电离层垂直剖面建模方法改进研究

王华旭 郭文玲 蔚娜 李雪 王鹏

(1. 海军91033部队,青岛 266071；2. 中国电波传播研究所,青岛 266107;3.63892部队，洛阳 471003)

电离层垂直剖面建模方法改进研究

王华旭1郭文玲2蔚娜2李雪2王鹏3

(1. 海军91033部队,青岛 266071；2. 中国电波传播研究所,青岛 266107;3.63892部队，洛阳 471003)

垂测电离图反演对研究电离层结构、电离层波传播等具有重要意义,受到广泛的重视．模式法是垂测电离图反演较为普遍的方法,基于Reinisch和黄雪钦根据IRI模型建立的电离层垂直剖面模型,Carlo Scotto提出了一种反演电离层剖面的方法．文章基于这种反演方法对Reinisch和黄雪钦模型进行了改进,把高斯模型应用于F1层模型，使反演后F1层临频与实测F1层临频基本吻合，同时应用F1层模型的反模型——反高斯模型作为连接层以保证F1层与F2层剖面连续，并通过仿真分析对算法的有效性进行了验证。

反演;建模;电离层剖面;垂直探测

DOI 10.13443/j.cjors.2016090601

引 言

电离层是指60～1 000 km以上的高层大气,在太阳辐射的影响下,大气物质发生电离. 该区域的电离层状态对雷达无线电波传播影响显著. 电离层是超视距传播系统的传输媒质,它对超视距传播的研究具有重要的意义[1-2]. 目前,国际上常规的短波段地基电离层探测主要包括垂直探测[3-4]、斜向探测[5]和返回散射探测[6-7].利用电离层测高仪对电离层进行垂直探测是电离层研究中历史最悠久,也是至今为止最为重要的探测方法. 而且电离层测高仪因其廉价、方便和功能丰富而被广泛采用,是目前地面观测研究电离层的主要常规设备.

现有的电离层测高仪直接探测只能得到频率与虚高的关系,不能得到真实的电子浓度. 要研究电离层结构和电离层波传播问题需要明确真实的电子浓度,也就需要进行电离层垂直探测反演. 电离层垂直探测反演是根据探测的垂测电离图获取电磁波真实反射高度与等离子体频率或电子浓度的对应关系.

目前,垂测电离图反演方法可以归纳为以下两种:① 直接计算法[8-9],该方法根据电离层真实高度和虚高的对应关系,直接由实测虚高计算得到电离层真实高度;② 模式法[10-12],该方法假设电离层剖面可用某种模型表征,通过寻找使基于该模型合成的垂测描迹与实测描迹在某种意义上最佳吻合的模型参数来确定电离层剖面. 相较于前一种方法,模式法对于电离图质量要求不那么苛刻,并且可以得到较好的反演结果,应用较为普遍,国内外学者利用不同的探测数据发展了多种基于模式法的电离层参数反演方法.

基于模式法思想,Reinisch和黄雪钦公开了一种基于国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型[13]改进的电离层垂直剖面模型[14],Carlo Scotto基于此剖面模型,提出了一种反演电离层剖面的方法[15]. 但当该模型中有F1层存在时,计算得到的F1层临频和实测F1层临频没有约束对应关系,导致最终反演得到的F1层临频和实测值存在偏差.

针对上述模型的缺陷,本文基于Carlo Scotto反演方法对剖面模型进行了改进,把高斯模型应用于F1层模型,并利用反高斯模型连接F1层和F2层,把文中新改进的模型称为“本文模型”．本文模型不仅使反演的F1层临频与实测F1层临频高度吻合,提高了模型的精度,同时还使反演的F1层剖面与实测F1层剖面也达到高度吻合,并且还保证了整个剖面的连续性．本文对提出模型进行了仿真分析,验证了模型的有效性．

1 反演模型

1.1 Reinisch和黄雪钦改进模型

Reinisch和黄雪钦基于IRI模型建立了改进的电离层垂直剖面模型[14]．三层电离层模型示意图如图1所示,横坐标N表示电子浓度,纵坐标h表示高度,建模模型大体上可概括为:EF段为二次多项式模型,DE段为三次多项式模型,CD段为二次多项式模型,AC段为Reinisch和黄雪钦改进模型．

图1 三层电离层电子浓度剖面示例

Reinisch和黄雪钦改进后新模型,当有F1层存在时电离层电子浓度剖面具体形式如式(1)所示:

(1)

Hst≠hmE+ΔhvE；NEF(h)表示EF段电子浓度;NDE(h)和NCD(h)表示谷层电子浓度;NAB(h)表示F2层电子浓度;NBC,1(h)表示F1层电子浓度;NBC(h)表示谷层与F1层连接层的电子浓度;NmE表示E层最大电子浓度,hbE表示E层底高，hmE表示E层最大电子浓度处的高度,hvE表示谷层最深处的高度,δhvE表示谷的宽度,δNvE表示谷的深度,ymE表示E的半厚,ymv表示谷的半厚;NmF2表示F2层最大电子浓度,hmF2表示F2层最大电子浓度处的高度,B0是F2层的厚度参数,B1表示F2层的形状参数;hmF1表示F1层最大电子浓度处的高度,D1表示F1层的形状参数;

式(1)中NBC,1(h)中Hst为NAB(h)=NmE时的h,NBC(h)中Hst为NBC,1(h)=NmE时的h. 根据剖面的连续性和光滑性确定a0、b0、c0、d0以及ymv的解析式．

1.2 Scotto反演算法

Scotto基于Reinisch和黄雪钦改进模型,提出了一种电离层反演方法[15]．针对含有E层、F1层和F2层三层的电离层,以图1中参数为例,该方法具体算法如下:

首先,在实测电离图上选取三个探测频点．

其次,设置F2层最大电子浓度NmF2、F2层最大电子浓度处的高度hmF2、F1层最大电子浓度NmF1、F2层的厚度参数B0、F2层的形状参数B1、F1层的形状参数D1、E层最大电子浓度NmE、E层最大电子浓度处的高度hmE、谷层最深处的高度hvE、谷的宽度δhvE、谷的深度δNvE、E的半厚度ymE共12个自由参数的初始搜索范围．

然后,鉴于算法的计算效率以及有效性,在12个自由参数寻优中找出与选取的三点实测虚高误差最小的1 000组参数．

最后,在实测的所有频点上根据这1 000组数据求取模型的虚高与真实数据虚高的相关系数,把相关系数最高的一组参数作为剖面模型的参数.

1.3 改进新模型

在Reinisch和黄雪钦改进模型中,峰高处电子浓度与根据实测临频得到的最大电子浓度吻合得不好,所以在根据反演剖面得到的描迹中,反演描迹的F1层临频与实测临频有偏差. 本文对F1层模型进行了改进,把高斯模型应用于F1层模型,使反演得到的F1层临频与实测F1层临频吻合得更好,而且F1层电子浓度与真实电子浓度吻合得很好. 同时F1层模型的反模型——反高斯模型作为保证F1与F2剖面连续的连接层.

当有F1层存在时,改进后新模型的电离层电子浓度剖面具体形式如式(2)所示:

(2)

Hst≠hmE+δhvE．

E层和谷层的连接点位于E层峰高hmE处．谷层包括两个部分,与E层连接部分N谷E和与连接层1的连接部分N谷F1,并且在高度hmE+δhvE处的浓度等于E层峰高处浓度NmE,这两部分的连接点位于高度hvE处．F1层和谷层连接层的连接点位于高度h1处．F1层与F1层和F2层连接层的连接点位于F1层峰高hmF1处．F1层与F2层连接层和F2层的连接点位于高度h2处．式(2)中各符号的具体含义如下:

1)E层

NE表示E层的电子浓度;NmE表示E层的最大电子浓度;hmE表示E层峰高;ymE表示E层半厚;hbE=hmE-ymE表示E层底高,是Reinisch和黄雪钦改进模型中EF段(图1中所示)的模型．

2)谷层

与E层连接部分N谷E的三次多项式模型的各个参数的值根据电子浓度剖面在高度hmE+δhvE处的连续性、在高度hmE处与高度hvE处的光滑性和连续性计算得出,其中δNvE表示谷宽,是Reinisch和黄雪钦改进模型中DE段(图1中所示)的模型．

N谷F1表示N谷E与连接层1之间的链接层,是Reinisch和黄雪钦改进模型中CD段(图1中所示)的模型．

3)F2层

hmF2表示F2层的峰高;NmF2表示F2层峰高处的电子浓度;h2表示F2层与连接层2的交点处高度,是Reinisch和黄雪钦改进模型中AB段(图1中所示)的模型.

4)连接层2

hmF1表示F1层峰高;NmF1表示F1层峰高处的电子浓度,是本文改进的模型——反高斯模型．连接层2是保持F1与F2连续的连接层．

5)F1层

h1表示连接层1与F1层连接处的高度,是本文改进的模型——高斯模型．

6)连接层1

连接层1是N谷F1与F1之间的连接层,是Reinisch和黄雪钦改进模型中BC段(图1中所示)的模型．

Hst是式(3)与式(4)的根,Hz的值如式(5)所示：

NmE=NF2(h*) ，

(3)

(4)

(5)

图2给出了改进后的电离层垂直剖面建模的结构及Carlo Scotto反演方法流程框图．

图2 电离层垂直剖面建模及参数反演方法框图

2 仿真验证分析

本文是针对含有F1层的电离层模型进行改进．选取典型的三层电离层对两种模型进行反演精度验证,根据Reinisch和黄雪钦改进模型,给出CarloScotto反演算法中一组12个自由参数,作为验证算法的真实剖面,再根据电离层电子浓度剖面模型以及反演算法再次寻优的方式进行仿真,对两种模型反演结果进行比较.

两种模型反演电子浓度与真实值比较如图3所示.谷层没有回波描迹,不同的谷层可能会对应相同的E层与F层剖面,本文模型与Reinisch和黄雪钦改进模型计算的E-F1谷区电子密度(两个模型计算的结果几乎完全相同)与真实电子密度值存在一定差别. 图3中小图为黑色圈中放大部分,拐点处表示F1层临频．由图3可见:改进模型F1层反演得到的电子浓度与真实值吻合得很好;与Reinisch和黄雪钦改进模型反演的结果相比,本文模型反演的F1层临频更接近真实值,绝对误差仅为0.001MHz.

图4为根据反演结果合成的描迹与真实描迹的比较,图中小图为黑色圈中放大部分,可见改进后模型的结果与真实值吻合得很好.

图3 电子浓度比较

图4 合成描迹

由仿真结果可知,改进模型的反演精度较原模型有较大提高,尤其是F1层临界频率,与真实值几乎完全一致.

3 结 论

垂直探测是地面观测研究电离层的常用方式.垂测电离图的研究对于电离层的研究具有重要意义. 本文针对Reinisch和黄雪钦基于IRI模型改进后的电离层垂直剖面建模模型进行了改进,把高斯模型应用于F1层模型,并在F1层与F2层连接处应用了新的模型——反高斯模型. 改进后模型使F1层临频与实测临频高度吻合,而且F1层反演电子浓度剖面与真实值也高度吻合,提高了反演精度,保证了整个剖面的连续性. 本文提出的模型改进方法对电离层研究具有一定价值.

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王华旭 (1972—),男,山东人,工程师,毕业于海军电子工程学院,目前主要研究方向为无线通信.

郭文玲 (1986—),女,山东人,硕士,工程师,目前主要研究方向为电离层电波传播、雷达信号处理等.

蔚娜 (1981—),女,山东人,博士,高级工程师,目前主要从事雷达信号处理和电波传播研究工作.

李雪 (1981—),男,黑龙江人,博士,高级工程师,目前主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理、电波传播等.

王鹏 (1986-)男，山西人，硕士研究生，助理研究员，目前主要研究方向为电子对抗系统仿真。

The method improvement of ionospheric vertical profile model

WANG Huaxu1GUO Wenling2WEI Na2LI Xue2WANG Peng3

(1.Naval91033,Qingdao266071,China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China;3.63892ForcesofPLA,Luoyang471003,China)

The electron density profile inversion from vertical incidence ionograms, which is essential for research on the ionospheric structures and wave propagation, has received extensive attention. The model method is common for the inversion of vertical sounding ionogram. The inversion method of ionospheric profile was proposed by Carlo Scotto based on the Huang Xueqin's ionospheric vertical profile model. With this premise, we apply the Gauss model to F1layer for the improvement of Huang Xueqin's model. The inversion critical frequency of F1layer agrees with the measured value. Also we use the anti-Gauss model of the F1layer as the joint layer to ensure the continuity of the F1and F2layer section. The validity of the algorithm is also verified by simulation analysis.

inversion; model; ionosphere profile; vertical sounding

2016-09-06

国防技术基础科研项目(JSHS2014210A002)；国家自然科学基金(No. 61331012)

10.13443/j.cjors.2016090601

P352

A

1005-0388(2017)01-0073-06

联系人： 王华旭 E-mail：15820039820@163.com

王华旭,郭文玲,蔚娜, 等. 电离层垂直剖面建模方法改进研究[J]. 电波科学学报,2017,32(1):73-78.

WANG H X, GUO W L, WEI N, et al. The method improvement of ionospheric vertical profile model[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):73-78. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016090601