中国低纬地区行星波的测高仪观测及其对SF影响的研究

发布时间：2020-05-09 21:19

【摘要】：电离层区域存在大量的带电粒子,对无线电波具有反射、折射和吸收作用,电离层内不规则体导致的无线电信号的相位和幅度快速抖动和起伏对人类无线电通讯、卫星发射、GPS定位以及人类空间活动有着重要影响。随着我国科技事业的发展,对太空探索的活动越来越多,发展高垂直分辨率的电离层观测手段,积累电离层不规则体变化数据,已成为大气科学研究,保障飞行器安全运行、提高国家军事国防能力和科技水平等领域的迫切需要。在过去几十年低纬地区电离层不规则体的研究已经取得了很大的进展,但是对于电离层不规则体的物理产生机制和变化规律一直没有很好的认识,尤其对不规则体SF和行星波的关系研究还不够深入。因此开展电离观测与不规则体研究有着重要的应用价值。本文以电离层数字测高仪为平台,利用2012年三亚地区的电离层特征参数,使用小波分析的方法研究了电离层中行星波状扰动的特征,并采用电离层特征参数真高表征行星波扰动的方法结合全球地磁参数变化,分析了行星波与扩展F(Spread F,SF)发生的关系。首先,本文系统地介绍了电离层特征参数、不规则结构以及最新研制的电离层数字测高仪基本结构与工作原理,详细地介绍了接收机中信号源子板设计思路与实现方法,并且对最终设计的控制程序进行了仿真,最后结合硬件电路对整个信号源子板进行了工作测试,结果显示:信号源子板工作稳定,输出的信号可靠,满足系统要求。其次,本文利用2012年三亚地区DPS-4D数字测高仪探测的34080张数字频高图数据,根据行星波以天为周期的特点,列出了三亚地区2012年中在三个不同时刻(12 LT,19LT,21LT)的虚高变化,利用Morlet小波分析的方法对其波动性的变化进行了分析,同时也对电离层特征参数Fof2、h’f、dNe/dt与dh’f/dt作了分析,最后针对分析结果进行了讨论。结果显示:采用Morlet小波对电离层特征参数进行分析,可以清楚地研究出F层不同高度上受到长周期扰动的特征。电离层F层在不同时刻不同频点的虚高、最小虚高以及临频都可以作为分析对象来研究F层大尺度不规则体;在本次分析结果中出现的3 d周期波可能与2 d的准周期波动有关,27~31 d周期的扰动可能是由太阳自转周期(27.3 d)导致的,7~10 d和13~15d的周期波动可能由来自对流层的行星波状扰动结合太阳半自转周期共同作用导致的。最后,本文介绍了在日落后反转增强(PRE)期间F层发生上抬的基本原理,分析了行进式行星波电离层扰动(TPWIDs)对F层的调制机制,给出了几种影响SF发生的几种情况,以PRE期间电离层特征参数真高的逐日变化表征行进式行星波扰动结合2012年中SF发生情况与地磁参数变化,分析了在PRE期间中国低纬地区SF高发季节中行星波扰动特性,并研究了行星波扰动时的不同相位对SF产生和发展的影响以及在不同季节SF发生情况。主要结果为:地磁平静时期,在PRE期间,TPWID行星波调制着PRE时期的电场强度,根据其相位的大小能导致F层的高度上抬或下降;日落后F层高度的变化控制着SF的发生,分析结果显示三亚地区真高阈值大约为250 km,即当PRE导致F层升高到高于250 km时,有利于SF产生,因此SF的发生对TPWID的相位有一定的依赖性;并且在分点季节,SF的开始时间与TPWID相位也有一定的关系,表现为SF发生的越早对应的TPWID相位就越大,SF发生的越晚甚至不发生时,对应的TPWID相位就越小。
【图文】：

示意图,电离层,示意图

图 1.1 大气中电离层示意图电离层最低层-D 层是地球上空从 60 公里到 90 公里之间的高度区域，密度范为从 108到 1010m-3。比较稠密的大气层存在此层中，它的电离效应很弱，但是性粒子与离子和电子的碰撞现象比较频繁，导致此层对自由电子有很高的捕获，10 MHz 频率的电磁波信号会被其吸收，影响着无线电波中的短波传播。离地面从 90 到 140 公里范围是电离层中层-E 层，，密度范围为 109~1011m-3，电离层各层中最具有规律的一层。太阳活动和太阳天顶角变化影响着其全球性化、季节性变化以及日变化。在日出后 E 层的高度随着电子密度的增大而逐渐低，在中午时降到最低，随后又会慢慢上抬，，在日落时刻基本会恢复到日出前的高度，在此过程中此层会有大约为 5~10 k m 幅度的高度变化。在 110 千米的度左右，一般情况下都会有一个很强扰动发生，尺度大约为几千米，即是通常称为突发 E 层的扰动（Es 层），并且 Es 在夏季时发生率比其它季节高，并且它持续时间也比较长。E 层能够反射低于 10 M Hz 频率的电磁波信号，对高于 10Hz 的电磁波信号会有吸收作用。F 层是电子浓度最高的一层，浓度为 1011~1012m-3，主要成分是+O ，+N和+2N

频高图,正常情况,闪烁现象,电离层

即太阳高年出现 SF 的频率低于太阳低年。卫星观测还发现，产生离层闪烁的区域与磁纬有关，当信号穿过极光纬度上的电离层时闪烁现象特别显。形态学研究证明，极地和赤道电急流地区闪烁最强，中纬地区闪烁现象较且很少出现。3.2 SF 层Booker 和 Wells[3]首次在1938年利用垂测仪对夜间的赤道地区上空电离层进行测，发现并将探测得到的电离图上 F 层的出现弥散状回波描迹的现象定义为 SF，有研究表明，当 SF 现象出现时，无线电信号会受到这种电离层不规则体的严重响，其相位和振幅会出现大的波动，即闪烁现象[4,5]。在实际的探测得到的电离频高图中，又存在着不同类型的 SF，按照《电离层解释与度量手册》中规定，据扩展的不同建议将 SF 分成频率型 SF、区域型 SF、分叉型 SF、混合型 SF 等种类型[6]。
【学位授予单位】：中南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P352.7

【参考文献】