層

NE表示E層的電子濃度;NmE表示E層的最大電子濃度;hmE表示E層峰高;ymE表示E層半厚;hbE=hmE-ymE表示E層底高,是Reinisch和黃雪欽改進模型中EF段(圖1中所示)的模型．

2)谷層

與E層連接部分N谷E的三次多項式模型的各個參數的值根據電子濃度剖面在高度hmE+δhvE處的連續性、在高度hmE處與高度hvE處的光滑性和連續性計算得出,其中δNvE表示谷寬,是Reinisch和黃雪欽改進模型中DE段(圖1中所示)的模型．

N谷F1表示N谷E與連接層1之間的鏈接層,是Reinisch和黃雪欽改進模型中CD段(圖1中所示)的模型．

3)F2層

hmF2表示F2層的峰高;NmF2表示F2層峰高處的電子濃度;h2表示F2層與連接層2的交點處高度,是Reinisch和黃雪欽改進模型中AB段(圖1中所示)的模型.

4)連接層2

hmF1表示F1層峰高;NmF1表示F1層峰高處的電子濃度,是本文改進的模型——反高斯模型．連接層2是保持F1與F2連續的連接層．

5)F1層

h1表示連接層1與F1層連接處的高度,是本文改進的模型——高斯模型．

6)連接層1

連接層1是N谷F1與F1之間的連接層,是Reinisch和黃雪欽改進模型中BC段(圖1中所示)的模型．

Hst是式(3)與式(4)的根,Hz的值如式(5)所示：

NmE=NF2(h*) ，

(3)

(4)

(5)

圖2給出了改進后的電離層垂直剖面建模的結構及Carlo Scotto反演方法流程框圖．

圖2 電離層垂直剖面建模及參數反演方法框圖

2 仿真驗證分析

本文是針對含有F1層的電離層模型進行改進．選取典型的三層電離層對兩種模型進行反演精度驗證,根據Reinisch和黃雪欽改進模型,給出CarloScotto反演算法中一組12個自由參數,作為驗證算法的真實剖面,再根據電離層電子濃度剖面模型以及反演算法再次尋優的方式進行仿真,對兩種模型反演結果進行比較.

兩種模型反演電子濃度與真實值比較如圖3所示.谷層沒有回波描跡,不同的谷層可能會對應相同的E層與F層剖面,本文模型與Reinisch和黃雪欽改進模型計算的E-F1谷區電子密度(兩個模型計算的結果幾乎完全相同)與真實電子密度值存在一定差別. 圖3中小圖為黑色圈中放大部分,拐點處表示F1層臨頻．由圖3可見:改進模型F1層反演得到的電子濃度與真實值吻合得很好;與Reinisch和黃雪欽改進模型反演的結果相比,本文模型反演的F1層臨頻更接近真實值,絕對誤差僅為0.001MHz.

圖4為根據反演結果合成的描跡與真實描跡的比較,圖中小圖為黑色圈中放大部分,可見改進后模型的結果與真實值吻合得很好.

圖3 電子濃度比較

圖4 合成描跡

由仿真結果可知,改進模型的反演精度較原模型有較大提高,尤其是F1層臨界頻率,與真實值幾乎完全一致.

3 結 論

垂直探測是地面觀測研究電離層的常用方式.垂測電離圖的研究對于電離層的研究具有重要意義. 本文針對Reinisch和黃雪欽基于IRI模型改進后的電離層垂直剖面建模模型進行了改進,把高斯模型應用于F1層模型,并在F1層與F2層連接處應用了新的模型——反高斯模型. 改進后模型使F1層臨頻與實測臨頻高度吻合,而且F1層反演電子濃度剖面與真實值也高度吻合,提高了反演精度,保證了整個剖面的連續性. 本文提出的模型改進方法對電離層研究具有一定價值.

[1] 焦培南, 張忠治. 雷達環境與電波傳播特性[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007.

[2] FELGATE D G, GOLLEY M G. Ionospheric irregularities and movements observed with a large aerial array[J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1971, 33(9): 1353-1369.

[3] HUNSUCKER R D. Radio techniques for probing the terrestrial ionosphere[M]. Heidelberg: Springer-Verlag, 1991.

[4] 柳文, 孔慶顏, 陳躍, 等.基于IRI模型的垂測電離圖自動判讀算法研究[J]. 電波科學學報, 2009, 24(2): 218-223.

LIU W, KONG Q Y, CHEN Y, et al. Method on ionogram autoscaling based on IRI model[J]. Chinese journal of radio science, 2009, 24(2): 218-223.(in Chinese)

[5] 婁鵬, 凡俊梅, 柳文, 等.電離層斜向傳播異常信號特性的研究[J]. 中國電子科技研究院學報, 2011, 6(1): 39-43.

LOU P, FAN J M, LIU W, et al. A study on the irregular characteristics of the ionospheric oblique sounding signals[J]. Journal of CAEIT, 2011, 6(1): 39-43.(in Chinese)

[6] 凡俊梅, 焦培南, 吳振森, 等. 電離層不同傳播模式信號多普勒頻移的實驗研究[J]. 電波科學學報, 2008, 23(1): 34-40.

FAN J M, JIAO P N, WU Z S, et al. Experiment research on ionospheric Doppler shift for different propagation [J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(1): 34-40.(in Chinese)

[7] 焦培南, 凡俊梅, 吳海鵬, 等. 高頻天波返回散射回波譜實驗研究[J]. 電波科學學報, 2004, 19(6): 643-648.

JIAO P N, FAN J M, WU H P, et al. The experimental research of the Doppler spectrum by HF skywave backscattering[J]. Chinese journal of radio science, 2004, 19(6): 643-648.(in Chinese)

[8] TITHERIDGE J E.. A new method for the analysis of ionospherich’(f) records[J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1961, 21(1):1-12.

[9] TITHERIDGE J E. The calculation of real and virtual heights of reflection in the ionosphere[J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1959, 17(1/2): 96-109.

[10]丁宗華, 寧百齊, 萬衛星.電離層頻高圖參數的實時自動度量與分析[J]. 地球物理學報, 2007, 50(4): 969-978.

DING Z H, NING B Q, WAN W X. Real-time automatic scaling and analysis of ionospheric ionogram parameters [J]. Chinese journal of geophysics, 2007, 50(4): 969-978.

[11]DYSON P L, BENNETT J A. A model of the vertical distribution of the electron concentration in the ionosphere and its application to oblique propagation studies[J]. Journal of atmospheric and terrestrial physics, 1988, 50(3): 251-262.

[12]鄭傳青. 垂直探測頻高圖的反演. 電波科學學報,1992, 7(4): 64-74.

ZHENG C Q. The inversion of the vertical sounding ionogram[J].Chinese journal of radio science, 1992, 19(6): 643-648.(in Chinese)

[13]BILITZA D, RAWER K, BOSSY L, et al. The international reference ionosphere: NSSDC/WDC-A-R&S Report 90-22[R]. Maryland: National Space Science Data Center, 1990.

[14]REINISCH B W, HUANG X Q. Redefining the IRI F1layer profile[J]. Advances in space research, 2000, 25(1): 81-88.

[15]SCOTTO C. Electron density profile calculation technique for autoscala ionogram analysis[J]. Advances in space research, 2009, 44 (6): 756-766.

王華旭 (1972—),男,山東人,工程師,畢業于海軍電子工程學院,目前主要研究方向為無線通信.

郭文玲 (1986—),女,山東人,碩士,工程師,目前主要研究方向為電離層電波傳播、雷達信號處理等.

蔚娜 (1981—),女,山東人,博士,高級工程師,目前主要從事雷達信號處理和電波傳播研究工作.

李雪 (1981—),男,黑龍江人,博士,高級工程師,目前主要研究方向為電離層回波信號處理、雷達信號處理、電波傳播等.

王鵬 (1986-)男，山西人，碩士研究生，助理研究員，目前主要研究方向為電子對抗系統仿真。

The method improvement of ionospheric vertical profile model

WANG Huaxu1GUO Wenling2WEI Na2LI Xue2WANG Peng3

(1.Naval91033,Qingdao266071,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;3.63892ForcesofPLA,Luoyang471003,China)

The electron density profile inversion from vertical incidence ionograms, which is essential for research on the ionospheric structures and wave propagation, has received extensive attention. The model method is common for the inversion of vertical sounding ionogram. The inversion method of ionospheric profile was proposed by Carlo Scotto based on the Huang Xueqin's ionospheric vertical profile model. With this premise, we apply the Gauss model to F1layer for the improvement of Huang Xueqin's model. The inversion critical frequency of F1layer agrees with the measured value. Also we use the anti-Gauss model of the F1layer as the joint layer to ensure the continuity of the F1and F2layer section. The validity of the algorithm is also verified by simulation analysis.

inversion; model; ionosphere profile; vertical sounding

2016-09-06

國防技術基礎科研項目(JSHS2014210A002)；國家自然科學基金(No. 61331012)

10.13443/j.cjors.2016090601

P352

A

1005-0388(2017)01-0073-06

聯系人： 王華旭 E-mail：15820039820@163.com

王華旭,郭文玲,蔚娜, 等. 電離層垂直剖面建模方法改進研究[J]. 電波科學學報,2017,32(1):73-78.

WANG H X, GUO W L, WEI N, et al. The method improvement of ionospheric vertical profile model[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):73-78. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016090601