朱正平，李震宇

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

電離層不規(guī)則體主要包括Es層、擴(kuò)展F層和電離層進(jìn)行式擾動.電離層不規(guī)則體的出現(xiàn)會嚴(yán)重影響穿過其中的電波信號的幅度、相位、群路徑等參數(shù)，反映到頻高圖和多普勒頻移圖上會出現(xiàn)異常特征，因此，通過測量電離層高頻反射回波可以用來研究電離層不規(guī)則體[1-3].

電離層高頻多普勒測量開始于20世紀(jì)60年代，用于電離層擾動探測，并已指出回波與不規(guī)則體結(jié)構(gòu)的聯(lián)系. Cornelius等[4，5]層用高頻多普勒技術(shù)觀測到Es和擴(kuò)展F引起的多普勒頻移譜結(jié)構(gòu).寧百齊等[6，7]利用武漢電離層觀象臺連續(xù)5年對BPM信號(中國科學(xué)院國家授時中心發(fā)波的短波授時信號)進(jìn)行觀測，分析了電離層中不規(guī)則結(jié)構(gòu)反射回波的各種頻譜特性及其變化，并解釋了斜描跡產(chǎn)生的原因.肖賽冠等[8]通過觀測電離層高頻多普勒記錄，探討并論證了電離層高頻多普勒觀測在擴(kuò)展F研究中的應(yīng)用.此外，Lynn[9]等利用電離層斜向探測儀觀測到了具有“微笑”特征的多普勒譜圖，造成這種現(xiàn)象的原因是電離層中存在著一塊勻速水平運動的不規(guī)則體. Sarma等[10，11]通過5.5MHz高頻多普勒雷達(dá)觀測電離層不規(guī)則體，精確計算出了不規(guī)則體出現(xiàn)的高度和運動速度.

最新研制的高頻多普勒接收機(jī)在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，不僅降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且大大提升了系統(tǒng)精度，能夠獲得更高精度的電離層多普勒頻移信息.利用該系統(tǒng)在武漢地區(qū)對BPM信號進(jìn)行長時間連續(xù)監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)積累，也觀測到了大量典型的電離層不規(guī)則體發(fā)生時的斜描跡現(xiàn)象.構(gòu)建了電離層不規(guī)則體的反射模型，利用該模型仿真出電離層不規(guī)則體反射回波的多普勒譜，并與實測結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，二者能夠很好的吻合，并基于此，估算出了不規(guī)則體的運動速度.

1 理論模型與方法分析

1.1 高頻多普勒探測模型

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，可建立如圖1所示的電離層不規(guī)則體的反射模型.假設(shè)電離層為對稱球面電離層，發(fā)射點為T，接收點為R，收發(fā)點距離為d，考慮一個水平漂移的電子云塊，距離地面高度為H，電子云塊水平速度為v，電子云塊運動方向與收發(fā)平面夾角為α.由于Es層是一層電子濃度很高的薄層，其中常常存在一些漂移的電子云塊，這些電子云塊構(gòu)成了電離層的不規(guī)則體結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，可推導(dǎo)出多普勒頻移的表達(dá)式如式(1):

(1)

式中，Δf是多普勒頻移，c是真空中的光速，H是反射中心的高度，t是時間.

圖1 電離層不規(guī)則體的反射模型Fig.1 Reflection model of ionospheric irregularity

實驗中采用中國科學(xué)院陜西天文臺發(fā)出的BPM授時信號作為探測信號，該信號設(shè)有2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz 4個頻點，全天24小時發(fā)送，選取10MHz信號進(jìn)行連續(xù)觀測.

1.2 高頻多普勒接收機(jī)系統(tǒng)方案

如圖2所示，高頻多普勒探測系統(tǒng)由高頻接收機(jī)系統(tǒng)和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析處理的計算機(jī)系統(tǒng)兩個部分組成.高頻多普勒接收機(jī)主體選用ICOM公司的IC-718短波電臺，接收天線選取WD330全波段折疊偶極子天線，用來接收10MHz BPM信號，信號經(jīng)兩級混頻、放大、濾波后輸出455kHz的中頻信號進(jìn)行采集.為提高高頻多普勒接收機(jī)精度，定制了32MHz的恒溫晶振代替原有的石英晶振作為系統(tǒng)時鐘源，誤差為0.01×10-6，漂移在0.01Hz以內(nèi)，滿足系統(tǒng)需求.計算機(jī)系統(tǒng)由NI公司PCI-E6535高速采集卡和電腦組成，采集卡最高采樣頻率為1.2MHz，滿足奈奎斯特采樣定律，能直接采集高頻多普勒接收機(jī)的二分頻信號，用來提取多普勒頻移.本系統(tǒng)在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)做了簡化，使接收機(jī)具有了更好的性能.

圖2 高頻多普勒探測系統(tǒng)Fig.2 High-frequency Doppler detection System

同時利用安裝在武漢觀測站的PDI-2數(shù)字測高儀對武漢地區(qū)上空電離層進(jìn)行長時間的觀測，以此來確定多普勒譜上所對應(yīng)的回波類型.Es層高度大約在地面上空120km處，圖3是武漢地區(qū)通常能觀測到以下幾種Es層的情況，分別是C型(尖型)、L型(低型)、F型(平型)、H型(高型).

a) C型(尖型)；b) L型(低型)；c) F型(平型)；d) H型(高型)圖3 武漢地區(qū)常見Es類型Fig.3 Common types of Es in Wuhan

1.3 多普勒頻移的提取

多普勒頻移的提取通常有兩種方法：一種是通過多次下變頻，將高頻信號降為低頻信號，再對低頻信號模擬采樣，通過譜分析得到多普勒頻移隨時間變化的關(guān)系；另一種是利用數(shù)字信號處理技術(shù)，直接對中頻信號進(jìn)行采樣、數(shù)字濾波、譜分析來得到多普勒信息[12].本系統(tǒng)采用方法二所描述的方式，在兩次混頻之后，直接對455kHz的中頻信號進(jìn)行高速采樣，采樣頻率為1.2MHz.系統(tǒng)每分鐘工作一次，一次采集時長50s，分辨率為0.02Hz，采樣后保存原始數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)利用FFT的方式進(jìn)行譜分析，能夠得到質(zhì)量較好的多普勒頻移曲線.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 理論仿真分析

仿真時，依照BPM信號頻率和收發(fā)站點實際距離，假設(shè)探測信號頻率f為10MHz，收發(fā)站點地面距離為670km，接收站能夠接收到經(jīng)中點上空電離層不均勻體反射的信號，不均勻體的運動方向與收發(fā)平面的夾角為α，運動速度為v.

參照這種模型，考慮到E層距離地面的高度H大約為120km，假設(shè)不均勻體以v=100m/s的速度在運動，則可以根據(jù)公式(1)仿真出多普勒頻移變化與不均勻體漂移運動的關(guān)系，如圖4所示.該圖表明：無論不均勻體的運動方向如何，觀測到的多普勒頻移曲線的變化規(guī)律都是從正值變?yōu)榱?，然后向?fù)頻移變化，曲線基本是一條直線，入射角α和收發(fā)點的距離d影響的僅僅只是這條線的斜率.還可推出一般規(guī)律，在收發(fā)點距離確定的情況下，收發(fā)平面與傳播平面夾角α越大，在一定時間內(nèi)的多普勒頻移也就越大，而當(dāng)收發(fā)點為同一點時(即為垂測時)，多普勒頻移則與夾角α無關(guān)，且比收發(fā)點不在同一點時對應(yīng)的多普勒頻移要大.

圖4 電子云團(tuán)漂移引起多普勒頻移隨時間的變化 Fig.4 Doppler shift variations of ionized cloud movement

圖5給出了當(dāng)時間t取5min時多普勒頻移的等值線圖，橫坐標(biāo)為不規(guī)則體運動速度v，縱坐標(biāo)為收發(fā)平面與傳播平面夾角α.從圖5可以看出，在收發(fā)點的距離d與反射點的高度H確定的情況下，收發(fā)平面與傳播平面夾角α越大，不均勻體漂移速度v越大，則在一定時間內(nèi)引起的多普勒頻移也就越大.

圖5 Es回波的多普勒頻移等值線圖 Fig.5 Contour of slant Doppler shift of Es echoes

此外，由公式(1)還可得到，當(dāng)收發(fā)點距離d、收發(fā)平面與傳播平面夾角α、不均勻體傳播速度v確定的情況下，反射面高度H越低，則在一定時間內(nèi)的引起的多普勒頻移也就越大，故可以認(rèn)為，相同探測頻率下擴(kuò)展F反射回波在一段時間內(nèi)引起的多

普勒頻移會比Es回波小，因為擴(kuò)展F發(fā)生的高度遠(yuǎn)高于Es層，表現(xiàn)在多普勒頻移曲線上則為斜率較小，這與文獻(xiàn)[7]所描述的一致.

2.2 實測結(jié)果分析

利用新研制的高頻多普勒接收機(jī)進(jìn)行連續(xù)觀測，記錄了每天觀測到的數(shù)據(jù).圖6給出了2016年5月20日多普勒頻移曲線，圖中橫坐標(biāo)為本地時間，縱坐標(biāo)為多普勒頻移.從圖6中可以看到，在04:30LT-07:30LT觀測到了一次典型的日出現(xiàn)象.在日出以前，由于電離層電子密度下降，反射面高度上升，當(dāng)電波頻率高于臨界頻率時，直接穿透電離層，故在一段時間內(nèi)沒有收到回波信號，日出后，臨界頻率逐漸回升，電波反射面回落到日出以前，多普勒頻移回到0值附近.兩者共同作用下產(chǎn)生了正的多普勒頻移，頻移最大值接近2Hz.這與文獻(xiàn)[8]所描述的現(xiàn)象一致，表明新研制的高頻多普勒接收機(jī)測得的數(shù)據(jù)是可信的.

圖6 2016年5月20日24小時內(nèi)多普勒頻移曲線 Fig.6 Variations of Doppler shift at 20 May 2017 within 24 hours

參照同一時刻PDI-2數(shù)字測高儀繪制的頻高圖，可以確定多普勒頻移曲線對應(yīng)的回波類型，分析當(dāng)Es層出現(xiàn)時所對應(yīng)的多普勒頻移曲線.圖7給出的是2016年8月27日11:00LT-14:00LT和2016年8月27日22:00LT-01:00LT以及2016年9月18日20:00LT-23:00LT的多普勒頻移曲線，分別用圖7(a)～(c)表示，這三個時段對應(yīng)的頻高圖均出現(xiàn)有Es層.如圖7(a)所示，白天Es回波的多普勒頻移曲線一般為平滑曲線，多普勒頻移幾乎為零，這表明Es層所處的高度和電子密度較為穩(wěn)定.圖7(b)和圖7(c)反映了夜間Es回波的多普勒頻移曲線的特征，夜間Es回波譜通常變得擴(kuò)散，圖7(b)24：00LT以前曲線呈現(xiàn)的是直描跡型的擴(kuò)散，圖7(b)和圖7(c)中標(biāo)出的部分屬于斜描跡型擴(kuò)散，這種現(xiàn)象與上一節(jié)中的仿真結(jié)果一致.斜描跡的展寬約為2Hz，有時會連續(xù)出現(xiàn)幾個斜描跡現(xiàn)象，可以解釋為經(jīng)多個電子云團(tuán)的反射回波，圖7(c)中三處斜描跡高度的不同則反映了不規(guī)則體在垂直方向上的移動.

圖7 Es回波的多普勒譜 Fig.7 Doppler spectrum of Es echos

經(jīng)過長時間的觀測和記錄，統(tǒng)計出了夜間Es回波出現(xiàn)擴(kuò)散時的普遍規(guī)律，在5min內(nèi)對應(yīng)的多普勒頻移的變化范圍大約在0.58～1.32Hz之間，相較于文獻(xiàn)[7]中給出的1987年統(tǒng)計數(shù)據(jù)要大，這可能是由于2016年屬于太陽活動極小年導(dǎo)致的.參照圖5所示的Es回波多普勒頻移等值線圖，可以得到：武漢地區(qū)夜間觀測到的Es回波多普勒頻移曲線的斜描跡現(xiàn)象，主要是由于Es層中漂移速度v在100m/s以上且收發(fā)平面與傳播平面夾角α大于15°的不規(guī)則體的水平漂移運動所引起的.

3 結(jié)語

本文介紹了新研制的高頻多普勒接收機(jī)的系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)在降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時還大大提升了系統(tǒng)精度.文中構(gòu)建了電離層不規(guī)則體的簡單反射模型，分析了Es回波的多普勒譜特性，結(jié)合高頻多普勒接收機(jī)的實測數(shù)據(jù)和PDI-2數(shù)字測高儀得到的頻高圖數(shù)據(jù)，表明理論模型和實測結(jié)果具有一致性，主要結(jié)果如下.

(1)在武漢地區(qū)實際觀測的實驗結(jié)果表明新研制的高頻多普勒接收機(jī)是成功的，可以作為電離層不規(guī)則體實時監(jiān)測的一種有效手段.

(2)白天Es層高度相對穩(wěn)定，回波的多普勒頻移曲線一般呈光滑平直，夜間變得擴(kuò)散，譜結(jié)構(gòu)分為直描跡和斜描跡兩種. 多普勒頻移曲線上的斜描跡現(xiàn)象是由于不規(guī)則體的漂移運動造成的，這種曲線具體表現(xiàn)為多普勒頻移由正變到負(fù)，經(jīng)理論分析，無論不規(guī)則體的運動狀態(tài)如何，改變的僅僅只是曲線的斜率的大小.

(3)2016年武漢地區(qū)夜間觀測到的Es回波多普勒頻移曲線的斜描跡現(xiàn)象，主要是由于Es層中漂移速度V在100m/s以上且收發(fā)平面與傳播平面夾角α大于15°的不規(guī)則體的水平漂移運動所引起的.

當(dāng)然，高頻多普勒記錄在對Es層的研究也有一定的局限性，比如無法精確獲得反射點的高度，只能通過測高儀數(shù)據(jù)或者具有斜描跡特征的多普勒頻移曲線的斜率來判斷回波類型，但比起其他電離層不規(guī)則體探測手段，如GPS、閃爍監(jiān)測儀等，高頻多普勒接收機(jī)具有時間連續(xù)、成本相對較低等特點.如何配合使用多種多普勒手段來研究電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)將會是下一步工作的重點.

參 考 文 獻(xiàn)

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