【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电离层电波传播领域，特别涉及该领域中的一种基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法。
技术介绍
1、电离层行进式扰动(travelling ionospheric disturbance,tid)是一种常见电离层扰动形式，广泛存在于电离层中。tid表现为波状不均匀结构，常用特征波长、速度和周期等参数来表示。tid按照波长划分，可以分为小尺度(小于100km)、中尺度(100～1000km)和大尺度(大于1000km)三类。tid导致的电离层电子密度扰动将改变短波传播特性，严重影响短波通信系统最优工作频率预测准确率，以及天波超视距雷达坐标配准计算精度等。
2、目前一般利用射线追踪技术来研究背景电离层短波传播效应，即利用射线理论近似，忽略由不均匀结构引起的绕射(衍射)和干涉等效应，仅考虑了电波折射效应。短波射线追踪可给出短波在电离层－地海面间射线路径，但无法数值计算电波场强分布及路径传播损耗。当电离层存在中小尺度不均匀结构时，仅考虑折射效应的短波射线理论不再适用。对远距离短波传播而言，菲涅耳尺度约为10km量级。因此，发生中小尺度的tid时，除折射外，短波传播绕射及干涉效应不可忽略。另一方面，严格求解波动方程的数值计算方法，如时域有限差分方法(finite difference time domain，fdtd)可以准确评估不均匀体发生时短波传播效应。然而，该数值方法要求较高的空间采样，即一个波长内需划分10-20个计算单元，无法应用于大区域场景短波传播计算。根据波动方程前向散射近似而来的
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
4、步骤1，背景电离层产生：
5、利用国际参考电离层模型iri，设置参数，获得背景电离层电子密度分布n0，也就是无扰动条件下背景电离层电子密度分布n0；
6、步骤2，tid模型建立：
7、tid模型为：
8、n＝n0(1+δ)
9、上式中，n为tid发生时，总的电子密度；△为扰动项；
10、
11、上式中，δ为tid幅度；z为距地面高度；z0为最大扰动幅度高度；h为标高；t为传播时间；t0为初始时刻；t为周期；x为水平方向距离；λx为水平方向波长；λz为垂直方向波长；
12、步骤3，tid折射指数计算：
13、电离层电波折射指数n为：
14、
15、上式中，为等离子体频率，f为入射波频率，z＝υe/2πf，电子的碰撞频率为υe＝υen+υei，υen为电子与中性气体的碰撞频率，υei为电子与离子的碰撞频率；i为虚数单位；
16、υen及υei分别为：
17、
18、上式中，ne是n0加上扰动后总的电子密度，[n2]、[o2]和[o]分别为中性成份氮气、氧气和氧原子浓度，te为电子温度；
19、步骤4，抛物方程宽角近似：
20、由波动方程近似得到前向传播的单向抛物方程：
21、
22、上式中，u(x,z)为波幅度函数，k0为入射波波数，k0＝2πf/c，c为光速常数，q为微分算子，定义为：
23、
24、利用feit-fleck近似，对微分算子q进行展开，得到feit-fleck型宽角抛物方程：
25、
26、步骤5，分步傅立叶数值求解：
27、feit-fleck型宽角抛物方程的数值解为：
28、
29、上式中，im表示取折射指数n的虚部，re表示取折射指数n的实部，△x为x轴方向步进长度，p＝k0sin(θ)为角谱域变量，θ为电磁波与水平方向的夹角，为傅立叶逆变换，为傅立叶反变换，地面近似为理想导体表面，在水平极化条件下，有u(x,0)＝0；
30、步骤6，路径传播损耗计算：
31、把高斯波束辐射源等效为全向辐射源，设不存在系统损耗，并考虑自由空间损耗，路径传播损耗为：
32、l(x,z)＝32.4+20lg(f)+20lg(x)+10lg(2π)-10lg(f2)
33、上式中，f为传播因子，与波幅度u(x,z)之间关系为：
34、f2＝x|u(x,z)|2λ
35、上式中，λ为入射波波长；
36、设发射源为高斯型波束，则初始场为：
37、
38、上式中，a为归一化常数，β为半功率高斯波束宽度，zs为波束高度，θ0为波束仰角。
39、进一步的，在步骤1中，设置的参数包括年份、月份、世界时、经度、纬度以及高度。
40、进一步的，在步骤2中，δ＝0.3，t＝10小时，t＝12时，t0＝0时，h＝150km，z0＝250km，z范围为0-500km，x范围为0-3000km，λx＝80km，λz＝60km。
41、进一步的，在步骤3中，f取20mhz。
42、进一步的，在步骤5中，△x＝1km。
43、进一步的，在步骤6中，β＝5°，zs＝5m，θ0＝25°。
44、本专利技术的有益效果是：
45、对于短波通信、天波超视距雷达等短波系统而言，电离层发生tid时，电波折射、绕射、干涉等效应显著，严重影响短波系统工作性能。本专利技术所公开的计算方法，考虑了电离层tid时短波前向传播时折射、绕射及干涉效应，不仅可以计算短波覆盖范围，亦可计算短波场强分布及路径传播损耗，优于传统短波射线追踪算法。借助抛物方程分步傅立叶算法，克服几何光学近似无法计算电波场强及传播损耗的不足，可为短波通信、雷达等系统设计以及运行等提供技术支撑。
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1.一种基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤1中，设置的参数包括年份、月份、世界时、经度、纬度以及高度。
3.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤2中，δ＝0.3，T＝10小时，t＝12时，t0＝0时，H＝150km，z0＝250km，z范围为0-500km，x范围为0-3000km，λx＝80km，λz＝60km。
4.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤3中，f取20MHz。
5.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤5中，△x＝1km。
6.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤6中，β＝5°，zs＝5m，θ0＝25°。
【技术特征摘要】
1.一种基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤1中，设置的参数包括年份、月份、世界时、经度、纬度以及高度。
3.根据权利要求1所述基于宽角抛物方程的电离层行进式扰动短波传播效应数值计算方法，其特征在于：在步骤2中，δ＝0.3，t＝10小时，t＝12时，t0＝0时，h＝150km，z0＝250km，z范围为0-500...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐彤，胡艳莉，孙树计，胡冉冉，刘文龙，朱梦言，孙凤娟，班盼盼，陈春，
申请(专利权)人：中国电波传播研究所中国电子科技集团公司第二十二研究所，
类型：发明
国别省市：
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