什么是电离层无线电探测?

什么是电离层无线电探测?

[拼音]：dianliceng wuxiandian tance

[外文]：radio sounding of the ionosphere

利用电子学装置和无线电波传播效应观测研究地球高空电离层。英国E.V.阿普顿和M.A.F.巴尼特以及美国G.布赖特和M.A.图夫分别用连续波和脉冲波的实验方法证实了电离层的存在，开创了用无线电方法探测电离层的技术。他们所使用的探测方法一直沿用至今。40年代后期和50年代，人们开始使用火箭、卫星等空间飞行器对电离层进行无线电探测和直接探测。电离层的变化主要受太阳辐射的影响，在时间上分为11年的周期变化、季节变化、逐日变化和昼夜变化；在空间上随高度、纬度和经度而变化。但是，太阳辐射本身的变化并不完全是规则的，此外还有多种因素会影响电离层的状态，因此，电离层这一重要的传播介质具有十分复杂的特性结构和时、空变化，需要在全球范围内对它进行长期监视和探测。可以采用多种无线电工作方式和传播原理，从不同空间角度来探测电离层的各部位及其基本参数。探测部位分为电离层顶部（即上电离层）和底部（以 F层峰值高度为分界线），其中底部又分为F层下部和E层所在的电离层主体部分、E层底部和D层所在的低电离层。主要探测参数是电波反射高度、电子总含量、电子密度、电子温度、高空大气成分、离子密度、离子温度、电子同其他粒子间的碰撞频率等。

地面无线电探测方法

地面无线电探测方法包括电离层垂直探测、电离层斜向探测、电离层斜向返回探测、非相干散射探测和低电离层探测等。

电离层垂直探测

是最基本的探测方法。

电离层斜向探测

将垂直探测方法中的发射和接收设备分别置于地面上相隔一定距离的两处，用某种方法实现收、发同步，然后测量电离层反射回波时延随频率的变化，得出斜向探测电离图。

电离层斜向返回探测

由地面设备发射短波脉冲斜向射入电离层，经反射后回到地面，部分地面散射波沿原来路径返回发射点。测定脉冲往返一次的传播时延，从而获得大面积范围内频率－时延特征和电离层短波传播参数（见高频返回散射）。

非相干散射探测

一种电离层纵深探测手段，可获得70～1000或2000公里高度内的电子和离子的密度和温度以及电离层漂移等数据。

低电离层探测

低电离层是较难探测的一个空域。由于中、短波在低电离层中的吸收太大，所以很难获得这一空域的普通回波电离图。主要的探测手段有交叉调制法、部分反射法和长波传播法等。

（1）交叉调制法：这种方法是利用电离层的非线性效应，用某一频率的无线电波对电离层进行加热调变，使电子温度上升，造成碰撞频率和吸收的改变，使在同一电离层空域中传播的另一频率的无线电波受到交叉调制，对其进行观测分析即可获得低电离层参数（见电离层调变）。

（2）部分反射法：观测中波和短波强力脉冲在低电离层不均匀体上微弱的部分反射，分析回波的寻常分量与非常分量的振幅比，求得低电离层基本数据。

（3）长波传播法：使用长波、超长波甚至极长波研究100公里以下的电离层，分析频率高度稳定的多频或单频电波在不同路径斜向传播时的电波相位延迟、振幅分布，以及寻常波与非常波的关系，从而获得低电离层特性。

此外，还有流星余迹法(见流星余迹电波散射)、天电哨声法（见哨声）、激光雷达法等其他探测方法。

地面无线电探测主要的测量项目有回波时延、电离层吸收和电离层漂移。

（1）回波时延测量：射频脉冲在电离层中的传播速度与电子密度有关，一般小于真空中的光速。因此，垂直探测、斜向探测和斜向返回探测所获得的电离图，并不直接反映电离层反射层的真实高度。以垂直探测为例，测量出脉冲从地面到反射层再返回地面的时延墹t，因脉冲传播速度与真空中的光速c相等，可得

式中h′称为虚高度，通常以此作为探测记录。显然，反射层的虚高度与真实高度并不相等。频高图的一项重要的数据处理内容，就是进行从虚高度推出真实高度的换算。

（2）电离层吸收测量：测量短波脉冲经电离层反射后的回波振幅衰减的专用设备称为吸收仪。电波在反射层经受偏区吸收，往返通过反射层之下的电离区域时又经受非偏区吸收。这两种吸收造成回波振幅衰减，因而由反射系数ρ可以推算出吸收指数K，其关系式为

式中ds为路径元。在实际测量中，ρ可通过一次回波振幅与发射常数的关系求得，更常用的是从比较一次与二次回波振幅而求得。用分贝表示的电离层吸收为

L＝20lg(2I2/I1)＋20lgρg

式中I1和I2分别为电离层一次和二次回波的振幅;ρg为地面视反射系数。测量电离层吸收的其他方法还有：使用电离层相对混浊度仪测量 30～100兆赫宇宙射电噪声在电离层中的吸收；比对广播电台发射的载波振幅变化；由电离图中f


的变化确定电离层吸收；使用地面台站测定接近磁旋频率时回波寻常波与非常波之间的差分吸收；使用空间飞行器进行高频、超高频差分吸收测定等。吸收和场强的数据对短波远距离通信和电离层动力学碰撞过程的研究甚为重要。

（3）电离层漂移测量：漂移测量有助于研究电离层精细结构和运动。垂直发射2～10兆赫短波脉冲，并在三副间距约为一个波长的接收天线上检出回波振幅，以测定电离层水平漂移的速度和方向，确定电离层的随机运动和不均匀性。电离层漂移会引起电波的多普勒频移，因此，用测量回波的多普勒频移的方法也可以测出电离层漂移。

火箭和卫星探测方法

利用火箭或卫星装载专用仪器，单独或与地面配合进行电离层探测。这种方法的主要优点是可以进行现场测量，对电离层顶部进行探测，也可以在更广泛的空间范围内探测电离层。

电离层顶部探测

将小型化测高仪装载在卫星上，向下探测卫星高度至电离层最大电子密度高度之间的顶部电离层电离图。除了反射回波的时延信息外，还可以观测到一系列电离层谐振现象。这是探测顶部电离层的一种非常有效的手段。

法拉第旋转观测

利用这种方法接收火箭、低轨卫星特别是同步卫星所发出的高频、超高频和微波信标的线性极化信号，并测出发射电波到达接收点时极化面的法拉第旋转量Ω，通过下列方程

求得电离层 2000公里高度以下电子总含量(TEC)即积分电子密度


。式中K为常数；f为信标频率；N为电子密度；h为高度；θ为地磁场方向与射线方向之间的夹角；χ为射线天顶角，


为高空定点定向年平均磁场因子。此外还可以通过对月球雷达回波的法拉第效应记录求出电离层电子总含量。这时因电波往返跨越电离层两次，实际法拉第旋转量应是记录所得的一半。

多普勒频移观测

多普勒频移由波源(或次级波源)对观察点的相对运动而引起，对它进行分析即可获得电子总含量和电离漂移等信息。空间飞行器发射两个高频相干电磁波f1和f2＝mf2(式中整数m 通常为5～9)。当f1大于电离层等离子体频率时，求出地面接收到的微分多普勒差拍墹f，对其积分即可求得飞行器高度以下的电子总含量。

参考书目

A.Giraud and M.Petit，Ionospheric Techniques and Phenomena，D. Reidel Pub.Co.，Dordrecht，1978.