基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法与流程

本发明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。
背景技术：
：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。技术实现要素：本发明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，本发明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。本发明的优点是：本发明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是发明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是本发明实施例中实测谱与vhf反演结果拟合谱；图3是本发明实施例中实测谱及其未修正时的拟合谱；图4实本发明实施例中测谱与最佳pgm高斯峰；图5修本发明实施例中正谱及其反演拟合谱；图6本发明实施例中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发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，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，其在此不应限制本发明的保护范围。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，同样不应限制本发明的保护范围。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，可认为其仍然处于平衡状态，即满足麦克斯韦分布：其中，为离子热速率，kb为玻尔兹曼常量。对电离层进行人工加热时，由于电子与其他粒子之间的相互碰撞，尽管存在加热电场和地磁场的作用，但电子的分布仍然表现为各向同性，而加热的作用仅仅表现为电子速率分布函数的尾部增强。因此，我们可以使用超高斯分布函数对非麦克斯韦分布进行近似：其中，2≤m≤5为非麦克斯韦指数，当m＝2时对应于麦克斯韦分布函数，其中，为电子热速度，γ(x)是伽马函数，是电子温度。3)使用超高斯速率分布修正的非相干散射理论对电离层参量进行反演。首先，提取三个异常谱的先验信息，即未加热时刻的电离层参量，如表2：表2异常非相干散射谱的先验信息异常谱1异常谱2异常谱3时刻(ut)11:43:4011:49:4512:04:40高度(km)196196196电子温度(k)168717931944离子温度(k)625659935电子密度(m-3)2.53×10112.69×10113.04×1011将表2中的先验参量作为反演的初始值对实测谱进行反演拟合。不断改变电离层参量并进行理论谱拟合，直到理论谱和实测谱的拟合残差r1达到最小(如图3所示，图中实线为实测谱，虚线为反演拟合谱)。表3未修正实测谱的反演结果电子温度(k)电子密度(m-3)非麦克斯韦指数拟合残差r1异常谱132882.85×101120.0562异常谱222482.79×10114.580.0684异常谱317091.41×101120.09494)对实测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。参见图4、图5和表4，图4中实线代表实测谱，虚线为最佳pgm峰，将pgm峰从实测谱中减去得到图5中实线表示的最佳修正谱。对修正谱进行反演拟合得到图5中虚线表示的拟合谱，其所对应的电离层参量由表4列出。表4修正谱的反演结果电子温度(k)电子密度(m-3)非麦克斯韦指数拟合残差r2异常谱125132.97×10114.640.0205异常谱226392.04×10113.530.0325异常谱322092.18×101150.00145)比较步骤3)和步骤4)获取的拟合残差，发现均有r2<r1，说明修正成功，最佳修正谱所反演的电离层参量为最佳结果。一般来说，由于uhf雷达的频率很高，加热朗缪尔湍流的影响较小，加热扰动也就没有vhf雷达观测那么明显。对上述3个时刻反射高度的uhf雷达离子线谱进行提取，如图6所示。表5罗列了3个异常谱在未加热时刻、利用超高斯分布反演、guisdap反演vhf数据和uhf数据的电离层参量。表5反演参数对比将超高斯分布反演的结果与guisdap反演uhf雷达数据的结果相比，发现两者在数值上非常接近，可见使用本章提出的改进方法修正异常谱并利用超高斯分布反演的结果相比于直接用guisdap对vhf数据的反演结果更为合理的。本发明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。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页12