基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法技术

本发明专利技术属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，旨在解决现有的电离层电场提取方法仅适用于高纬度地区不适用于低纬度地区的问题

【技术实现步骤摘要】
579
‑
587, doi: 10.26464/epp2020063
；
Yue, X.; Wan, W.; Ning, B.; Jin, L. An active phased array radar in China. Nat. Astron. 2022, 6, 619, doi:10.1038/s41550
‑
022
‑
01684
‑1；
Yue, X., Wan, W., Ning, B., Jin, L., Ding, F., Zhao, B., et al. (2022). Development of theSanya incoherent scatter radar and preliminary results. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127, e2022JA030451. https://doi.org/10.1029/2022JA0)。
[0005]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，通过离子矢量速度以及风场和扩散速度等可进一步计算电离层的电场
。
[0006]现有的相控阵非相干散射雷达只有美国的
AMISR
和三亚非相干散射雷达，而美国
AMISR
的两部雷达均位于高纬地区，而三亚非相干散射雷达位于低纬地区
。
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，因此在高纬地区高高度（电离层
F
层及以上）的离子速度只受电场的影响，因此在地磁坐标系下，通过垂直于磁力线朝东和垂直磁力线朝北的离子矢量速度可以唯一的垂直于磁力线朝东和垂直磁力线朝北的电场，沿磁力线的电场为0，因此可以得到矢量电场的三维分量，同时在高纬地区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
。
对于低纬地区上述方法不成立，因为低纬地区磁力线近似水平，高高度的离子速度和低高度的离子速度都不仅受电场作用，还受风场
、
重力和压力梯度力等共同作用，通过三亚非相干散射雷达多个波束的视线速度可以获得3个方向的矢量速度，但是由于矢量速度受电场
、
风场
、
重力和压力梯度力共同影响，无法直接通过矢量速度提取出3个方向的电场
。
[0007]其次受地磁场构型影响，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
。
高纬地区速度量级大，提取准确的离子速度相对容易，而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
。
[0008]基于此，本专利技术提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法
。

技术实现思路

[0009]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决非相干散射雷达现有的电离层电场提取方法仅适用于高纬度地区，不适用于低纬度地区的问题，本专利技术第一方面，提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，该方法包括：通过非相干散射雷达探测得到待提取电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；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；根据所述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；
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
、
所述电子温度
、
所述离子温度，计算得到扩散速度；结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场
。
[0010]在一些优选的实施方式中，所述离子动量方程为：；其中，表示矢量速度，表示矢量风场，表示矢量电场，表示电荷量，表示离子质量，表示碰撞频率，表示磁场
。
[0011]在一些优选的实施方式中，将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程，其方法为：；；；其中，下标表示北向，下标表示东向，下标表示垂向，即
、
表示北向的速度
、
北向的风场，
、
表示东向的速度
、
东向的风场，
、
表示垂向的速度
、
垂向的风场，
、、
表示北向的电场
、
东向的电场
、
垂向的电场，代表磁倾角，代表磁偏角
。
[0012]在一些优选的实施方式中，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程，其方法为：；；；其中，表示垂直磁力线朝北，表示垂直磁力线朝东，表示反平行磁力线方向，即
、
表示垂直磁力线朝北的速度
、
垂直磁力线朝北的风场，
、
表示垂直磁力线朝东的速度
、
垂直磁力线朝东的风场，
、
表示反平行磁力线方向的速度
、
反平行磁力线方向的风场，
、、
表示垂直磁力线朝北的电场
、
垂直磁力线朝东的电场
、
反平行磁力线方向的电场
。
[0013]在一些优选的实施方式中，所述不同方向的风场包括南北向的中性风
、
东西向的
中性风
。
[0014]本专利技术的第二方面，提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的系统，该系统包括：参量获取模块，配置为通过非相干散射雷达探测得到待提取电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；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；矢量速度计算模块，配置为根据所述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；扩散速度计算模块，配置为通过中性模型计算电离层的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，该方法包括：通过非相干散射雷达探测得到待提取电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；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；根据所述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；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
、
所述电子温度
、
所述离子温度，计算得到扩散速度；结合所述扩散速度，构建离子动量方程；将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程；根据所述地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程；基于不同方向的风场，通过所述第二方程，得到不同方向的电场，进而得到三维矢量电场
。2.
根据权利要求1所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，所述离子动量方程为：；其中，表示矢量速度，表示矢量风场，表示矢量电场，表示电荷量，表示离子质量，表示碰撞频率，表示磁场
。3.
根据权利要求2所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，将所述离子动量方程在地理坐标下进行拆分，将拆分后的方程作为第一方程，其方法为：；；；其中，下标表示北向，下标表示东向，下标表示垂向，即
、
表示北向的速度
、
北向的风场，
、
表示东向的速度
、
东向的风场，
、
表示垂向的速度
、
垂向的风场，
、、
表示北向的电场
、
东向的电场
、
垂向的电场，代表磁倾角，代表磁偏角
。4.
根据权利要求3所述的基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法，其特征在于，将所述第一方程转换为在地磁坐标系下的动量方程，作为第二方程，其方法为：；
；；其中，表示垂直磁力线朝北，表示垂直磁力线朝东，表示反平行磁力线方向，即
、
表示垂直磁力线朝北的速度
、
垂直磁力线朝北的风场，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，乐新安，宁百齐，丁锋，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：