本發(fā)明屬于電離層探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于帶有零頻峰的三峰結(jié)構(gòu)異常非相干散射離子線譜反演強(qiáng)擾動(dòng)電離層參量的方法，利用振蕩雙流不穩(wěn)定性以及非麥克斯韋速率分布函數(shù)反演強(qiáng)擾動(dòng)電離層參量。
背景技術(shù)：
：利用大功率無(wú)線電波對(duì)電離層進(jìn)行加熱，在加熱泵波反射高度附近產(chǎn)生強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域。強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域的等離子體處于非平衡態(tài)，電子和離子偏離平衡態(tài)的麥克斯韋分布，從而影響探測(cè)雷達(dá)接收的散射功率譜。目前，非相干散射雷達(dá)是是最強(qiáng)有力的電離層地面探測(cè)工具之一。而現(xiàn)有的非相干散射數(shù)據(jù)分析程序guisdap對(duì)電離層參量反演所使用的是基于平衡態(tài)的非相干散射理論，對(duì)強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域的電離層參量分析存在很大偏差。2010年，vickers等人提出一種利用麥克斯韋分布修正三峰結(jié)構(gòu)異常譜的方法。然而，對(duì)三峰異常譜進(jìn)行去pgm峰修正后通常并非呈現(xiàn)對(duì)稱的雙峰結(jié)構(gòu)。因此對(duì)于大部分情況，利用麥克斯韋分布修正和反演是不合理的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種基于帶有零頻峰的三峰結(jié)構(gòu)異常非相干散射離子線譜反演強(qiáng)擾動(dòng)電離層參量的方法，提取強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域相應(yīng)電離層高度的三峰結(jié)構(gòu)離子線譜，根據(jù)振蕩雙流不穩(wěn)定性對(duì)非相干散射功率譜的影響，先后對(duì)非相干散射理論和擾動(dòng)的離子線譜進(jìn)行修正，獲得電子溫度和電子密度等參量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：一種基于帶有零頻峰的三峰結(jié)構(gòu)異常非相干散射離子線譜反演強(qiáng)擾動(dòng)電離層參量的方法，包括以下步驟：1)通過(guò)非相干散射雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，提取電離層加熱實(shí)驗(yàn)引起的強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)域具有零頻峰三峰結(jié)構(gòu)的異常非相干散射離子線譜。具體的實(shí)施方法是：根據(jù)振蕩雙流不穩(wěn)定性激發(fā)所需要的電場(chǎng)閾值判斷本次實(shí)驗(yàn)是否激發(fā)了振蕩雙流不穩(wěn)定性。電場(chǎng)閾值的計(jì)算公式為：|eotsi|＝(2memi/e2)1/2cs(ω0νeh)1/2/cosθ其中，me和mi分別為電子和離子的質(zhì)量，e為電子電量，cs＝[(te+3ti)/mi]1/2為離子聲速，te和ti分別為電子溫度和離子溫度，ω0為加熱頻率，veh為電子有效碰撞頻率，θ為加熱波的傳播傾角。根據(jù)計(jì)算加熱泵波反射高度處的電場(chǎng)強(qiáng)度，erp為有效輻射功率，z是電離層高度。將該值與電場(chǎng)閾值對(duì)比，若e(z)≥|eotsi|則說(shuō)明振蕩雙流不穩(wěn)定性被激發(fā)，即該三峰結(jié)構(gòu)是由振蕩雙流不穩(wěn)定性引起的。通過(guò)上述判斷，確定具有零頻峰的三峰異常非相干散射離子線譜是由振蕩雙流不穩(wěn)定性引起的。2)對(duì)平衡態(tài)的非相干理論進(jìn)行修正，具體的修正方法如下：使用電離層加熱引起的非麥克斯韋分布對(duì)電子和離子的速率分布進(jìn)行描述，分別為fe和fi。則在有多種離子組分條件下的功率譜方程為：其中，ε為介電常數(shù)：其中χe和χi分別為電子和離子的極化率。3)使用步驟2)中修正的非相干散射理論對(duì)步驟1)中提取的異常譜進(jìn)行反演，獲取電離層參量和擬合殘差r1。具體的實(shí)施方法是：從電離層模型中獲取未加熱狀態(tài)的電離層參量，包括離子溫度、漂移速度、中性離子濃度、電子溫度和電子密度等，作為反演的初始值。在一定的步數(shù)內(nèi)不斷改變并迭代這些電離層參量，直至擬合出來(lái)的理論譜和實(shí)測(cè)異常譜最吻合。度量吻合程度的方法為計(jì)算理論譜和實(shí)測(cè)譜之間的擬合殘差r1，最小的r1對(duì)應(yīng)該情況下最吻合的理論譜，保存此時(shí)的擬合殘差r1及電離層參量集合x(chóng)1。4)對(duì)步驟1)中提取的異常譜進(jìn)行修正并進(jìn)行反演，獲取最佳修正譜、反演參量以及擬合殘差r2。具體的實(shí)施方法是：從步驟1)中提取的實(shí)測(cè)異常譜中減去不同幅度和寬度的高斯峰，得到不同的修正譜。使用步驟2)中修正的非相干散射理論擬合每一個(gè)修正譜，獲取對(duì)應(yīng)的不同組合的電離層參量以及擬合殘差。找到最小的擬合殘差r2，其所對(duì)應(yīng)的修正譜為最佳修正譜。保存此時(shí)的擬合殘差r2及電離層參量集合x(chóng)2。5)比較步驟3)和步驟4)獲取的擬合殘差，若r2<r1，則最佳修正譜所反演的電離層參量x2為最佳結(jié)果；反之，則表示修正效果不理想，無(wú)需對(duì)實(shí)測(cè)譜進(jìn)行修正，電離層參量x1為最佳結(jié)果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明基于帶有零頻峰的三峰結(jié)構(gòu)異常非相干散射離子線譜，使用非麥克斯韋速率分布函數(shù)對(duì)平衡態(tài)的非相干散射理論進(jìn)行修正，并通過(guò)修正后的非相干散射反演方法對(duì)三峰譜進(jìn)行修正擬合，獲取電離層參量。相比以往的電離層參量反演方法，該方法能夠很大程度提高反演精度，是獲取強(qiáng)擾動(dòng)電離層參量的一種新方法。附圖說(shuō)明圖1是發(fā)明實(shí)施例中提取的三個(gè)具有pgm特征的三峰結(jié)構(gòu)的異常非相干散射譜；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)測(cè)譜與vhf反演結(jié)果擬合譜；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)測(cè)譜及其未修正時(shí)的擬合譜；圖4實(shí)本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)譜與最佳pgm高斯峰；圖5修本發(fā)明實(shí)施例中正譜及其反演擬合譜；圖6本發(fā)明實(shí)施例中uhf雷達(dá)探測(cè)的離子線譜。上述所有附圖中的橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為功率。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為了便于說(shuō)明，采用的是我國(guó)于2010年9月5日利用歐洲非相干散射雷達(dá)協(xié)會(huì)(eiscat)的地基大功率加熱設(shè)施在附近獲取的電離層加熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所修正的三峰譜只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外需要說(shuō)明的是，所使用的超高斯分布為經(jīng)驗(yàn)的加熱電子分布函數(shù)，且離子速率分布函數(shù)假設(shè)仍遵循麥克斯韋分布，同樣不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在2010年9月5日(三個(gè)時(shí)間點(diǎn))于附近開(kāi)展的電離層加熱實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)提取加熱期間反射高度196km處的三個(gè)具有pgm(purelygrowingmode,純?cè)鲩L(zhǎng)模)特征的三峰譜(如圖1所示)。按照如下步驟對(duì)擾動(dòng)電離層參量利用超高斯分布進(jìn)行反演：1)提取三峰結(jié)構(gòu)的異常非相干散射離子線譜。加熱頻率為4.9128mhz，加熱地點(diǎn)所在的經(jīng)緯度為69°n,19°e，地磁偏角為12°。通過(guò)國(guó)際電離層模型iri-2012，我們可得電子溫度為1348k，離子溫度為792k，再通過(guò)msis-e-90大氣模型可以查得電離層中性溫度為798k，中性粒子o的濃度為1.777×108cm-3，n2的濃度為2.944×109cm-3，o2的濃度為3.107×109cm-3。在反射高度，加熱波頻率與電離層頻率相等。通過(guò)上述參量計(jì)算激發(fā)振蕩雙流不穩(wěn)定性所要達(dá)到的電場(chǎng)閾值為eotsi＝0.2187v/m。有效輻射功率erp＝240mw，根據(jù)計(jì)算加熱泵波反射高度196km處的電場(chǎng)強(qiáng)度為0.433v/m。e(z)≥|eotsi|，說(shuō)明激發(fā)了振蕩雙流不穩(wěn)定性。2)修正平衡態(tài)的非相干散射理論。使用guisdap(grandunifiedincoherentscattrdesignandanalysispackage,非相干散射設(shè)計(jì)與分析程序包)對(duì)vhf雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，如表1：表1guisdap反演vhf雷達(dá)數(shù)據(jù)所得參量信息電子溫度(k)離子溫度(k)電子密度(m-3)異常譜1152610642.5×1011異常譜2137010053.2×1011異常譜315766573.8×1011對(duì)表1中的參量使用超高斯速率分布修正的非相干散射理論進(jìn)行擬合，得到圖2中的理論非相干散射譜，由虛線表示。可見(jiàn)，使用vhf反演數(shù)據(jù)所擬合的非相干散射譜與實(shí)測(cè)譜不管是在幅值還是在譜型上都相差很大，說(shuō)明vhf反演參量的誤差很大。由于離子的質(zhì)量很大，受加熱擾動(dòng)的影響較小，幾乎不受高頻外場(chǎng)的變化而變化，可認(rèn)為其仍然處于平衡狀態(tài)，即滿足麥克斯韋分布：其中，為離子熱速率，kb為玻爾茲曼常量。對(duì)電離層進(jìn)行人工加熱時(shí)，由于電子與其他粒子之間的相互碰撞，盡管存在加熱電場(chǎng)和地磁場(chǎng)的作用，但電子的分布仍然表現(xiàn)為各向同性，而加熱的作用僅僅表現(xiàn)為電子速率分布函數(shù)的尾部增強(qiáng)。因此，我們可以使用超高斯分布函數(shù)對(duì)非麥克斯韋分布進(jìn)行近似：其中，2≤m≤5為非麥克斯韋指數(shù)，當(dāng)m＝2時(shí)對(duì)應(yīng)于麥克斯韋分布函數(shù)，其中，為電子熱速度，γ(x)是伽馬函數(shù)，是電子溫度。3)使用超高斯速率分布修正的非相干散射理論對(duì)電離層參量進(jìn)行反演。首先，提取三個(gè)異常譜的先驗(yàn)信息，即未加熱時(shí)刻的電離層參量，如表2：表2異常非相干散射譜的先驗(yàn)信息異常譜1異常譜2異常譜3時(shí)刻(ut)11:43:4011:49:4512:04:40高度(km)196196196電子溫度(k)168717931944離子溫度(k)625659935電子密度(m-3)2.53×10112.69×10113.04×1011將表2中的先驗(yàn)參量作為反演的初始值對(duì)實(shí)測(cè)譜進(jìn)行反演擬合。不斷改變電離層參量并進(jìn)行理論譜擬合，直到理論譜和實(shí)測(cè)譜的擬合殘差r1達(dá)到最小(如圖3所示，圖中實(shí)線為實(shí)測(cè)譜，虛線為反演擬合譜)。表3未修正實(shí)測(cè)譜的反演結(jié)果電子溫度(k)電子密度(m-3)非麥克斯韋指數(shù)擬合殘差r1異常譜132882.85×101120.0562異常譜222482.79×10114.580.0684異常譜317091.41×101120.09494)對(duì)實(shí)測(cè)譜進(jìn)行修正并進(jìn)行反演，獲取最佳修正譜、反演參量以及擬合殘差。參見(jiàn)圖4、圖5和表4，圖4中實(shí)線代表實(shí)測(cè)譜，虛線為最佳pgm峰，將pgm峰從實(shí)測(cè)譜中減去得到圖5中實(shí)線表示的最佳修正譜。對(duì)修正譜進(jìn)行反演擬合得到圖5中虛線表示的擬合譜，其所對(duì)應(yīng)的電離層參量由表4列出。表4修正譜的反演結(jié)果電子溫度(k)電子密度(m-3)非麥克斯韋指數(shù)擬合殘差r2異常譜125132.97×10114.640.0205異常譜226392.04×10113.530.0325異常譜322092.18×101150.00145)比較步驟3)和步驟4)獲取的擬合殘差，發(fā)現(xiàn)均有r2<r1，說(shuō)明修正成功，最佳修正譜所反演的電離層參量為最佳結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，由于uhf雷達(dá)的頻率很高，加熱朗繆爾湍流的影響較小，加熱擾動(dòng)也就沒(méi)有vhf雷達(dá)觀測(cè)那么明顯。對(duì)上述3個(gè)時(shí)刻反射高度的uhf雷達(dá)離子線譜進(jìn)行提取，如圖6所示。表5羅列了3個(gè)異常譜在未加熱時(shí)刻、利用超高斯分布反演、guisdap反演vhf數(shù)據(jù)和uhf數(shù)據(jù)的電離層參量。表5反演參數(shù)對(duì)比將超高斯分布反演的結(jié)果與guisdap反演uhf雷達(dá)數(shù)據(jù)的結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)兩者在數(shù)值上非常接近，可見(jiàn)使用本章提出的改進(jìn)方法修正異常譜并利用超高斯分布反演的結(jié)果相比于直接用guisdap對(duì)vhf數(shù)據(jù)的反演結(jié)果更為合理的。本發(fā)明基于帶有零頻峰的三峰結(jié)構(gòu)異常非相干散射離子線譜，使用非麥克斯韋速率分布函數(shù)對(duì)平衡態(tài)的非相干散射理論進(jìn)行修正，并通過(guò)修正后的非相干散射反演方法對(duì)三峰譜進(jìn)行修正擬合，獲取電離層參量。相比以往的電離層參量反演方法，該方法能夠很大程度提高反演精度。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12