一种垂测电离图反演方法技术

本发明专利技术公开了一种垂测电离图反演方法，包括以下步骤：步骤1：建立电离层剖面数学模型，所述的模型为包含E层、谷层和F层的三层模型；步骤2：各层反射回波虚高的计算，基于建立的电离层模型，推导E层、F层回波虚高的计算公式；步骤3：利用实测电离图数据，结合E层、F层回波虚高计算结果，进行E层、谷层、F层电离层参数的反演。本发明专利技术所公开的垂测电离图反演方法，克服了现有技术中的缺点，提出了基于移位切比雪夫多项式模型的约束优化F层参数的垂测电离图反演方法，即得到谷层参数后，选取F层较高区域回波描迹数据，在保证剖面连续光滑的约束条件下，计算F层剖面多项式系数，最终确定电离层剖面，可以有效提高反演精度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电离层研究及应用领域，尤其涉及一种利用垂测电离图反演电离层参 数的方法。
技术介绍
利用垂测电离图反演电离层剖面（电离层高度与等离子体频率或电子浓度的对 应关系）一直受到人们的广泛重视，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，该方法直接利用实测虚高计算对应频率的真实反射高度（简称真高），主要有分 片法、单一多项式法、重叠多项式法等，这些方法中有的是通过建立真高和虚高的联立方程 组，直接根据实测虚高求解出真高，如分片法和单一多项式法，有的是从较低的频率到较高 的频率，通过计算逐步确定各个频率对应的真高，如分片法和重叠多项式法；②模式法，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。其中，相较于前两种方法，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，黄雪钦等公开了一种基于移位切比雪夫多项式模型反演电离层 剖面的方法，该方法中，将F层建模为移位切比雪夫多项式，求解满足计算虚高与实测虚高 在最小二乘意义上最佳吻合的多项式系数，从而确定电离层剖面。该方法的不足之处是，直 接利用选取的用于反演谷层参数的数据一并确定谷层参数和F层剖面多项式系数，这样使 得基于反演结果合成的垂测电离图与实测电离图F层较高区域回波描迹偏差较大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种利用垂测电离图反演电离层参数的方 法。 本专利技术采用如下技术方案： ，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤： 步骤1 :建立电离层剖面数学模型，所述的模型为包含E层、谷层和F层的三层模 型，其中，E层和谷层剖面用抛物模型表示，F层剖面用移位切比雪夫多项式模型表示； 步骤2 :各层反射回波虚高的计算，基于建立的电离层模型，推导E层、F层回波虚 高的计算公式； 步骤3 :利用实测电离图数据，结合E层、F层回波虚高计算结果，进行E层、谷层、 F层电离层参数的反演。 进一步的，所述步骤1具体包括： 步骤11 :电离层电子浓度剖面具体形式如下式所示： 式中各符号的具体含义如下： E层：fNE表示E层等离子体频率；f 表示E层临频；h mE表示E层峰高；y mE表示E 层半厚；hbE= hmE-ymE表不E层底尚；谷层：f NV表不谷层等尚子体频率；f ev表不谷层最小等 尚子体频率；hmV表不谷层等尚子体频率为fev时对应的电尚层尚度；y mV表不谷层半厚；h2 = hd+W，W定义为谷层宽度；F层4(g)为移位切比雪夫多项式，具有下式所示形式： fNF表示F层等离子体频率；f CF表示F层临频;A i (i = 0~1+1)为移位切比雪夫 多项式系数，且：七4=七·^為· h"F表示F层峰高，且：h"F= ΑΙ+1， :， E层和谷层的连接点位于E层峰高h"E，谷层与F层的连接点位于高度匕处，并且 在高度匕处的等离子体频率等于E层临频f εΕ，谷层包括两个部分：与E层的连接部分和与 F层的连接部分，这两部分的连接点位于高度Ii1处； 步骤12 :为了保证整个剖面连续光滑，则在层与层的连接点处，基于连接点以上 及以下电离层模型分别计算的等离子体频率的平方值以及剖面梯度应该相等，根据这一条 件，限定相关参数之间的内在关系。 进一步的，所述步骤（2)具体包括： 步骤21 :对于频率小于等于fffi的电波将在E层反射，进行E层回波虚高计算公式 的推导； 步骤22 :对于频率大于feE、小于等于feF的电波将在F层反射，进行F层回波虚高 计算公式的推导，主要包括在E层传播的群距离Ah' E(f)、在谷层中与E层连接部分传播 的群距离Ah' ;(f)、在谷层中与F层连接部分传播的群距离Ah' v(f)和在F层传播的 群距离Ah' F(f)的计算公式。 进一步的，所述步骤（3)具体包括： 步骤31 :选取实测E层描迹数据，采用区域搜索的方法实现E层feE、Iibie或h bE、yniE 三个参数的反演； 步骤32 :选取F层描迹中大于E层临频和F层描迹最小虚高对应的频率之间的数 据，基于搜索、迭代方法实现谷层参数的反演； 步骤33、选取F层描迹中，F层描迹最小虚高对应的频率到fCF之间的数据，利用约 束寻优法实现F层参数的反演。 本专利技术的有益效果在于： 本专利技术所公开的垂测电离图反演方法，克服了现有技术中的缺点，提出了基于移 位切比雪夫多项式模型的约束优化F层参数的垂测电离图反演方法，即得到谷层参数后， 选取F层较高区域回波描迹数据，在保证剖面连续光滑的约束条件下，计算F层剖面多项式 系数，最终确定电离层剖面，可以有效提高反演精度和稳定性。【附图说明】 图1为本专利技术所公开的垂测电离图反演方法的流程图； 图2为两层电离层反演实例。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于 限定本专利技术。 实施例1，如图1所示，本实施例公开了，包括以下步骤： (1)建立电离层剖面数学模型： 本专利技术基于模式法的思想，将电离层建模为包含E层、谷层和F层的三层模型，E层 和谷层剖面用抛物模型表示，F层剖面用移位切比雪夫多项式模型表示，电离层电子浓度剖 面具有式（1)所示形式： E层和谷层的连接点位于E层峰高h"E，谷层与F层的连接点位于高度匕处，并且 在高度匕处的等离子体频率等于E层临频f εΕ，谷层包括两个部分：与E层的连接部分和与 F层的连接部分，这两部分的连接点位于高度匕处，式（1)中各符号的具体含义如下： E 层： fNE表示E层等离子体频率；f 表示E层临频；h mE表示E层峰高；y mE表示E层半 厚；hbE= h mE_ymE表示E层底高； 谷层： fNV表不谷层等尚子体频率；f Ct表不谷层最小等尚子体频率；h mv表不谷层等尚子 体频率为心时对应的电离层高度；y 表示谷层半厚；h 2= h d+W，W定义为谷层宽度； F 层： T1 (g)为移位切比雪夫多项式，具有式⑵所示形式： fNF表示F层等离子体频率；f CF表示F层临频;A i (i = 0~1+1)为移位切比雪夫 多项式系数，且： (4) Iibif表示F层峰高，且： hnF= A 1+1 (5) 为了保证整个剖面连续光滑，则在层与层的连接点处，基于连接点以上及以下电 离层模型分别计算的等离子体频率的平方值以及剖面梯度应该相等，根据这一条件，限定 相关参数之间的内在关系，即： 在h = h2处，有： 则田式⑶侍到： 由式（9)中的上式可以得到： hnV= hnE+1/2 (10) 其中，殳ATk/t式（10)结合式⑶中的上式以及W可以进一步得到： 由式（9)中的下式可以给出Ill的计算结果为： 由以上推导可以看出，得到E层参数后，谷层只要确定B和W两个参数，则谷层剖 面就可以确定，因此，在后续谷层参数反演中，我们只需确定B和W即可。 (2)各层反射回波虚高的计算： 基于模式法的电离层参数反演方法中涉及到根据建立的电离层剖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂测电离图反演方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立电离层剖面数学模型，所述的模型为包含E层、谷层和F层的三层模型，其中，E层和谷层剖面用抛物模型表示，F层剖面用移位切比雪夫多项式模型表示；步骤2：各层反射回波虚高的计算，基于建立的电离层模型，推导E层、F层回波虚高的计算公式；步骤3：利用实测电离图数据，结合E层、F层回波虚高计算结果，进行E层、谷层、F层电离层参数的反演。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔚娜，柳文，冯静，杨龙泉，鲁转侠，师燕娥，郭文玲，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十二研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37