基于非相干散射雷达提取低纬地区电离层电场的方法

本发明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、系统和装置。

背景技术：

1、电离层是地球上空五、六十公里到一、两千公里高度范围的部分电离区域，是日地空间环境中与人类活动最为密切的关键层次，对无线电通讯、卫星导航和定位、载人航天等具有重要影响。在所有的电离层探测手段中，非相干散射雷达是迄今为止最为强大的探测手段，其具有探测功能强、参量多（多种场和粒子成分）、精度高、分辨率好、高度范围覆盖大等众多优点。1958年gordon提出可以用大功率的雷达探测到电离层中电子微弱的汤姆森散射信号（可参考文献：gordon, w. e, “incoherent scattering of radio waves byfreeelectrons with applications to space exploration by radar,” proceedings ofthe ire, vol.46, no.11, pp.1824–1829, aug.1958. doi:10.1109/jrproc.1958.286852）。bowles (1958)通过非相干散射探测实验测得了散射回波，之后很多的研究学者证明非相干散射雷达使用电子热波动的散射信号可以测量电离层的参数，例如电子密度、离子成分、电子温度、离子温度、漂移速度等(可参考文献：bowles, k. l,“observation of vertical-incidence scatter from the ionosphere at 41 mc/sec,”physicalreview letters, vol.1, no.12, pp.454–455, dec1958. doi:10.1103/physrevlett.1.454)。

2、随着雷达技术的发展，相控阵天线以其大范围快速扫描，精细扫描，灵活可控以及长时间连续观测等优点进入人们的视野，非相干散射雷达开始使用相控阵天线来代替传统的抛物面天线，21世纪，美国提出了新式的模块化的有源相控阵雷达项目(amisr)，通过电扫描控制雷达波束从而可以在微秒量级内快速切换波束方向，大大改善了传统抛物面雷达机械转动改变波束方向导致产生时间模糊的问题(可参考文献：valentic t., buonocorej., cousins m., heinselman c., jorgensen j.&kelly j. et al, “amisr theadvanced modular incoherent scatter radar, ” ieeeinternational symposium onphased array systems&technology, waltham, ma, usa, pp. 659-663, 2013, doi:10.1109/array.2013.6731908)。建成后，阵面放置在阿拉斯加fairbanks附近的poker观测研究场地进行试验运行，其他阵面安装在加拿大的resolute湾，其地理位置均位于高纬地区。

3、中国科学院地质与地球物理研究所在电离层低纬地区三亚研制和建成了大功率相控阵非相干散射雷达，技术上具有持续观测、全空域覆盖、局部空间快速扫描等新的优势。该非相干散射雷达可以探测三亚周围两千公里范围的电离层，覆盖我国南海、东南沿海及南方地区，将是东亚地区和低磁纬地区的首台先进相控阵体制的非相干散射雷达(可参考文献：yue, x.; wan, w.; xiao, h.; et al. preliminary experimental results bythe prototype of sanya incoherent scatter radar. earthplanet. phys. 2020, 4,579-587, doi: 10.26464/epp2020063；yue, x.; wan, w.; ning, b.; jin, l. anactive 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 andpreliminary results. journal of geophysical research: space physics, 127,e2022ja030451. https://doi.org/10.1029/2022ja0)。

4、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。

5、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。

6、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。

7、基于此，本发明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

1、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，本发明第一方面，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：

2、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；

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、在一些优选的实施方式中，所述离子动量方程为：

10、；

11、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。

12、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：

13、；

14、；

15、；

16、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。

17、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：

18、；

19、；

20、；

21、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。

22、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。

23、本发明的第二方面，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：

24、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；

25、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；

26、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；

27、扩散速度计算模块，配置为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；

28、第一方程构建模块，配置为结合所述扩散速度，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；

29、第二方程构建模块，配置为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；

30、电场获取模块，配置为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。

31、本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序应用由处理器加载并执行以实现上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。

32、本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现上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。

33、本发明的有益效果：

34、本发明实现了低纬度地区的电离层三维矢量电场的提取。

35、（1）本发明利用三亚非相干散射雷达对亚洲扇区低纬地区的电场进行提取，首次能够定量计算低纬地区对于电离层探测非常重要的电场三维矢量，实现了低纬地区100-500km电场的准确探测；

36、（2）目前通过测高仪或者gnss接收机仅能获得电子浓度峰值以下的剖面数据和电子浓度总含量数据，缺乏必要的动力学信息，无法研究快速变化的电离层物理过程及其演化机制。本发明通过三亚非相干散射雷达的获得低纬电离层100km-500km的电场的测量，用于研究各种大气波动上传和电离层响应、耦合和能量传输机制，磁暴期间电离层/热层温度、密度、成分、风场、电场变化、粒子上行和磁层耦合机制等。

37、（3）三亚非相干散射雷达获得低纬电离层高度的电场，可利用这些参量进行基于电离层理论模式的数据同化模式开发，进行电离层的现报和预报模式开发。本发明利用三亚非相干散射探测系统地处地磁低纬的地理优势及具有连续观测能力的技术优势，获得电场信息，开展大气层/电离层耦合、电离层发电机与喷泉效应、超级电离层暴、低纬电离层/磁层耦合等重大科学问题研究。