下载文档原格式
如何进行电离层测量电离层测量是一项关键的科学技术，用于研究和监测地球上部层大气中的电离层。
电离层是电离大气层，高度在约60-1000千米之间，其中存在大量的电离气体。
它对无线通信、导航和卫星传输等技术具有重要影响。
在本文中，将介绍电离层测量的基本原理、方法和一些应用。
电离层的形成是由于太阳辐射中的紫外线和X射线击中大气层中的分子和原子，从而使它们失去外层电子，形成带正电的离子和自由电子。
这些自由电子和离子具有导电特性，可以反射、折射和传播无线电波。
因此，了解电离层中的电子密度分布和变化对于预测无线通信和导航的可用性至关重要。
电离层测量的常用方法之一是利用电离层的反射性质进行测量。
在这种方法中，将一束无线电波从地面或卫星发送至电离层，当它达到电离层时，会发生反射或折射。
接收站可以测量无线电波的传播时间和强度变化，从而得出电离层的一些特性，如峰值高度、电子密度分布和离子浓度等。
另一种重要的电离层测量方法是利用卫星观测。
由于电离层具有一定的垂直结构和水平变化，通过在卫星上携带特定的测量设备，可以获取大范围的电离层数据。
卫星观测不受地理位置限制，同时可以提供多维度的电离层特性，使得科学家们可以进行更加全面和准确的研究。
在进行电离层测量时，还需要考虑地球的磁场对电离层的影响。
地球的磁场会引起电离层中电离物质的运动和扩散，从而影响电离层的结构和特性。
因此，进行电离层测量时需要综合考虑地球磁场的变化，并进行相应的磁场修正，以获得准确的电离层数据。
电离层测量在无线通信、导航和卫星传输等领域具有广泛的应用价值。
它可以提供关于电离层的动态特性和错误估计的信息，以改善无线通信系统的可靠性和效率。
此外，对电离层进行准确的测量还可以帮助预测和减轻太阳风暴对通信和导航系统的干扰。
虽然电离层测量技术的发展已经取得了很大进展，但仍然存在一些挑战。
例如，电离层中的变化和扰动往往非常快速和复杂，因此需要高频率的测量和实时数据处理。
电离层1. 介绍电离层是地球大气层中的一个特殊区域，位于距离地表约50至1000公里的高度范围。
它的名称源于它的主要特征，即在这个层中含有大量的离子和自由电子。
电离层是地球大气层的重要组成部分，对电磁波传播、无线电通信以及卫星导航系统等都有重要影响。
本文将对电离层的结构、形成机制以及对通信的影响等进行详细讨论。
2. 电离层的结构电离层可以分为若干不同的层次，包括德古斯塔层、F层、E层和D 层。
德古斯塔层位于大约50至90公里的高度范围，是夜间存在且只有超短波才能穿过的微弱电离层。
F层位于大约200至400公里的高度范围，是最重要的电离层层次，分为F1层和F2层，F2层是最外层的一层，对无线电波的传播具有重要影响。
E层位于大约100至150公里的高度范围，主要影响短波频段的传播。
D层位于大约60至90公里的高度范围，是最浓密的电离层层次，对较低频率的短波信号的传播具有显著影响。
3. 电离层的形成机制电离层的形成主要是由太阳辐射引起的。
当太阳辐射穿过大气层，与大气中的原子和分子发生碰撞时，会将部分电子从原子或分子中脱离出来，形成离子和自由电子。
这些离子和自由电子在地球的重力和电场作用下，向上移动并逐渐形成电离层。
昼夜周期和季节变化也会对电离层的形成和消失产生影响。
白天，太阳辐射强，电离层活动较为活跃，而夜晚，太阳辐射较弱，电离层活动相对较低。
4. 电离层的影响电离层对通信具有重要影响。
电离层可以折射和吸收无线电波，因此在无线电通信中，必须要考虑电离层对信号传播的影响。
电离层的层次结构和活动水平会影响无线电信号的传播距离和传播路径。
在短波通信中，F层的存在和活动会导致信号的折射和散射，从而使远程通信成为可能。
然而，时常会出现电离层失效的情况，导致信号的衰减和中断。
电离层的活动还对全球定位系统（GPS）等卫星导航系统产生重要影响。
卫星信号在穿过电离层时会发生折射和延迟，从而导致测量误差。
通过对电离层的研究，可以对卫星导航系统进行相关修正和校正，提高定位的准确性。
电离层 ionosphere电离层是地球高层大气中被太阳辐射电离的部分区域，可影响到大部分频段电波的传播，因而有非常重要的实用意义。
电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层、 E 层和F层，F层又分为F1 层和F2层。
最大电子密度约为1012立方米，大约位于300千米高度附近。
电离层测高仪 ionosonde电离层测高仪(又称垂测仪)是从地面对电离层进行探测的常规设备，工作频率在覆盖高频段的范围（如从0.5～30兆赫）内连续改变。
电离层测高仪是一部工作频率连续扫描的短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率综合器、显示记录器、程序控制器等部分组成。
探测时电离层测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间（称为时延）。
1925年布雷特(G. Breit)和图夫(M.A.Tuve)发明了电离层测高仪。
电离层垂直探测 ionospheric vertical sounding用电离层测高仪（或称垂测仪）从地面对电离层进行日常观测的技术。
这种技术垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线。
电离图 ionogram利用电离层测高仪进行电离层垂直探测时获得的电离层反射便视在高度（通常称为虚高、群高等）与频率的关系曲线，称为电离图。
电离层测高仪度量参量从电离图上获取的表征电离层特性的参数称为电离层测高仪度量参量。
常用的一些电离层测高仪度量参量如下：foF2（F2层寻常波临界频率）：F区域内可垂直反射的最高寻常波频率。
h’f2（F2层虚高）：F区内最高的稳定分层寻常波描迹的最低虚高。
M(3000)F2（F2层最高可用频率因子）：F2层的最高可用频率因子。
foF1（F1层寻常波临界频率）：F1区域内最高层的寻常波临界频率。
M(3000)F1（F1层最高可用频率因子）：F1层的最高可用频率因子。
电离层垂直探测电离层垂直探测目录一、概论二、系统设备三、基本原理四、电离层垂测图数据处理及分析五、电离层垂测的目的与用途电离层垂直探测一、概论电离层垂直探测是电离层研究中历史最悠久、至今仍然广泛使用的电离层地面常规探测方法。
这种方法通过垂直向上发射频无线电脉冲，频率f在1～30MHz范围内变化（频率扫描），接收在不同频率上由电离层反射的回波（Echo），测量回波的传播时间τ（Time of Flight），或者虚高（h’= cτ/2）随频率变化的频高图(Ionogram)。
根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，如F 层临界频率foF2，最大电子密度NmF2，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的一维分布，即电子密度剖面。
这是传统垂直探测方法能够提供的最重要的关于电离层结构的信息。
现代数字测高仪除了测量回波的传播时间，还可测量回波的偏振、振幅和相位谱，以及回波到达角，提供更丰富的关于电离层结构与动力学信息。
简单地说电离层垂直探测是用电离层测高仪（垂测仪）从地面对电离层进行日常观测的技术。
这种技术垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接受这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率关系的反射曲线。
二、 系统设备垂直探测设备主要包括：发射系统、接收机系统、频率合成系统、同步控制与时钟系统、数字处理、数据终端、自动判读和天线系统等。
垂测设备组成框图发射天线接收天线GPS 天线输出滤波发射机频率合成接收机信号处理控制器网络计算机数据线端电源 时钟 接口电离层测高仪（垂测仪）：电离层测高仪是从地面对电离层进行常规探测。
测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间（称为时延），从而获得反射高度与频率的关系曲线，这种曲线称为频高图或垂测电离图，从而获得电离层电子密度的高度分布。
电离层探测仪（垂测仪）按功能可以分为：发射机、滤波器、接收机、信号处理、系统电源、数据终端。
（1） 发射机：发射机由预放、激励器、功分器、功放、合成器组成，利用传输线变压器作为功率混合和分配网络来实现宽带功率合成和分配。
发射机的作用是为发射天线提供满足系统要求的射频功率信号。
在同步信号的控制下，1～32MHz 的扫频脉冲编码信号首先进入发射机进行激励放大后，在经历进一步的功率合成到5000W 的功率能量输出。
原理如下图：发射信号自合成器自控制器 保护（2）输出滤波器输出滤波器有单片控制电路、驱动电路、开关电路四部分组成。
工作时将整个扫频过程（1～32MHz ）分10段，每段对应一组5阶考尔滤波器。
首先滤波通过接收终端命令，对起始和终止频率进行设置，然后计算出波段转换点，当扫频开始后，通过波段点的自动判断，有单片机控制多驱动分段控制滤波器的工作，使功放输出的扫频信号保持有用信号，滤除谐波分量。
（3）接收机 其原理框图为：ＲＸＤＴＸＤＳＰ（4）信号处理输入回路 混频 滤波放大 混频 视频检波 解调微处理器频率合成滤波放大分配器正交处理滤波放大分配器相关Ａ／数据处理相关Ａ／输入回路 混频滤波放大混频视频检波解调信号处理单元主要完成模拟中频信号的正式采样、信号电平估计、信号的相关处理和回波信号的时间差计算等。
它接收主控制器的命令，完成主控命令要求的计算和操作。
将来自接收机的模拟中频信号提取，然后进行相关处理等，把信号提取出来，然后再按照探测频率进行幅度编码和距离编码，结果送入终端。
原理图如下：发射同步中频信号采样频率４倍中频 抽取频率４倍宽带（5）系统电源电源系统采用单相220V 供电，通过多路电源转换器提供给各个单元。
整机电源系统如下图。
抗混迭滤波Ａ／Ｄ正交化处理抽取相关器求延时数据接口本地码多路电源转换器风机电源（ＡＣ）５Ｖ ５Ａ主控电源（ＤＣ）主控电源为开关电源，输出55V A±，51V A-，121V A+直流电压给主控机箱内的各个部分。
发射机电源采用大功率电源，输出48V30A+12V1A+、的直流电压，稳压电源采用了高可靠性集成电源模块，多路输出，具有交流范围宽()20%,,直流稳定性高1%≤（）的特点。
电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。
其工作频率可在整个短波波段的频率范围（0.5～30兆赫）内连续改变。
电离层测高仪进行探测时，发射机的高频脉冲振荡通过天线垂直向上辐射，不计碰撞和地磁场的影响,根据阿普顿-哈特里公式（见磁离子理论），电离层介质的折射指数为式中称为等离子体频率;f为发射频率（兆赫）。
对应于电离层中某一高度的电子密度值(单位为米)各有一发射电源（ＤＣ）计算机１２Ｖ１Ａ４８Ｖ３１２Ｖ２个fN值。
利用测高仪对电离层某层进行探测时，将发射机频率f由低值逐渐增高,当f＝f时，＝0，电波就从与相对应的高度反射回来。
如果该层最大电子密度值为，则从该层反射的电波最高频率为式中f为该层的临界频率如果f＞f ,电波将穿过该层入射到更高的电离层次。
当f的值足够高而使电波能穿过最高的层次时，这个频率即为整个电离层的穿透频率。
假设脉冲波群在电离层介质中的传播速度同在自由空间中一样，那么，根据反射下来的回波脉冲与发射脉冲之间的时延，即可决定反射点的高度为式中c为真空中的光速。
但实际上电离层介质中电波的群速度小于光速c。
因此，由上式算出的h‘不是反射点的真正高度h ，它可能比h高得多。
通常称h’为等效高度或虚高。
从垂测仪测出的频高图中可以度量出E、F、F1和Es 层的临界频率和最小虚高等参数。
通过适当的换算还可从频高图得出电子密度随高度的分布。
三．基本原理（1）通过使用电离层测高仪从地面对电离层进行的常规探测。
测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间（称为时延），从而获得电离层电子密度的高度分布。
这种方法通过垂直向上发射高频无线电脉冲，频率f在1～30MHz范围内变化（频率扫描），接收在不同频率上由电离层反射的回波（Echo），测量回波的传播时间τ，或者虚高（h’= cτ/2）随频率变化的频高图。
根据对频高图的度量分析和反演，可以获得电离层特征参数，如F层临界频率foF2，最大电子密度NmF2，以及探测点上空峰值高度以下电子密度随高度的一维分布，即电子密度剖面。
（2）描述无线电波在电离层中传播的理论基础是根据磁离子理论推出的A-H公式，对于高频无线电波，电离层中电子与其它粒子碰撞频率ν/2π～10-10³Hz，参数Z=ν/ω<<1，碰撞项可以忽略，A-H公式简化为：其中：f p —等离子体频率， f —工作频率即电波频率，N e—电子的数密度 e —电子电荷，m —电子质量，ε0—自由空间介电常数，θ—地磁场与波法线夹角，H0 —地磁场强度f H—磁旋频率μ0—自由空间磁导率，ν e—电子的有效碰撞频率根据电磁波传播理论，垂直入射进入电离层的电磁波将在n2=0处发生反射。
由上式可以证明，发生反射时（n2=0）参数X和Y满足以下关系：X=1 寻常波X=1+Y 非常波X=1-Y 非常波即电波频率f p、电子等离子体频率f、电子磁旋频率f H满足：因为X 恒大于零，故只有当Y<1(即fx>fH)时X=1-Y 才有意义，所以：1) 当f<f H 时，反射条件为：X=1 (寻常波)，X=1+Y(非寻常波)；2) 当f>f H 时，反射条件为：X=1 (寻常波)，X=1-Y(非寻常波)。
（3）通常垂直探测方法提供以下电离层参数：02f F ：2F 寻常波临界频率。
2X f F ：2F 层非常波临界频率。
0f E ：E 层临界频率。
0s f E ：s E 层临界频率。
b s f E :s E 层遮蔽频率，即s E 开始变为透明的寻常波最低频率。
min f ：定义：是在电离图上记录到的反射回波的最低频率。
/2h F :2F 层最小虚高。
/1h F :1F 层最小虚高。
/h E :E 层最小虚高。
/s h E ：s E 层最小虚高。
其中比较重要的参数min f ：频高图上观测到的回波最低 频率，此参数是电离层垂直探测仪性能的一个指标，也可以作为电离层对回波吸收强度变化的指标。
（4）电离层垂直探测中的频高图电离层测高仪接收到的反射回波的往返传播时间为：单程传播时间通常用虚高cτ/2来度量：其中c是真空中的光速，τ是电波往返传播时间，B是磁场强度，N e是电子数密度，f是电波频率，μg是群折射指数。
因为群速度总是小于真空中的光速，所以真实反射高度总是小于虚高。
频高图就是反射虚高随电波频率变化的曲线。
图1.1所示的是在北京观测站（40.3N，116.2E）利用CADI数字测高仪所测得的2006年4月8日10:35 LT时刻的频高图。
可以计算出虚高为：令：则当N(h)剖面出现极大值，即变化率dN/dh → 0时，h’(f)→∞，曲线呈现出极大尖点，也就是说，h’(f)曲线的极大尖点所在的频率与某一层的峰值临界频率相联系。
从频高图h΄(f)~f曲线反演电子密度剖面的问题归结为求解积分方程式虚高的问题，求解的未知函数是作为真高hr函数的电子密度N(h)，或者是作为等离子体频率函数的真高h r (f p)。
对于忽略地磁场影响的简单情况，积分方程（1.9）具有阿贝尔积分方程的形式，对于N随h单调上升的情况，有精确解，此解可表示为一个定积分式：其中Z T是在频率f v上反射的真高。
选定一个频率f v，利用图形积分或数值积分方法，由测量得到的离散化h’(f)函数值，求出上式的积分值，便得出与此反射频率f v相对应的真实高度。
四电离层垂测图数据处理及分析下图为2008年03月01号夜间的电离层垂测图对该图进行数据分析如下：由图可以读出min f ：14MHz 反射回波的最低频率14MHz.b s f E : 14MHz s E 层遮蔽频率，即s E 开始变为透明的寻常波的最小频率02f F : 90MHz 寻常波F2层临界频率0s f E : 14MHz s E 层临界频率x I f ： 97OX I 层非常波临界频率0f E 01f F 没有数据S 表示黑夜/h E ： E 层最小虚高/2h F ： F2层最小虚高 /S h E : S S E 层最小虚高，由于某层电子浓度太小，不可能读取度量值。
/h F :205Km 1F 层最小虚高205Km .通过对对回波描迹进行反演计算，我们可以计算出真高，尤其是电子密度极大值的高度和电子密度随高度的分布。
另外，由上面实测电离图可以看出，存在少许离散的弱噪声（同频干扰已去除）且回波描迹存在间断，F2层X 波描迹模糊，图中还出现了Es 层的回波。
