[发明专利]电离层非相干散射雷达非相干散射谱建模方法

说明书

技术领域

本发明一种电离层非相干散射雷达非相干散射谱建模方法，其适用于研究电离层非相干散射雷达非相干散射谱的仿真系统设计。

背景技术

电离层是近地空间环境的重要组成部分，地面附近的多种扰动可以上传到电离层并和电离成分相互作用，对无线电通信、卫星导航、测量以及人类空间活动都有着重要的影响，对电离层的研究手段和方法也是有很多种，除了卫星、火箭外，还利用电离层垂测仪、GPS闪烁接收仪等手段，随着雷达技术的发展，发射功率和接收灵敏度，以及天线增益都有很大的提高，从而使得检测电离层中电子散射的微弱信号成为可能，一种新的电离层探测手段――非相干散射雷达随之出现，它可以探测到包括电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等电离层多种参数。而原有的非相干散射雷达的认识是基于单一成分的麦克斯韦离子分布函数基础上的，然而，实际电离层等离子体中含有多种成分，且随着高度的增加，各种离子的百分比也在发生变化。

非相干散射雷达利用高空大气等离子体热起伏的微弱信号来遥测高空大气的物理参数，测量区域可覆盖D区到两千公里左右的高度范围，基于非相干散射理论，对平衡态下非相干散射功率谱进行模拟，由于缺乏实验设备，国内关于利用非相干散射雷达对电离层等离子体的研究以及高纬极区处于非热平衡下的电离层等离子体的研究起步较晚，滞后于国外相应的研究。

在研究非相干散射谱的过程中，其中涉及到电离层等离子体的概率分布函数以及起伏密度的概念，目前的非相干雷达实验处理数据仍是基于最基本的麦克斯韦分布理论，然而高纬极区出现的大规模对流电场和高能粒子的沉降，以及人工加热电离层等，都会导致等离子体分布函数偏离麦克斯韦分布。

探测电离层，通过研究其功率谱，推导出其电离层参数，包括电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等，对其散射谱的建模是很重要的，首先是研究离子成分单一的情况，不考虑磁场下无碰撞等离子体的谱密度函数，求出不同电子和离子温度比下的散射谱，其次是考虑不同碰撞的散射谱，并且研究多成分下的非相干散射谱密度。

发明内容

本发明基于现有的国内外的电离层参考模型，利用地震局以及气象局实际观测的电离层垂测及斜侧数据，合理的选取建模方法构建中国上空的电离层模型，得到具有实际应用价值的电离层背景模型。对于信号在电离层中的传播行为可以通过对波动方程的数值求解来描述。在基于非相干散射理论的基本原理上，分别对不考虑碰撞的等离子体散射谱，不考虑磁场的碰撞等离子体散射谱，不同离子成份百分比下的非相干散射功率谱进行研究分析。本发明除了能仿真3种基本散射谱外，还能仿真不同编码下的散射谱，以及仿真不同高度散射谱，对雷达信号的回波仿真结果进行分析，且经简化算法提取的参数与IRI一致。

电离层等离子体对电磁波的非相干散射，是指由于离子和电子随机热运动而导致的等离子体密度微小涨落所引起的电磁波散射，根据非相干散射理论，我们要对平衡态下考虑碰撞和不碰撞的非相干散射谱进行建模，并且对其单一成分以及多成分都进行模拟，分析了随着高度的增加各种成分离子对功率谱的影响。

本发明通过下述技术方案来实现的：

对于单一成分时，任意分布函数函数下的非相干散射功率谱是：