LOGO大大学学生科生科研研结题报告告电离层斜向返回电离图合成技术研究电离层斜向返回电离图合成技术研究 空间物理系副教授周晨空间物理系副教授周晨 2014 2014年年3 3月月科科研研 题题目目项项目目 成成员员指指导导 老老师师结结题题 时时间间汇汇 报报 内内 容容1.课题的研究意义及目的2.项目的进度阶段3.已完学习汇报4.课题的思路及取得的成果5.总结6.经费的使用情况7.自我评价8.致谢一、课题的研究目的及意义一、课题的研究目的及意义u斜向返回散射探测利用电离层对信号的折射与反射斜向返回散射探测利用电离层对信号的折射与反射, ,能能探测到大范围的地物和运动目标，能够获得由频率和群探测到大范围的地物和运动目标，能够获得由频率和群路径决定的返回散射回波能量路径决定的返回散射回波能量, ,形成斜向返回散射能量形成斜向返回散射能量图。该探测机理能为短波通信预报资料，管理雷达频率，图。该探测机理能为短波通信预报资料，管理雷达频率，监测远距离的运动目标。监测远距离的运动目标。 u斜向返回散射电离图包含了大量的电离层信息，对研究斜向返回散射电离图包含了大量的电离层信息，对研究电离层特性具有重要参考价值。然而，电离层的物理特电离层特性具有重要参考价值。然而，电离层的物理特性是千变万化的，导致由电离层探测获得的电离图具有性是千变万化的，导致由电离层探测获得的电离图具有多变性，目前还不能完全利用这些信息。返回散射电离多变性，目前还不能完全利用这些信息。返回散射电离图的模拟能解读电离层结构和电离图特性之间的关系，图的模拟能解读电离层结构和电离图特性之间的关系，为斜向返回散射电离图的反演提供了重要的参考依据。为斜向返回散射电离图的反演提供了重要的参考依据。因此，斜向返回散射电离图的模拟在高频返回散射探测因此，斜向返回散射电离图的模拟在高频返回散射探测技术的应用中扮演了很重要的角色。技术的应用中扮演了很重要的角色。2013.8-2013.102013.5-2013.72013.3-2013.52013.3-至今2013.11- 2014.2学习有关电离层及电波传播的基本知识熟知和利用IRI模型数值模拟电离层电子浓度分布图利用射线追踪技术，在特定的电离层背景下获得一些射线路径图利用和修改射线追踪技术，在一些扰动电离层模型下得到斜向返回探测图书写科研总结及结题报告二二、项项目目的的进进度度阶阶段段三、已完三、已完学学习汇报查阅相关中外文查阅相关中外文献资料约献资料约1515篇，篇，了解了国内外的了解了国内外的研究现状，重点研究现状，重点中国电波传播研中国电波传播研究所电子科学研究所电子科学研究院李雪的关于究院李雪的关于返回散射电离图返回散射电离图内容的相关文章。内容的相关文章。深入学习了深入学习了FORTRANFORTRAN语言、语言、MATLABMATLAB程序。程序。完成了一篇学完成了一篇学术论文（扰动电术论文（扰动电离层斜向返回电离层斜向返回电离图合成研究）离图合成研究）四、课题的思路及取得的成果四、课题的思路及取得的成果研究电离层斜向 返回探测，首先需要了解 影响斜向返回探测的因素。影响斜向返回探测因素：电子浓度，电子、离子的碰撞，地磁场的影响，电子、离子的温度等。本课题主要研究电子浓度对斜向返回探测的影响。我们通过我们通过IRIIRI模型，获得了模型，获得了一些不同一些不同扰动电离层扰动电离层模型的电子浓模型的电子浓度分布图。度分布图。图 赤道附近电子浓度分布图 图 加热模型电子浓度分布图纬度稠团模型电子浓度分布图 纬度空洞模型电子浓 度分布图 其次我们需要了解课题研究的理论基础，这其中就包括斜向返回探测原理斜向返回探测原理及射线方程射线方程。斜向返回探测原理斜向返回探测原理斜向返回探测可以将一定角度的电磁波信号发射到电离层，然后信号在电离层中经过一系列的反射和折射，传播到距离发射点很远的地面。由于地面不是理想的反射镜面，具有起伏不平、电气特性不均匀等特性，对电波有较强的散射作用,使得电波朝各个方向散射。而部分散射能量将沿着原来的路径，经过电离层的折射与反射，最终返回到发射机。电离层斜向返回散射探测示意图电离层斜向返回散射探测示意图射线方程射线方程通过费马原理和麦克斯韦方程，导出射线通过费马原理和麦克斯韦方程，导出射线方程的方程的8 8个分量，采用个分量，采用Runge-KuttaRunge-Kutta解法对方解法对方程进行编程和求解。并通过输入不同模型电程进行编程和求解。并通过输入不同模型电子浓度分布获得一些射线路径图子浓度分布获得一些射线路径图 纬度上射线路径图纬度上射线路径图 经度上射线路经图经度上射线路经图 最后进行返回散射电离图的仿真。1 1、球形对称准抛物线电离层模型的返回散射仿真、球形对称准抛物线电离层模型的返回散射仿真准抛物单F2层模型：模型的三个参数： 临界频率fo（MHz）=10.4MHz，半厚ym(km)=50km,峰高hm(km)=260kmF2层返回散射电离图E-F2层模型：fOE=3MHZymE=30kmhmE=110kmfOF2=8MHZymf2=110kmhmf2=270kmE-F2返回散射电离图2 2、 不同时间电子浓度对返回散射电离图仿真的影响不同时间电子浓度对返回散射电离图仿真的影响采用IRI模型得到的电子浓度参数，假设整个区域内电离层为水平均匀分层，由IRI模型得到白天12点电子浓度参数。12点电子浓度分布面12点返回散射电离图其他条件保持不变，由IRI模型得到晚上00点电子浓度参数。00点电子浓度分布图00点返回散射电离图3 3 、其它扰动电离层模型对返回散射电离图仿真的影响、其它扰动电离层模型对返回散射电离图仿真的影响加热模型的电子浓度分布图 加热模型的返回散射电离图纬度空洞模型的返回 散射电离图纬度空洞模型的电子浓度分布图纬度稠团模型的 返回散射电离纬度稠团模型的电子浓度分布图在短波波段，由于频率较高（电波波频大于电离层高度上磁旋频率），故在考虑波的折、反射时，可以不考虑磁场的影响，电离层可视为各向同性介质。另外碰撞只造成能量的吸收，故计算波的折、反射也无须考虑碰撞效应。因此本文首先在忽略磁场和碰撞的条件下，给出了射线追踪方程，并基于Runge-Kutta方法，对方程进行了求解。其次预测不同电离层扰动模型下的返回散射电离图，得到的数据与实测数据进行对比，二者吻合很好。本文的模型能处理不同电离层扰动模型且算法效率高。五、总结五、总结材料费材料费六、经费的使用情况六、经费的使用情况图图书资料书资料费费复复印打印印打印费费出版费出版费200200元元 200200元元 100100元元 400400元元1.1.我们通过一段时间的学习了解了一些有关电离层我们通过一段时间的学习了解了一些有关电离层及电波传播的基本知识，及电波传播的基本知识， 并通过对并通过对IRIIRI模型的学习模型的学习和利用，数值模拟出了一些不同模型的电子浓度分和利用，数值模拟出了一些不同模型的电子浓度分布图以及一些射线路经图和斜返电离图。布图以及一些射线路经图和斜返电离图。七、小组自我评价七、小组自我评价2.2.我们在忽略磁场和碰撞的条件下，给出了射线追我们在忽略磁场和碰撞的条件下，给出了射线追踪方程，预测了不同电离层扰动模型下的返回散射踪方程，预测了不同电离层扰动模型下的返回散射电离图。并将得到的数据与实测数据进行对比，二电离图。并将得到的数据与实测数据进行对比，二者吻合的很好者吻合的很好3.3.我们已经将上述成果转为论文发表在我们已经将上述成果转为论文发表在电波科学电波科学学报学报增刊，并被第十二届全国电波传播学术讨论增刊，并被第十二届全国电波传播学术讨论年会录用。年会录用。4.4.总体来说，我们小组的各位成员在本次大学生科总体来说，我们小组的各位成员在本次大学生科研项目中都有了各个方面的长进，对电离层的了解研项目中都有了各个方面的长进，对电离层的了解逐步深入，对空间物理的兴趣也由此逐渐加深。基逐步深入，对空间物理的兴趣也由此逐渐加深。基本符合我们在立项初期对结果的预期。本符合我们在立项初期对结果的预期。5.5.但由于时间不足，我们在一些方面还做的不够完但由于时间不足，我们在一些方面还做的不够完 善，包括界面欠缺优化、对电离层的认识还缺乏深善，包括界面欠缺优化、对电离层的认识还缺乏深度的了解。在结题后我们会将课题继续进行下去，度的了解。在结题后我们会将课题继续进行下去，以便取得更深层次的认识和理解。以便取得更深层次的认识和理解。在本次大学生业余科研完成过程中，感谢学校给予的校级科研项目层面上的支持，给了我们学习科研技能、了解最新科学动向的机会。在此期间，周晨导师在研究方向、具体课题提出、研究方法、团队合作模式以及预期目标等方面寄予了我们耐心的指导，提出了很多宝贵的意见与建议。老师以其渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这项业余科研是在老师的精心指导和大力支持下才完成的 谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本业余科研项目进行审核的各位老师表示衷心的感谢。八、致谢八、致谢LOGO谢谢！谢谢！