本发明专利技术属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法，旨在解决现有的电离层矢量速度、风场提取方法仅适用于高纬度地区且无法得到高高度的风场的问题。本方法包括：得到待提取矢量速度、风场的低纬地区的电离层基本参量；基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；根据地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；计算扩散速度；计算南北向的风场。本发明专利技术实现了低纬度地区的电离层矢量速度、风场的提取，可以获取全高度南北向的风场。场。场。
【技术实现步骤摘要】
基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法
[0001]本专利技术属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法、系统及电子设备。
技术介绍
[0002]电离层是地球上空五、六十公里到一、两千公里高度范围的部分电离等离子体区域，是日地空间环境中与人类活动最为密切的关键层次，对无线电通讯、卫星导航和定位、载人航天等具有重要影响。在所有的电离层探测手段中，非相干散射雷达（ISR，Incoherent Scatter Radar）是迄今为止最为强大的探测手段，其具有探测功能强、参量多（多种场和粒子成分）、精度高、分辨率好、高度范围覆盖大等众多优点。1958年Gordon提出可以用大功率的雷达探测到电离层中电子微弱的汤姆森散射信号。Bowles (1958)通过非相干散射探测实验测得了散射回波，之后很多的研究学者证明非相干散射雷达使用电子热波动的散射信号可以测量电离层的参数，例如电子密度、离子成分、电子温度、离子温度、漂移速度等 (参见参考文献：（1）Dougherty, J.P., and D. T. Farley (1960),
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A theory of incoherent scattering of radio waves by a plasma,”Proc. Royal Soc. Lond, vol.259, pp.79
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99, Feb 1960. DOI:10.1098/rspa.1960.0212;（2） Fejer, J. A.,
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Radio
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wave scattering by an ionized gas in thermal equilibrium,”Journal of Geophysical Research, vol. 65, no. 9, pp. 2635
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2636, Sep 1960. DOI: 10.1029/jz065i009p02635;（3）Salpeter E. E.,
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ElectronDensity Fluctuations in a Plasma,
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Phys Rev,vol.120, no.5, pp.1528
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1535. Dec 1960. DOI: 10.1103/PhysRev.120.1528;（4） Rosenbluth M N, Rostoker N,
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Scattering of Electromagnetic Waves by a NonequilibriumPlasma,”Physics of Fluids, vol.5, no.7, pp.776
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788, Jul 1962, DOI: 10.1063/1.1724446;（5）Hagfors, T.,
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Density fluctuations in a plasma in a magnetic field, with applications to the ionosphere,”Journal of Geophysical Research, vol.66, no.6, Jun1961.DOI: 10.1029/JZ066i006p01699.)。
[0003]随着雷达技术的发展，相控阵天线以其大范围快速扫描，精细扫描，灵活可控以及长时间连续观测等优点进入人们的视野，非相干散射雷达开始使用相控阵天线来代替传统的抛物面天线，21世纪，美国提出了新式的模块化的有源相控阵雷达项目(AMISR，Advanced Modular Incoherent Scatter Radar)，通过电扫描控制雷达波束从而可以在微秒量级内快速切换波束方向，大大改善了传统抛物面雷达机械转动改变波束方向导致产生时间模糊的问题(参见参考文献：Valentic T., Buonocore J., Cousins M., Heinselman C.,Jorgensen J.&Kelly J. et al,
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AMISR the advanced modular incoherent scatter radar,
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IEEEInternational Symposium on Phased Array Systems&Technology, Waltham, MA, USA, pp. 659
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663, 2013, DOI: 10.1109/ARRAY.2013.6731908)。建成后，阵面放置在阿拉斯加Fairbanks附近的Poker观测研究场地进行试验运行，其他阵面安装在
加拿大的Resolute湾，其地理位置均位于高纬地区。
[0004]中科院地质与地球物理研究所在电离层低纬地区三亚研制和建成了大功率相控阵非相干散射雷达，技术上具有持续观测、全空域覆盖、局部空间快速扫描等新的优势。该非相干散射雷达探测三亚周围两千公里范围的电离层，覆盖我国南海、东南沿海及南方地区，将是东亚地区和低磁纬地区的首台先进相控阵体制的非相干散射雷达(参见参考文献：（1）Yue, X.; Wan, W.; Xiao, H.; et al. Preliminary experimental results by the prototype of SanyaIncoherent Scatter Radar. Earth Planet. Phys. 2020, 4, 579
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587, doi: 10.26464/epp2020063；（2）Yue, X.; Wan, W.; Ning, B.; Jin, L. An active phasedarray radar in China. Nat. Astron. 2022, 6, 619, doi: 10.1038/s41550
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022
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01684
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1;（3） Yue, X., Wan, W., Ning, B., Jin, L., Ding, F., Zhao, B., et al. (2022). Development of theSanya incoherent scatter radar and preliminary results. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127, e2022JA030451. https://doi.org/10.1029/2022JA0.)。
[0005]在使用非相干散射雷达进行电离层观测时，可以通过观测得到的功率谱和理论谱进行拟合，进而得到电子密度、电子温度、离子温度和离子视线速度，由于雷达采用相控阵体制，可以在毫秒时间内实现波束的快速转换，在这样的前提下，可以假定电离层参量在本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法，其特征在于，该方法包括：通过非相干散射雷达ISR探测得到待提取矢量速度、风场的低纬地区的电离层基本参量；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和视线速度；基于地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；根据地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，结合所述视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的矢量速度；通过中性模型计算电离层的离子碰撞频率，并结合所述电子密度、电子温度、离子温度，计算得到扩散速度；基于所述扩散速度，结合所述全高度三个方向的矢量速度，计算得到南北向中性风，即南北向的风场。2.根据权利要求1所述的基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法，其特征在于，所述地理坐标系下视线速度与矢量速度的关系为：；；其中，表示视线速度，表示第个视线方向，即表示第个视线方向的视线速度，、、表示三个方向的矢量速度，三个方向分别为东向、北向、天顶方向，、、分别表示三个方向的矢量速度对应的权重，、、表示第个视线方向的三个方向的矢量速度对应的权重，表示视线速度对应的误差，表示第个视线方向的视线速度对应的误差。3.根据权利要求2所述的基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法，其特征在于，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系，其方法为：；；；其中，、、分别表示垂直磁场向东，垂直磁场向北和平行磁力线方向的分量，
表示将参量从地理坐标系下转到地磁坐标系下的转换因子，表示磁倾角，表示磁偏角，表示地磁坐标系下的矢量。4.根据权利要求3所述的基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风场的方法，其特征在于，所述全高度三个方向的矢量速度，其计算方法为：；；其中，表示系数矩阵，表示矩阵的转置，表示矩阵的转置，表示矩阵的转置，，表示全高度三个方向的矢量速度，表示矢量速度先验误差矩阵，表示视线速度误差矩阵。5.根据权利要求3所述的基于ISR提取低纬地区电离层矢量速度、风...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，乐新安，宁百齐，丁锋，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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