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电离层扰动的高频探测与诊断

袁志刚  
【摘要】: 电离层物理学是一门以观测为基础的实验科学。对电离层的观测研究在该学科中一直占有重要的地位。电离层科学的发展历史表明:其新的观测手段和观测方法总是不断地有力推动着电离层物理研究的发展。在电离层探测中,电离层扰动探测与诊断是一个十分重要的研究课题。它对研究电离层中能量传播和耗散等动力学过程有着极其重要的学术意义。本文主要围绕这一研究方向开展工作,在系统介绍电离层扰动的高频探测及分析方法基础上,着重讨论了数字高频多普勒与到达角探测系统的研制,用数字测高仪实现的多频扰动探测模式以及对电离层扰动的分析诊断。 首先,本文系统地介绍了新近研制的数字高频多普勒与到达角探测分析系统。它由微型计算机、数据采集器、具有高稳定度频率源的HF程控接收机以及天线阵等构成。这套系统的特点为接收频率、采样参数及工作方式等均可由计算机控制,并能实时地进行数据分析,获得电离层反射回波高频多普勒频移和到达角,对空间环境进行实时监测。同时,该系统还具有存储原始数据的功能,可根据需要进行脱机分析,满足对电离层观测研究的不同要求。 其次,本文提出了一种在数字测高仪上实现垂直多频探测电离层扰动的方法。即在通常的频高图工作模式下,利用DGS一256数字测高仪在加密观测时记录的16个多普勒通道的数据,在电离层回波窄带条件下,通过反傅里叶变换还原成时域信号,采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差,获取高精度多普勒频高图。在此基础上,利用高精度多普勒频高图,反演电子浓度等值面的法线运动速度随时间和高度的二维扰动场。同时,本文提出真实扰动场的数学模型,并讨论了多通道最大熵谱估计分析法,采用滑动时间窗技术,将真实扰动场的非平稳过程转化为平稳过程处理,提取该扰动场的传播参数。从而为利用数字测高仪常规观测,研究电离层扰动及高度演变特性提供了一种有效手段。 最后,本文利用新发展的分析方法和武汉电离层观象台数字测高仪的实测数据,重点对电离层声重波扰动和电离层暴期间的大气扰动风场进行了分析研究。在电离层声重波扰动的分析中,给出了电离层扰动的高度剖面以及扰动的高度演变特性:指出了局部源激发的中尺度大气声重波(AGw)依不同高度既能够


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