无线电掩星技术及其应用

详细介绍无线电掩星技术作为20世纪90年代中期局长起来的星载地球大气遥感高新技术的国际发展态势，给出其应用于探测从地面至800km高空大气和电离层参量的科学原理和方法，有关的掩星仿真，观测及其与其他观测技术对比的结果，讨论了掩星技术的应用及其正在改善和发展的几个主要方面。     

山基无线电掩星模拟

利用3维射线追踪技术模拟山基(或机载)无线电掩星,研究掩星事件出现的时间、方位角和掩星事件持续时间;详细研究了大气边界层水汽和温度变化对掩星观测高度、相位时延的影响;从CHAMP掩星观测结果分析,得到了地形对掩星观测高度有重要影响的新结论.研究结果对于解释大气边界层掩星观测信号中断和掩星观测高度变化是非常有益的.     

激光掩星探测大气水汽的阿贝尔变换

对流层顶-平流层下区域(UTLS)的水汽分子密度对于研究全球变化、大气物质能量交换具有十分重要的意义,激光掩星技术可能是 一种探测该区域水汽的有效手段。掩星对于大气探测的核心思想源于阿贝尔(Abel)变换。GPS掩星的阿贝尔积分变换表达的是 连线的折射角与切点处折射率之间的关系,而与GPS掩星的阿贝尔积分变换不同的是,激光掩星的阿贝尔积分变换建立的是全路 径大气光学厚度与切点处大气消光系数之间的关系。从光线的程函方程出发,通过变量替换、坐标置换,从而建立起 大气光学厚度与大气消光系数之间的关系。由于光在切点处大气的消光系数和该处大气的水汽浓度成正比,因此分别在微 卫星和微卫星之间发射、接收0.935 $\mu$m掩星激光脉冲,连接两者之间的光束穿过大气层,计算积分路径上其水汽双波长 差分光学厚度,由阿贝尔积分变换反演即可获得光束路径切点处水汽浓度。随着掩星连线的上下移动,连线切点高度随着卫星 相向或背向而行而变化形成水汽浓度廓线。由于激光束发散角小,因此由激光掩星方法获得的水汽廓线高程精度高, 水汽的吸收消光可以直接得到水汽的分子密度,优于GPS掩星的相位延迟间接方法,可以更直接精确地探测大气对流层顶-平 流层下区域的水汽分子密度。此外,研究表明激光掩星方法的光谱分辨率优于太阳掩星方法的光谱分辨率。     

利用超光谱红外卫星数据反演大气廓线研究

建立新的物理反演法能同时反演大气温度廓线、水汽廓线、表层温度和地表发射率,该反演算法应用到我国黄海地区AIRS红外卫星资料中,可反演得到较高垂直分辨率的大气温度廓线和水汽廓+线,同时反演得到的表层温度和地表发射率、根据水汽廓线计算大气可降水量。     

山基GPS掩星观测数据在电波到达角计算中的应用

在福建省太姥山和浙江鹤顶山开展了GPS掩星观测实验并成功获取山基掩星观测数据, 对掩星事件进行了分析和统计; 阐述了利用山基掩星观测数据计算大气折射指数和电波弯曲角的原理和算法, 基于山基反演数据与欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)数据构建电波传播的直接折射模型和一次反射模型来计算任意两点之间的电波到达角.结果表明:山基反演数据计算的大气折射率剖面反演准确度在95%以上, 在1 km下的近距离计算中基于山基反演数据的直接折射模型优于一次反射模型, 山基反演数据的电波到达角模型优于ECMWF数据模型, 文中创建的两种电波到达角计算模型对模拟两点之间的电波传播路径和真实电波信号的调整接收具有重要指导意义.     

双通道微波辐射计反演大气剖面的改进算法

利用地基双通道微波辐射计(23.8和31.65GHz)所测量的大气辐射亮温以及地面的大气温度,湿度和压强测量值,给出了一种反演大气温度和水汽密度剖面的非线性回归算法,并利用郑州地区的历史探空资料进行仿真验证,结果表明非线性回归算法较线性回归算法具有更好的大气剖面反演精度.     

基于COSMIC掩星观测的顶部电离层标高特征分析

顶部电离层是指F2层电子密度最大值所在高度以上的电离层区域。掩星观测能够提供地面到低轨卫星轨道高度处的整个电离层电子密度剖面,对于顶部电离层的研究具有重要作用。标高是构建顶部以上电离层电子密度剖面模型的重要参数。本文使用2007—2020年的气象、电离层和气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC)掩星观测数据,提取有效电子密度剖面数据的顶部标高,分析了其随地方时、季节、经纬度和太阳活动水平的变化特性。结果表明：顶部标高具有明显的日变化和季节变化规律,并且表现出强烈的太阳活动依赖性;顶部标高在纬度上的变化强烈依赖于地方时,同时在东西经向上表现出明显的波状结构,且这种经度波状结构在南北半球具有不同的形态;顶部标高在夏季半球具有显著的东西经向差异,南半球夏季更为明显。     

利用COSMIC掩星数据分析电离层扩展F层现象

利用2009年的COSMIC掩星观测数据,分析电离层扩展F层不均匀结构引起的GPS卫星C/A码信噪比闪烁,研究全球范围内扩展F层的出现随地理位置、地方时变化的统计特征。初步分析结果表明,扩展F层在3月份主要出现在低纬地区和两极地区,主要发生在地方时日落至午夜之间,有时可延至午夜后数小时。本文结果和以往利用其他观测手段获得的结果较为一致,说明GPS掩星技术可以作为观测全球扩展F层的一种有效手段。     

用双通道微波辐射计测量反演大气折射率剖面

介绍了利用线性回归法，通过地基微波辐射计实时测量的大气辐射亮温、地面温度和湿度，直接反演大气折射率剖面。给出了实验结果，并与常用的折射率分段统计模式相比较，表明辐射计测量反演方法的精度明显提高。     

利用掩星弯曲角协方差变换法确定对流层顶

利用气象电离层与气候观测星座（The Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate,COSMIC）任务提供的全球定位系统（Global Positioning System,GPS)无线电掩星观测数据,研究用弯曲角自然对数协方差变换确定对流层顶的方法.对该方法中尺度因子a值的选取原则进行了讨论,发现当a取35 km时,基本能过滤低对流层大气温度和湿度梯度引起的小尺度变化,最易确定对流层顶高度.〖JP2〗将采用该方法确定的对流层顶分别与相应的掩星温度廓线确定的温度最低点对流层顶（Cold Point Tropopause,CPT）和温度递减率对流层顶(Lapse Rate Tropopause,LRT)、以及无线电探空温度廓线确定的CPT和LRT进行了比对,结果表明:直接从弯曲角廓线出发,采用自然对数协方差变换法确定对流层顶是可行的;在某些高纬度地区,弯曲角自然对数协方差变换法比其它方法更加实用.     

大气无线电噪声测量与分析

在中纬地区（河南省辉县）进行了冬季一个月的大气无线电噪声测量。对实测值分别与ＣＣＩＲ－３２２－２＾「１」及ＣＣＩＲ－３２２－３＾「２」报告书的预期值进行了分析比较,结果表明ＣＣＩＲ－３２２－３报告书的预期值较接近于实测值,但还存在一定的偏差,特别是白天偏差较大。     

Temperature‐dependent water vapour and oxygen permeation through different polymeric materials used in photovoltaic‐modules

Most photovoltaic (PV)‐modules have polymeric materials as encapsulants and back sheets. Usually these materials are not water vapour‐tight and air‐tight, but allow permeation of gases from the ambient atmosphere, especially oxygen and water vapour, which could contribute to degradation of the PV‐modules.This work gives a short overview on how the permeation process through polymers takes place and how it is influenced by the material properties and ambient conditions. Results of permeation and diffusion measurements for water vapour as well as oxygen are shown for various encapsulation and back sheet materials with special focus on temperature dependence. The results demonstrate differences in permeability and temperature dependence for the investigated materials, but also show similarities for material groups. All investigated materials feature a Fickian behaviour within the measurement conditions even when crossing glass temperature or melting temperature. With these results, an Arrhenius‐model was fitted to extrapolate permeation and diffusion values to a temperature range the PV‐modules can be exposed to during lifetime. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

电离层多源数据同化方法研究

多源数据同化是实现电离层天气现报和预报的重要途径.选择参数化电离层模型作为背景模型,基于地基全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测以及第二代气象/电离层气候卫星探测系统(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate 2,COSMIC 2)掩星测量,利用经验电离层模型NeQuick计算得到多源观测数据,结合水平和垂直方向分离的高斯型协方差矩阵及卡尔曼滤波方法实现了中国区域电离层多源数据同化反演.同化结果表明,多源数据同化方法能将观测资料有效地同化到背景模式中从而获得较好的同化结果.与背景模式相比,同化后得到的电离层总电子含量及电子密度误差均显著下降.     

窄带无线电台通用数据通信适配器研究

窄带无线电台通用数据通信适配器的研究,主要解决在窄带短波、超短波无线电台的模拟信道中实现数据通信的问题,分析了数据通信适配器的设计思路,探讨了数据通信适配器的基本构成和工作原理,提出了数据通信适配器的主要设计方案及关键技术运用,对相关数据通信系统的研究应用具有重要作用.     

软件无线电在电离层电波探测中的应用

提出了应用软件无线电发展新的电离层电波探测技术，开发新一代电离层电波探测设备的思想，并针对广泛使用的电离层探测设备数字测高仪，详细讨论了软件化数字测高仪的系统结构、特色和可行性。结果表明：发展新的软件化电离层电波探测设备的理论和技术条件均已成熟，它所具有的开放性和灵活性，能更好的满足二十一世纪电离层空间大气研究的需要。     

基于掩星观测的全球低纬地区电离层不均匀体形态分析

基于气象、电离层和气候星座观测系统（Constellation ObservingSystem for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC）掩星闪烁指数观测数据,将遮掩点的位置作为电离层不均匀体出现的位置,对比分析了电离层E区不均匀体和F区不均匀体随时间、空间、太阳活动和地磁活动的变化. 发现E区闪烁主要出现于夏季半球的中纬地区;而F区闪烁主要出现于春秋季的磁赤道和低纬地区,受到地磁场的强烈控制. 除季节因素外,太阳活动对E区闪烁的影响并不是基本的,而赤道异常和赤道附近的F区闪烁受到太阳活动的显著控制:相比太阳活动低年,高年的F区闪烁强度更大,且扩展至更高的纬度. 地磁扰动时,中低纬地区电离层E区闪烁的全球分布与地磁平静时相似,但是闪烁的强度总体上略有增加,尤其是凌晨时段（00:00—06:00LT）;中低纬地区电离层F区闪烁的全球分布也与地磁平静时相似,但是闪烁强度明显增加,且扩展至更高的纬度,尤其是00:00—06:00LT及18:00—24:00LT的太平洋扇区. 两者对比表明,电离层F区闪烁对地磁活动更为敏感. 将COSMIC掩星与天基原位观测的闪烁出现率结果进行对比,发现掩星手段不仅可以反映全球尺度的电离层不均匀体变化特征,包括它随季节/经度、地方时、太阳活动和地磁纬度的变化,而且可以反映电离层不均匀体随高度的变化,这是以往的观测手段难以拥有的.