电离层垂直探测知识讲解
天亮了歌词-
电
离
层
垂
< br>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<
/p>
），测量回波的传播时间τ（
Time of Flight
），或者
虚高（
h
’
= c
τ
/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<
/p>
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
。
GPS
天线
信号处理
接收
天线
频率合成
计算机数据线端
发射
天线
输出滤波
网络
发射机
接收机
控制器
电源
时钟
接口
垂测设备组成框图
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
< br>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<
/p>
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
～
32
MHz
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
5000
W
的功率能量输出。原理如下
图：
功
功放
<
/p>
预
激
率
放
励
发射信号
去输出
分
配
自合成器
滤波器
1:8
功
率
合
成
8:1
发射脉冲
驻波检测
发
射
控
制
自控制器
保护
（<
/p>
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
～
32
M
Hz
）分
10
段，每
< br>段对应一组
5
阶考尔滤波器。首先滤波通过接收终端命<
/p>
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：
ＲＸＤ
输入回路
混频
滤波放大
混频
视频检波
解调
相关
微
处
理
器
Ａ／
频
率
合
成
滤
波
放
大
分
配
器
正
交
处
理
滤
波
放
大
分
配
器
数据处理
ＳＰ
ＴＸＤ
相关
Ａ／
输入回路
混频
滤波放
大
混频
视频检
波
解调
（
4<
/p>
）信号处理
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
抗混
迭滤
波
Ａ／
Ｄ
正交
化处
理
数
据
接
口
抽取
相关器
求延
时
采样频率４倍中频
抽取频率４倍宽带
本地码
（
5
）系统电源
电源系统采用单相
220
V
供电，通过多路电源转换器提供给<
/p>
各个单元。整机电源系统如下图。
多
路
电
源
转
换
器
风机电源（ＡＣ）
主控电源（ＤＣ）
５Ｖ
５Ａ
１２Ｖ
１Ａ
发射电源（ＤＣ）
４８Ｖ
３
１２Ｖ
２
计算机
主
控电源为开关电源，输出
5
V
5
A
，
5
V
1
A
，
12
V
< br>1
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
+12V1A
的直流电压，稳压电源
率电源，输出
48V30A
、
采用了高可靠性集成电源模块，多路输出，具有交流范围
（
1%
）
宽
20%
,,
直流稳定性高
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
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<
/p>
,
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
< br>式中
c
为真空中的光速。但实际上电离层介质中电波的<
/p>
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
、<
/p>
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
’
=
c
τ
/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<
/p>
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
/2
π～<
/p>
10-10
³
Hz
，参数
Z=
ν
/
ω
<<1
，碰撞项可以忽略，
A-
H
公式简化为：
其中：