利用等离子体线级联结构反演强扰动电离层参量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于异常非相干散射等离子体线功率谱的级联结构反演 强扰动电离层参量的方法，采用异常非相干散射等离子体线功率谱的级联结 构和参量衰变不稳定性理论反演强扰动电离层参量的方法，该方法能够很大 程度提高反演精度，是获取强扰动电离层参量的一种新方法。

背景技术

扰动电离层区域状态的探测是电离层加热异常特征实验和理论研究的重 要部分之一。非相干散射雷达是电离层地面探测最为强大的手段之一。目前 基于非相干散射雷达数据反演电离层参量使用的是平衡态非相干散射理论， 但该方法并不能够很好地分析加热扰动电离层参量，尤其对于加热效应明显 的强扰动区域。为了分析加热强扰动条件下的电离层状态建立了一些包括人 工场向不规则体的非相干散射模型和碰撞等离子体非相干散射模型等理论， 但在剧烈扰动区域，非相干散射功率谱的增强幅度多达数个量级的情况下， 这些修正的非相干散射理论使用也会受限，使强扰动区域电离层参量的反演 遇到巨大困难。

发明内容

本发明提供一种利用等离子体线级联结构反演强扰动电离层参量的方 法，提取强扰动区域相应电离层高度的功率谱级联结构中相邻谱线频差，分 析频差具有的规律性，根据参量不稳定性理论中低频振荡波特性获得电子温 度和电子密度等参量。解决现有技术存在的在剧烈扰动区域，非相干散射功 率谱的增强幅度多达数个量级的情况下，修正的非相干散射理论使用会受限， 使强扰动区域电离层参量的反演遇到巨大困难得问题。

本发明采用的技术方案是：一种利用等离子体线级联结构反演强扰动电 离层参量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由非相干散射雷达观测数据，提取电离层加热实验引起的强扰动区 域具有级联结构的异常非相干散射等离子体线功率谱；

(2)对具有级联结构的异常非相干散射等离子体线功率谱中的相关峰值 频差进行统计；

(3)确定电离层加热过程中出现的低频波频率，具体包括离子的等离子 体频率f_pi，离子的磁旋频率f_ci和离子声波频率f_IA；

(4)将步骤(2)中统计的频差与步骤(3)中计算得到的低频波频率进 行对比，确定该级联结构是由电离层加热中参量衰变不稳定中哪种低频波产 生的；

(5)根据步骤(4)的结果，如果该级联结构频差与离子的等离子体频 率一致，则根据f_pi的计算公式可以获得电子密度；如果该级联结构的频差与 离子声波频率f_IA相等，则由离子声波的色散方程可以获得电子密度和电子温 度。

本发明的优点是：该方法能够很大程度提高反演精度，是获取强扰动电 离层参量的一种新方法。

具体实施方式

本发明一种基于非相干散射等离子体线功率谱的级联结构反演强扰动电 离层参量的方法，包括以下步骤：

1)由非相干散射雷达观测数据，提取电离层加热实验引起的强扰动区域具有 级联结构的异常非相干散射等离子体线功率谱。具体的实施方法是：

根据参量衰变不稳定性激发需要的电场阈值判断本次实验是否发生了参 量衰变不稳定性。电场阈值计算公式为：

$E_{PDI}^2=4\frac{n_e{k}_b{T}_i{\upsilon }_e}{{\omega }_{pe}{ϵ}_0{B}_{\max }}$

其中υ_e是电子碰撞频率，k_b是玻尔兹曼常熟，n_e是电子密度，B_max为与电子温 度和离子温度比值相关的系数，ε₀为真空中的介电常数，ω_pe是电子等离子体 频率，T_i是离子温度。

通过上述判断，确定具有级联结构的异常非相干散射等离子体线功率谱 是由参量衰变不稳定性引起的。具体的判断方法是：

将相关参数的值代入阈值公式计算获得E_PDI，根据(ERP 是有效辐射功率，z是电离层高度)计算加热电波在反射高度处的电场强度， 讲两者对比，如果E(z)≥|E_PDI|,则说明参量衰变不稳定性被激发，也就是说该 级联结构是由参量衰变不稳定性引起的。

2)对具有级联结构的异常非相干散射等离子体线功率谱中的相关峰值频差进 行统计。具体的实施方法是：

电离层加热引起的异常非相干散射等离子体线功率谱的级联结构会同时 具有多个峰值。首先记录谱线中多个峰值对应的频率，计算第二个峰值对应 频率与第一个峰值对应频率的差，第三个峰值对应频率与第二个峰值对应频 率的差，直到第n个峰值对应频率与第n-1个峰值对应频率的差值。然后将 统计的相邻峰值频差列表比较，通常这组数据是近似相等的。

3)确定电离层加热过程中出现的低频波频率，具体包括离子的等离子体频率 f_pi，离子的磁旋频率f_ci和离子声波频率f_IA。

具体的实施方法是：根据本次实验中加热参数和电离层参数，求解电离 层加热过程中可能出现的低频波的频率。三种低频频率的计算方法为：

离子的等离子体频率f_pi和离子的磁旋频率f_ci分别利用下面两式求解：

$f_{pi}=\sqrt{n_i{e}^2/{ϵ}_0{m}_i}/2\pi$

f_ci＝＝-eB/2πm_i

离子声波频率f_IA＝ω_IA/2π由色散方程求 得。

其中，n_i为离子数密度，m_i为离子质量，e₀为真空中的介电常数，e是单 个电子的电荷数，B是磁感应强度，c_IA为离子声速，角θ为波传播方向与地磁 场的夹角，k_IA是波数，ω_IA是离子声波角频率，ω_ci是离子的磁旋角频率。

4)将步骤2)中统计的频差与步骤3)中计算得到的低频波频率进行对比，确定 该级联结构是由电离层加热中参量衰变不稳定中哪种低频波产生的。

具体的实施方法是：通常离子的等离子体频率为几十Hz，离子声波频率 典型值在几kHz，离子磁旋频率典型值在几十Hz，将步骤2)中统计的相邻峰 值之间的频差与步骤3)中计算得到的三种低频波频率值对比，确定该频差的 量级与哪种低频波频率对应，则认为该级联结构是由相应的低频振荡波产生。

5)根据步骤4)的分析，如果该级联结构频差与离子的等离子体频率一致，则 根据f_pi的计算公式可以获得电子密度；如果该级联结构的频差与离子声波频 率f_IA相等，则由离子声波的色散方程可以获得电子密度和电子温度。

补充：由离子等离子体频率f_pi(步骤3中已补充公式)获得电子密度n_e的 公式为：

$n_e=n_i=\frac{{\left(2{\mathrm{\pi f}}_{pi}\right)}^2{ϵ}_0{m}_i}{e^2}$

由离子声波频率的色散方程获得电子温度T_e的近似公式为：

$T_e=\frac{m_i{c}^2{\omega }_{IA}^2}{2({\gamma }_e+{\gamma }_i/3)4{\omega }_{ce}{\omega }_0}\frac{{\omega }_{ci}^2-{\omega }_0^2}{{\omega }_{ci}^2{\cos }^2\theta -{\omega }_0^2}\frac{{\omega }_0+{\omega }_{ce}cos\theta }{{\omega }_{0}cos\theta +{\omega }_{ce}}$

γ_e和γ_i为系数，可以近似取γ_e＝1,γ_i＝3，c是光速。

参量衰变不稳定性发生的物理过程中，需要满足的匹配条件为：

${\omega }_1^2={\omega }_{pe}^2(1+3k_1^2{\lambda }_D^2)$

${\omega }_2^2={\mathrm{bk}}_2{v}_i$

其中，ω₁＝ω₀-ω₂，ω₀是加热泵波的角频率，ω₂是加热电离层中本身存在 一个平行于地磁场方向的低频电子密度扰动的角频率，k₁是ω₁对应的波数，k₂是ω₂对应的波数。b为与电子温度和离子温度相关的系数，v_i为离子的动力学 温度。λ_D是德拜长度。等离子体中电子的德拜长度可表示为：

${\lambda }_{De}=\sqrt{\frac{{ϵ}_0{T}_e}{n_e{e}^2}}$

类似的离子的德拜长度可以表示为：

${\lambda }_{Di}=\sqrt{\frac{{ϵ}_0{T}_i}{n_i{q_i}^2}}$

ω_pe是电子等离子体频率，具体表示为：

${\omega }_{pe}=\sqrt{\frac{n_e{e}^2}{{ϵ}_o{m}_e}}$

将获得的电子温度T_e代入参量衰变不稳定性发生的匹配条件，计算得到电子等 离子体频率ω_pe。

利用电子密度n_e与电子等离子体频率ω_pe之间的关系，即：

$n_e=\frac{{\omega }_{pe}^2{ϵ}_o{m}_e}{e^2}$

可以求得电子密度。