[发明专利]基于离子线谱三峰结构反演强扰动电离层参量的方法

说明书

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，该方法包括以下步骤：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；使用加热电子的超高斯分布或Bump‑on‑tail分布对传统平衡态的非相干散射理论进行修正，并根据修正的非相干散射理论对三峰异常谱进行反演；对提取的异常谱进行修正和反演，将反演结果与未修正时的反演结果进行对比，取最优者作为最终反演结果。本发明针对传统的反演方法只考虑平衡态麦克斯韦分布这一局限进行修正，弥补传统反演过程所产生的极大误差，对强扰动电离层参量有更合理的估计。

技术领域

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。

发明内容

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：

|E_OTSI|＝(2m_em_i/e²)^1/2C_s(ω₀ν_eh)^1/2/cosθ

其中，m_e和m_i分别为电子和离子的质量，e为电子电量，C_s＝[(T_e+3T_i)/m_i]^1/2为离子声速，T_e和T_i分别为电子温度和离子温度，ω₀为加热频率，v_eh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)≥|E_OTSI|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：