基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法技术

一种基于带有零频峰的三峰结构异常非相干散射离子线谱反演强扰动电离层参量，该方法包括以下步骤：通过非相干散射雷达观测数据，提取电离层加热实验引起的强扰动区域具有零频峰三峰结构的异常非相干散射离子线谱；使用加热电子的超高斯分布或Bump‑on‑tail分布对传统平衡态的非相干散射理论进行修正，并根据修正的非相干散射理论对三峰异常谱进行反演；对提取的异常谱进行修正和反演，将反演结果与未修正时的反演结果进行对比，取最优者作为最终反演结果。本发明专利技术针对传统的反演方法只考虑平衡态麦克斯韦分布这一局限进行修正，弥补传统反演过程所产生的极大误差，对强扰动电离层参量有更合理的估计。

A method for inversion of strongly perturbed ionospheric parameters based on three peak structure of ion line spectrum

Based on the three peak structure with zero frequency peak anomaly incoherent scattering ion spectrum inversion strong ionospheric disturbance parameters, the method comprises the following steps: coherent scattering radar observation data by non extraction caused by strong disturbance of regional ionospheric heating experiments with zero frequency peak three peak structure abnormal incoherent scattering ion spectrum; super Gauss the distribution of on tail or Bump distribution of non modified coherent scattering theory of traditional equilibrium using the heating of the electron, and according to the incoherent scattering theory of three peak spectral anomalies of inversion correction; to extract abnormal spectrum correction and inversion, the inversion and the correction results were compared, and the best one as the final inversion results. The present invention for traditional inversion methods only consider the equilibrium Maxwell distribution of this limitation is modified, great error produced to make up for the traditional process of inversion of strong ionospheric disturbance parameter estimation more reasonable.

【技术实现步骤摘要】
基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法
本专利技术属于电离层探测领域，尤其涉及一种基于带有零频峰的三峰结构异常非相干散射离子线谱反演强扰动电离层参量的方法，利用振荡双流不稳定性以及非麦克斯韦速率分布函数反演强扰动电离层参量。
技术介绍
利用大功率无线电波对电离层进行加热，在加热泵波反射高度附近产生强扰动区域。强扰动区域的等离子体处于非平衡态，电子和离子偏离平衡态的麦克斯韦分布，从而影响探测雷达接收的散射功率谱。目前，非相干散射雷达是是最强有力的电离层地面探测工具之一。而现有的非相干散射数据分析程序GUISDAP对电离层参量反演所使用的是基于平衡态的非相干散射理论，对强扰动区域的电离层参量分析存在很大偏差。2010年，Vickers等人提出一种利用麦克斯韦分布修正三峰结构异常谱的方法。然而，对三峰异常谱进行去PGM峰修正后通常并非呈现对称的双峰结构。因此对于大部分情况，利用麦克斯韦分布修正和反演是不合理的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于带有零频峰的三峰结构异常非相干散射离子线谱反演强扰动电离层参量的方法，提取强扰动区域相应电离层高度的三峰结构离子线谱，根据振荡双流不稳定性对非相干散射功率谱的影响，先后对非相干散射理论和扰动的离子线谱进行修正，获得电子温度和电子密度等参量。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种基于带有零频峰的三峰结构异常非相干散射离子线谱反演强扰动电离层参量的方法，包括以下步骤：1)通过非相干散射雷达观测数据，提取电离层加热实验引起的强扰动区域具有零频峰三峰结构的异常非相干散射离子线谱。具体的实施方法是：根据振荡双流不稳定性激发所需要的电场阈值判断本次实验是否激发了振荡双流不稳定性。电场阈值的计算公式为：|EOTSI|＝(2memi/e2)1/2Cs(ω0νeh)1/2/cosθ其中，me和mi分别为电子和离子的质量，e为电子电量，Cs＝[(Te+3Ti)/mi]1/2为离子声速，Te和Ti分别为电子温度和离子温度，ω0为加热频率，veh为电子有效碰撞频率，θ为加热波的传播倾角。根据计算加热泵波反射高度处的电场强度，ERP为有效辐射功率，z是电离层高度。将该值与电场阈值对比，若E(z)≥|EOTSI|则说明振荡双流不稳定性被激发，即该三峰结构是由振荡双流不稳定性引起的。通过上述判断，确定具有零频峰的三峰异常非相干散射离子线谱是由振荡双流不稳定性引起的。2)对平衡态的非相干理论进行修正，具体的修正方法如下：使用电离层加热引起的非麦克斯韦分布对电子和离子的速率分布进行描述，分别为fe和fi。则在有多种离子组分条件下的功率谱方程为：其中，ε为介电常数：其中χe和χi分别为电子和离子的极化率。3)使用步骤2)中修正的非相干散射理论对步骤1)中提取的异常谱进行反演，获取电离层参量和拟合残差R1。具体的实施方法是：从电离层模型中获取未加热状态的电离层参量，包括离子温度、漂移速度、中性离子浓度、电子温度和电子密度等，作为反演的初始值。在一定的步数内不断改变并迭代这些电离层参量，直至拟合出来的理论谱和实测异常谱最吻合。度量吻合程度的方法为计算理论谱和实测谱之间的拟合残差R1，最小的R1对应该情况下最吻合的理论谱，保存此时的拟合残差R1及电离层参量集合x1。4)对步骤1)中提取的异常谱进行修正并进行反演，获取最佳修正谱、反演参量以及拟合残差R2。具体的实施方法是：从步骤1)中提取的实测异常谱中减去不同幅度和宽度的高斯峰，得到不同的修正谱。使用步骤2)中修正的非相干散射理论拟合每一个修正谱，获取对应的不同组合的电离层参量以及拟合残差。找到最小的拟合残差R2，其所对应的修正谱为最佳修正谱。保存此时的拟合残差R2及电离层参量集合x2。5)比较步骤3)和步骤4)获取的拟合残差，若R2<R1，则最佳修正谱所反演的电离层参量x2为最佳结果；反之，则表示修正效果不理想，无需对实测谱进行修正，电离层参量x1为最佳结果。本专利技术的优点是：本专利技术基于带有零频峰的三峰结构异常非相干散射离子线谱，使用非麦克斯韦速率分布函数对平衡态的非相干散射理论进行修正，并通过修正后的非相干散射反演方法对三峰谱进行修正拟合，获取电离层参量。相比以往的电离层参量反演方法，该方法能够很大程度提高反演精度，是获取强扰动电离层参量的一种新方法。附图说明图1是专利技术实施例中提取的三个具有PGM特征的三峰结构的异常非相干散射谱；图2是本专利技术实施例中实测谱与VHF反演结果拟合谱；图3是本专利技术实施例中实测谱及其未修正时的拟合谱；图4实本专利技术实施例中测谱与最佳PGM高斯峰；图5修本专利技术实施例中正谱及其反演拟合谱；图6本专利技术实施例中UHF雷达探测的离子线谱。上述所有附图中的横坐标为频率，纵坐标为功率。具体实施方式下面结合实例对本专利技术进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为了便于说明，采用的是我国于2010年9月5日利用欧洲非相干散射雷达协会(EISCAT)的地基大功率加热设施在附近获取的电离层加热实验数据，所修正的三峰谱只是示例，其在此不应限制本专利技术的保护范围。此外需要说明的是，所使用的超高斯分布为经验的加热电子分布函数，且离子速率分布函数假设仍遵循麦克斯韦分布，同样不应限制本专利技术的保护范围。在2010年9月5日(三个时间点)于附近开展的电离层加热实验中随机提取加热期间反射高度196km处的三个具有PGM(PurelyGrowingMode,纯增长模)特征的三峰谱(如图1所示)。按照如下步骤对扰动电离层参量利用超高斯分布进行反演：1)提取三峰结构的异常非相干散射离子线谱。加热频率为4.9128MHz，加热地点所在的经纬度为69°N,19°E，地磁偏角为12°。通过国际电离层模型IRI-2012，我们可得电子温度为1348K，离子温度为792K，再通过MSIS-E-90大气模型可以查得电离层中性温度为798K，中性粒子O的浓度为1.777×108cm-3，N2的浓度为2.944×109cm-3，O2的浓度为3.107×109cm-3。在反射高度，加热波频率与电离层频率相等。通过上述参量计算激发振荡双流不稳定性所要达到的电场阈值为EOTSI＝0.2187V/m。有效辐射功率ERP＝240MW，根据计算加热泵波反射高度196km处的电场强度为0.433V/m。E(z)≥|EOTSI|，说明激发了振荡双流不稳定性。2)修正平衡态的非相干散射理论。使用GUISDAP(GrandUnifiedIncoherentScattrDesignandAnalysisPackage,非相干散射设计与分析程序包)对VHF雷达探测数据进行反演，如表1：表1GUISDAP反演VHF雷达数据所得参量信息电子温度(K)离子温度(K)电子密度(m-3)异常谱1152610642.5×1011异常谱2137010053.2×1011异常谱315766573.8×1011对表1中的参量使用超高斯速率分布修正的非相干散射理论进行拟合，得到图2中的理论非相干散射谱，由虚线表示。可见，使用VHF反演数据所拟合的非相干散射谱与实测谱不管是在幅值还是在谱型上都相差很大，说明VHF反演参量的误差很大。由于离子的质量很大，受加热扰动的影响较小，几乎不受高频外场的变化而变化，可认为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过非相干散射雷达观测数据，提取电离层加热实验引起的强扰动区域具有零频峰三峰结构的异常非相干散射离子线谱；(2)使用非麦克斯韦速度分布对传统平衡态的非相干散射理论进行修正；(3)使用步骤(2)中修正的非相干散射理论对步骤(1)中提取的异常谱进行反演，获取电离层参量x1和拟合残差R1；(4)对步骤(1)中提取的异常谱进行修正并使用步骤(2)中修正的非相干散射理论对修正谱进行反演，获取最佳修正谱、反演参量x2以及拟合残差R2；(5)比较步骤3)和步骤4)获取的拟合残差，若R2<R1，则最佳修正谱所反演的电离层参量x2为最佳结果；反之，则表示修正效果不理想，无需对实测谱进行修正，电离层参量x1为最佳结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过非相干散射雷达观测数据，提取电离层加热实验引起的强扰动区域具有零频峰三峰结构的异常非相干散射离子线谱；(2)使用非麦克斯韦速度分布对传统平衡态的非相干散射理论进行修正；(3)使用步骤(2)中修正的非相干散射理论对步骤(1)中提取的异常谱进行反演，获取电离层参量x1和拟合残差R1；(4)对步骤(1)中提取的异常谱进行修正并使用步骤(2)中修正的非相干散射理论对修正谱进行反演，获取最佳修正谱、反演参量x2以及拟合残差R2；(5)比较步骤3)和步骤4)获取的拟合残差，若R2<R1，则最佳修正谱所反演的电离层参量x2为最佳结果；反之，则表示修正效果不理想，无需对实测谱进行修正，电离层参量x1为最佳结果。2.根据权利要求1所述的基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法，其特征在于，所述的步骤(1)的具体方法是：根据振荡双流不稳定性激发所需要的电场阈值判断本次实验是否激发了振荡双流不稳定性。电场阈值的计算公式为：|EOTSI|＝(2memi/e2)1/2Cs(ω0νeh)1/2/cosθ其中，me和mi分别为电子和离子的质量，e为电子电量，Cs＝[(Te+3Ti)/mi]1/2为离子声速，Te和Ti分别为电子温度和离子温度，ω0为加热频率，veh为电子有效碰撞频率，θ为加热波的传播倾角；通过上述判断，确定带有零频峰三峰结构非相干散射离子线谱是由振荡双流不稳定性引起的。3.根据权利要求1所述的基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法，其特征在于，所述的步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海英，孔鹏飞，徐彬，吴振森，白璐，曹运华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61