VHF雷达空域干涉法探测曲靖电离层E区场向不规则体精细结构

针对VHF相干散射雷达传统观测方式的探测能力局限,构建了空域干涉法探测实验系统,其具备对电离层场向不规则体（field-aligned irregularity, FAI）三维精细结构探测能力.结合曲靖E区FAI干涉探测实验数据,实现了对系统相位偏差校正及回波三维空间位置精确获取,得到了不规则体云团的三维精细结构以及漂移运动过程,包括FAI回波散射点的三维空间位置以及FAI云团的三维空间外尺度、漂移运动轨迹和漂移速度等.探测实例结果表明：其东西、南北和高度向分布范围分别为-35～20 km、85～120 km和95～130 km,对应的三维外尺度分别为23.8 km、7.6 km和7.6 km;东西向漂移速度要大于其他两个方向,并呈现出5～6 min的准周期回波特征.     

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.     

曲靖非相干散射雷达电离层E-F谷区电子密度日间变化特征初步分析

电离层E-F谷区是电离层探测和研究的薄弱环节之一.文中利用曲靖非相干散射雷达日间120～200 km的电子密度观测数据,初步分析了曲靖地区电离层E-F谷区的变化特征.发现E-F谷区结构依赖于地方时与季节,相对于正午存在对称性,同时表现为两种形态：一种在120～160 km存在明显谷区结构,谷底位于134～144 km;另一种的谷区很宽,谷底位于约130 m,在120～150 km电子密度随高度缓慢变化,160 km以上电子密度快速单调增加.一次耀斑爆发后129 km以下电子密度迅速增加,D层电子密度突然增强,而134 km以上变化不明显,可能与X射线增强有关.一次磁暴期间139～158 km电子密度变化不明显,177～196 km的电子密度出现了增强现象,可能与氧原子含量增加有关.     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

非相干散射雷达的空间碎片参数提取

介绍了利用电离层非相干散射雷达探测回波提取空间碎片参数的匹配滤波方法和主要技术流程;以一个碎片事件为例,详细说明了空间碎片距离、径向速度、散射截面和等效直径的估算方法;实测了约80 min的原始回汲数据,共检测到165个碎片,并分析了这些空间碎片参数的统计特征,发现碎片主要分布在600 km~1000 km 和1400 km~1600 km两个高度区间,雷达散射截面约4 cm2~80 cm2,直径约4 cm~12cm ,径向速度约-1.5 km/s~1.5 km/s 。     

北极500 MHz非相干散射雷达空间碎片凝视探测的统计分析

对北极500 MHz非相干散射雷达2007年5月-2008年2月期间73天的空间碎片观测数据进行了统计分析.主要结果如下:1）共观测到88 679个空间碎片,每天平均约1 215个,每小时平均约50个;2）800~1 000 km的空间碎片数目明显多于其他探测距离门区域,空间碎片速度在-1.25~1.25 km/s对称分布,空间碎片尺寸主要分布在3~10 cm区间;3）从数天的短时间尺度来看,空间碎片分布特征变化较小;从数月的长时间尺度来看,空间碎片数量总体呈增加趋势,高度分布范围由集中逐渐扩散;4）860 km高度上的空间碎片数目出现时隔五个月的特别起伏变化;5）从地方时分布看,6-8LT和12-14LT空间碎片数目变密集.以上结论增加了对北极空间碎片分布特征的认识,对我国的空间碎片建模具有重要意义.     

一次雷暴过程云闪放电通道三维结构及其始发阶段特征的观测分析

为了定量描述云闪三维通道的结构演变，通常建立闪电脉冲辐射源与雷达回波强度之间的关系，还可为雷电预警提供有益参考依据.本文基于南京地区的低频三维闪电辐射源定位系统，观测研究了2018-08-03一次强对流天气过程中典型的三次云闪，利用波形互相关算法来确定闪电脉冲到达不同测站的时间差这一定位技术，对云闪的脉冲辐射源点进行三维空间定位，并对其放电通道三维结构特征进行详细分析.结果表明：南京地区此次雷暴过程的三次云闪其始发位置均从6 km高度开始，并近似垂直向上发展，平均发展速度为2.9×10⁵～3.6×10⁵ m/s，在到达10 km高度后，呈现水平发展趋势，而随后的水平发展阶段位于两个高度或集中于同一高度；三次云闪脉冲始发点处的回波强度均小于30 dBZ，且脉冲辐射源点几乎都是从强回波区的上部或者靠近弱回波区处始发，并在弱回波区继续垂直向上发展.利用波形互相关时间差定位技术对云闪的脉冲辐射源进行空间定位，可以较为清晰地描绘云闪的三维通道结构，进而分析得到南京地区云闪始发阶段脉冲辐射源与雷达回波强度之间的定量映射关系.     

瑞利测风激光雷达夜间准零风层观测结果分析

一台用于观测对流层和平流层风场的车载瑞利测风激光雷达于安徽合肥建成,该雷达使用双边缘技术,设计探测高度10~40 km,距离分辨率分别为100 m(20 km高度以下)和500 m(20 km高度以上)。在2011年夏季该雷达于新疆乌鲁木齐地区(42.1N,87.1E)进行了风场观测实验并成功观测到了平流层准零风层大气结构,给出了几组夜间典型的风场数据,根据观测结果得出:准零风层底部高度稳定在17~18 km高度而不随时间变化,而准零风层厚度则随时间有一个先增大后减小的趋势,并在北京时间凌晨0点~3点期间达到最大值。在观测中出现的准零风层厚度最大值超过15 km,最小值则仅有约2~3 km。分析认为:准零风层厚度的变化与夜间平流层接收到的紫外线辐射强度变化有关,同一时刻不同纬度上的平流层接收的紫外线辐射强度变化程度不同,导致平流层温度梯度继而大气环流的速度发生变化,从而引起准零风层厚度变化。     

基于连接层的天波雷达高度估计算法研究

天波雷达具有探测距离远、覆盖范围大的优点,在对远距离目标探测方面具有显著优势,受到广泛关注。目前天波雷达主要是通过微多径模型来估计目标高度信息。其中,基于匹配场处理算法得到了较好的目标高度信息,但该算法忽略了电离层的连接层。该文注意到忽略连接层的电离层模型是不连续的,而实际的电子浓度是连续变化的,因此不考虑连接层的电离层模型与实际情况不符,会影响目标高度估计的性能。基于该考虑,提出了基于电离层连接层模型的改进的天波雷达高度估计算法。该方法首先建立了与实际相符的含连接层的电离层模型,使其电子浓度连续平滑变化,在此模型上进行高度估计,得到更好的效果。仿真结果表明,与已有方法相比,该文的高度估计精度更高,收敛速度更快,在第6个驻留周期高度估计误差就可收敛至1km以内,平均误差为715m,而有关文献中的高度估计误差在第26个驻留周期才可收敛至1km,平均误差为1 456m。     

2004年11月强磁暴期间中国地区电离层TEC扰动特性分析

利用28个全球定位系统(Global Positioning System, GPS)观测站获取的电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)测量数据, 分析了2004年11月一次强磁暴期间的中国中低纬地区电离层TEC暴扰动特性, 结果表明:电离层TEC以正相暴扰动响应为主, 中纬地区的暴变扰动要强于低纬, 以北纬35°附近扰动最为强烈; 暴时电离层空间相关性变强, 电离层相关距离由宁静日的约5 500 km提升到暴变日的约8 000 km; 在8日的主暴扰动期间, 发现伴有自东北向西南的电离层TEC暴扰动传播, 自东向西的经向传播速度约为120 m/s, 要高于纬向传播.初步探讨表明, 向赤道中性风、日侧东向急剧穿透电场以及喷泉效应等可能是导致此次电离层TEC正相暴在北纬35°附近扰动最为强烈的关键因素, 也进一步揭示了电离层与太阳风、磁层之间以及电离层不同纬度区之间有着复杂的耦合过程.     

中国低纬(海南)电离层漂移特性

为了研究中国低纬地区的电离层动力学特征,对2002年3月～2004年3月期间海南地区的电离层等离子体漂移观测资料进行了分析研究.结果表明:磁宁静时海南地区的电离层漂移日间垂直方向变化较为规则,季节变化不大,漂移速度通常向上,大小为0～20m/s,随季节变化;晚间垂直方向漂移变化较为复杂,漂移速度以向下为主,随月份和季节变化较大;水平方向漂移速度通常在50～100m/s左右,在日出日落时可达150～200m/s,甚至高达300m/s,且在南北方向和东西方向的漂移速度表现不同.这些特征与经度相差几乎180°的赤道区Jicamarca台站观测到的漂移特征对比,显示了较大的区域差别.     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

The inhomogeneous structure of the daytime Venusian ionosphere studied by Venera 15 and Venera 16 via radio sounding

The inhomogeneous structure of the Venusian daytime ionosphere is investigated on the basis of the data provided by the Venera 15 and Venera 16 space probes. The experimental data obtained from two-frequency radio sounding are restored, processed, and saved on modern media. Frequency and signal-power variations are analyzed, and, as a result, ionized layers on the solar illuminated planet’s daytime side are discovered at altitudes of 80–110 km. Results of spectral processing of frequency fluctuations observed during sounding of the upper region of the Venusian daytime ionosphere are presented. In this region, the electron concentration monotonically decreases with altitude up to the ionopause. Electron-concentration irregularities with dimensions of 5–60 km are revealed. The intensity and spectral index of the spatial spectrum of the ionospheric turbulence are estimated. Reliable information on the turbulence of the planet’s ionized shell is obtained for the first time.     

Minimum sprite plasma density as determined by VLF scattering

The scattering of VLF sub-ionospheric transmissions by sprite plasma through horizontal angles up to 180° shows that sprite plasma is highly conducting. Following a simple transmission-line (one-dimensional-wave) model in 1997, two-dimensional and three-dimensional models have been produced. Here, we compare the results of the three models, and show that all require a uniform conductivity of at least 30 μS/m, corresponding to an electron density at 70 km altitude of ~10¹⁰ m^-3 (~10⁴ electrons per cc), and so about 10⁵/cc at 55 km. The latter ionization density is about that of the daytime E-region, and over six orders of magnitude above the ambient density at 55 km. By contrast, the “early/fast” events, as defined by the Stanford group, do not exhibit scatter angles above 15°, suggesting that the sprite conductivity rises too slowly (as the plasma cools) to reach adequate backscatter within the time allowed by the “early/fast” definition     

中国大陆14次强震前电离层异常统计分析

地震电离层扰动规律统计分析对开展地震监测、预测意义重大。利用四分位数法对中国大陆地区14次Ms≥7.0地震前电离层foF2进行了统计,进一步证实了地震电离层异常的存在,并分析了地震电离层异常扰动的时间、空间分布规律以及扰动形态特点,给出电离层foF2扰动与地震各要素之间的关系。统计结果表明:85.7%(12次)的地震在震前出现电离层异常,并且大部分分布在震前7天以内的11∶00LT～17∶00LT;此外,电离层foF2扰动幅度与即将发生的地震震级、震源深度、震中距离存在不同程度的相关性。     

A test of ocean surface-current mapping with over-the-horizon radar

A two-day test with a decametric over-the-horizon (OTH or ionospheric) radar in Virginia attempted to map the radial component of ocean surface currents over a 210 000 km² area that includes the Florida Straits and parts of the Gulf of Mexico as distant as 1500 km. Ionospheric motions distort and bias individual measurements, but their effects are mitigated by a combination of strategies that take advantage of the different space and time scales of oceanic and ionospheric motions. In addition, nearby land echoes are used as zero Doppler references to correct for ionospheric shifts. The result is a composite picture of the Florida Current and ancillary surface flows with 10-15-km resolution. The picture agrees quantitatively with known currents in the region, but reveals dynamical features with new detail. Concurrent sea-surface topography in the Gulf of Mexico, derived using tandem altimetric observations from the TOPEX/Poseidon and ERS-1 satellites, confirms that a region where the OTH radar measures a southwestward current greater than 1 m/s^-1 coincides with the confluence of the Tortugas Gyre and the Gulf of Mexico Loop Current. These results suggest that consistent surface current maps can be constructed by using OTH radar to repeatedly interrogate a region of interest, perhaps over several days     

瑞利多普勒激光雷达F-P标准具的设计与校准分析

为了精确观测平流层风场,采用F-P标准具作为瑞利散射测风激光雷达多普勒频率检测的核心器件,对F-P标准具多普勒频率检测原理进行了理论分析,从分析最大设计高度时的测量误差着手,优化选取标准具透过率曲线参量;介绍了透过率曲线参量的校准过程和校准方法,分析了导致透过率曲线的半峰全宽增大的原因、透过率曲线校准精度对速度灵敏度及系统探测误差的影响;并通过实验对设计和校准结果进行了验证。结果表明,由于透过率曲线的半峰全宽增大,导致速度灵敏度下降了0.118%/（m·s-1）;40km高度处,在测量信噪比大于10的条件下,径向速度测量精度增大2m/s。