CN118011357B - 基于非相干散射雷达提取低纬电离层e区风场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，旨在解决现有基于非相干散射雷达的电离层E区风场提取方法仅适用于高纬度地区，无法对低纬度地区电离层E区的风场进行有效提取的问题。本方法包括：得到电离层的基本参量；获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系；得到全高度三个方向的矢量速度；基于反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；计算碰撞频率，进而得到离子回旋频率与碰撞频率的比值；结合离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。本发明实现了低纬度地区电离层90‑150km中性风场的准确探测。
Description
技术领域
本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法、***和装置。
背景技术
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（可参考文献：Bowles, K.L,“Observation of Vertical-Incidence Scatter from theIonosphereat 41 Mc/sec,” Physical Review Letters, vol.1, no.12, pp.454–455, Dec 1958.），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(可参考文献：Dougherty,J. P., and D. T. Farley (1960), “A theory of incoherent scattering of radiowaves by aplasma,” Proc. Royal Soc. Lond, vol.259, pp.79–99, Feb 1960. DOI:10.1098/rspa.1960.0212； Fejer, J. A., “Radio-wave scattering by an ionizedgas in thermal equilibrium”Journal of Geophysical Research, vol. 65, no. 9,pp. 2635–2636, Sep 1960. DOI: 10.1029/jz065i009p02635;SalpeterE.E.,“ElectronDensity Fluctuations in a Plasma,” Phys Rev, vol.120, no.5, pp.1528-1535.Dec1960. DOI: 10.1103/PhysRev.120.1528; Rosenbluth M N, Rostoker N, “Scatteringof Electromagnetic Waves by a Nonequilibrium Plasma,” Physics ofFluids,vol.5,no.7,pp.776-788,Jul 1962, DOI: 10.1063/1.1724446; Hagfors, T., “Densityfluctuations in a plasma in a magnetic field, with applications to theionosphere”Journal of Geophysical Research,vol.66,no.6,Jun 1961.DOI: 10.1029/JZ066i006p01699)。上世纪60 至 90 年代，美国、欧洲和日本等相继建成10多套非相干散射雷达。其 中 美 国 观 测 链 由 南 至 北 分 布 由 Jicamarca、Arecibo、 MillstoneHill 和Sondrestrøm 4 部雷达构成。欧洲则建立了著名的非相干散射雷达群-EISCAT。EISCAT 由三部非相干散射雷达组成，即UHF雷达（931MHz）、VHF雷达（224MHz）和Svalbard雷站（500MHz）。
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)，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(可参考文献：Valentic T., BuonocoreJ., Cousins M., Heinselman C., Jorgensen J.&Kelly J. et al, “AMISR theadvanced modular incoherent scatter radar, ” IEEEInternational Symposium onPhased Array Systems&Technology, Waltham, MA, USA, pp. 659-663, 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(可参考文献：Heinselman, C. J., and M. J. Nicolls (2008), ABayesianapproach to electric field and E-region neutral wind estimation withthe Poker Flat Advanced Modular Incoherent Scatter Radar, Radio Sci., 43,RS5013,doi:10.1029/2007RS003805; Semeter, J., T. W. Butler, M. Zettergren, C.J. Heinselman, and M. J. Nicolls (2010), Composite imaging of auroral formsandconvective flows during a substorm cycle, J. Geophys. Res., 115, A08308,doi:10.1029/2009JA014931)。
中国科学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，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(可参考文献：Yue, X.; Wan, W.; Xiao, H.; et al. Preliminary experimental results by theprototype of Sanya Incoherent Scatter Radar. EarthPlanet. Phys. 2020, 4, 579-587, doi: 10.26464/epp2020063；Yue, X.; Wan, W.; Ning, B.; Jin, L. An activephased array radar in China. Nat. Astron. 2022, 6, 619, doi:10.1038/s41550-022-01684-1; Yue, X., Wan, W., Ning, B., Jin, L., Ding, F., Zhao, B., et al.(2022). Development of the Sanya incoherent scatter radar andpreliminaryresults. Journal of Geophysical Research:Space Physics, 127, e2022JA030451.https://doi.org/10.1029/2022JA0)。在三亚非相干散射雷达的基础上，建设了国际先进水平的基于数字相控阵技术的海南岛1发3收非相干散射探测***，由海南的三亚站发射，三亚、儋州和文昌接收，是世界上首套低纬电离层相控阵多站非相干雷达探测***。该项目称为海南三站式非相干散射雷达，三亚站的阵面规模翻倍，同时建设两个接收站，分别位于海南儋州和海南文昌。相比于单站雷达，海南1发3收式的多站雷达三亚主站的探测能力进一步提升，同时能对电离层漂移速度进行矢量测量，提供多层次、多参量、高精度的电离层参数。
地球电离层等离子体处在地球磁场的包裹之中，等离子体在沿着磁场方向的运动不受地磁场控制，跟随背景中性成分运动。但在垂直于磁场方向，地磁场对电子和离子的控制表现出很大的不同。在90 km 以上的所有高度，电子与中性粒子的碰撞频率低于其磁回旋频率，因此电子不受中性粒子的运动控制；然而离子却不同，低高度上（90-150km），离子与中性粒子碰撞频繁，紧紧跟随中性粒子运动，但是在 150 km 以上的高度，大气变得稀薄，离子与中性粒子的碰撞频率低于其磁回旋频率，离子的运动倾向于受电磁控制。这样，在90 到150 km 之间的高度区域中，带电粒子以特殊方式运动，电子倾向于不受中性粒子控制，而离子随中性粒子运动。因此在90-150km区域（也就是电离层E区高度）的运动相对复杂，正是由于这个高度区域内的离子运动复杂，因此需要更精确的对其进行观测和反演研究。
目前常用的探测低高度风场的设备有流星雷达，光学仪器和卫星数据等，但是流星雷达，光学仪器探测的最高高度是110km，无法获得110-150km高度内的风场信息，ICON卫星搭载的迈克尔逊干涉仪MIGHTI可以进行100-150km范围内的风场观测，但是ICON卫星在2022年失联，不再有有效数据，而且卫星的数据通常是一天一个或者两个剖面数据，时间分辨率非常差，而且卫星数据采用临边观测，其探测通常是大范围的距离平均，不利于进行高精度的科学研究。由于100km-150km高度区域的风剪切严重，需要较高的时间分辨率和距离分辨率进行观测，因此本发明采用的非相干散射雷达是探测电离层该高度区域内风场的唯一有效地基观测手段。
目前现有的非相干散射雷达除美国的AMISR和中国的三亚非相干散射雷达外，其他均采用的是抛物面天线，由于抛物面天线需要使用机械转动来实现波束转换，因此其时间分辨率较差，相控阵天线相比于抛物面天线有极大的优势。美国的AMISR也观测了E区高度的风场，但是由于AMISR位于高纬，低纬地区和高纬地区的电离层状态不同，在高纬地区，磁力线近似垂直，在地磁坐标系下，可以假定高高度（电离层F层及以上）的离子速度只受电场的影响，因此可以得到高高度的矢量电场的全部三分量，这里假定电离层电场没有垂直高度变化，因此可以直接使用高高度的电场来表示低高度的电场。在高纬地区的低高度（电离层E层），由于离子速度受电场和风场的共同作用，根据前面得到的电场，根据动量方程，就可以唯一的得到高纬地区低高度的风场，但是在低纬地区采用这种方法会引入一定的误差使得测量的结果不准确。其次，在高纬地区，离子速度量级较大，速度量级为几百米每秒；在低纬地区，离子速度量级较小，速度量级为几十米每秒。由于低纬地区的速度量级小，在使用理论谱和观测谱进行拟合得到视线速度时，低纬得到的视线速度误差相对较大，因此后面利用视线速度使用最小二乘拟合获得矢量离子速度时误差也相对较大，提取准确的离子矢量速度、电场和风场难度相对较大。
基于此，本发明提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有基于非相干散射雷达的电离层E区风场提取方法仅适用于高纬度地区，无法对低纬度地区电离层E区的风场进行有效提取的问题，本发明第一方面，提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，该方法包括：
通过相控阵非相干散射雷达探测得到待提取E区风场的低纬地区的电离层的基本参量；所述电离层的基本参量包括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；
根据所述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；所述矢量速度包括反平行磁力线速度；
基于所述反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算碰撞频率，进而得到离子回旋频率与碰撞频率的比值；
结合所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
在一些优选的实施方式中，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场，其方法为：
其中，表示南北向中性风场，/>表示反平行磁力线速度，/>为地磁倾角。
在一些优选的实施方式中，根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算碰撞频率，其方法为：
其中，表示碰撞频率，/>表示离子温度，/>表示中性成分温度，/>表示氧原子数密度，/>表示氧分子数密度，/>表示氮分子数密度。
在一些优选的实施方式中，所述离子回旋频率与碰撞频率的比值为：，其中，e表示电子的电荷量，B是电磁场，是根据探测点的经纬高和探测时间，通过国际地磁参考场IGRF计算得到的真实地磁场，/>表示离子质量。
在一些优选的实施方式中，结合所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的E区的东西向中性风场，其方法为：
根据所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取离子在所述低纬地区的电离层的E区的空间中运动时的影响因子；
基于所述影响因子，将所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场分成两个区域：90km-120km和121km-150km，进而分别求取两个区域的东西向中性风场。
在一些优选的实施方式中，所述低纬地区的电离层的E区90km-120km的东西向中性风场，其获取方法为：
其中，下标表示东向，/>、/>表示东向的矢量速度、东向的风场。
在一些优选的实施方式中，所述低纬地区的电离层的E区121km-150km的东西向中性风场，其获取方法为：
其中，下标表示北向，下标/>表示垂向，即/>表示北向的速度，/>表示垂向的速度，/>代表磁偏角，/>表示低纬地区电离层F区高度的电场值，/>表示电场的高度，/>表示低纬地区电离层E区顶部的电场值。
本发明的第二方面，提出了一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的***，该***包括：
参量获取模块，配置为通过相控阵非相干散射雷达探测得到待提取E区风场的低纬地区的电离层的基本参量；所述电离层的基本参量包括离子温度和视线速度；
关系转换模块，配置为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；
矢量速度计算模块，配置为根据所述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；所述矢量速度包括反平行磁力线速度；
南北向风场获取模块，配置为基于所述反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
比值计算模块，配置为根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算碰撞频率，进而得到离子回旋频率与碰撞频率的比值；
东西向风场获取模块，配置为结合所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序应用由处理器加载并执行以实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
本发明的有益效果：
本发明实现了低纬度地区90-150km中性风场的准确探测。
1）本发明利用非相干散射雷达对亚洲扇区低纬电离层E区矢量中性风场进行提取，首次能够定量计算低纬电离层E区高时间分辨率和高空间分辨率的东西向和南北向风场等对于电离层探测非常重要的参量，实现了低纬地区90-150km中性风场的准确探测。
2）目前通过测高仪或者GNSS接收机仅能获得电子浓度峰值以下的剖面数据和电子浓度总含量数据，缺乏必要的动力学信息，无法研究快速变化的电离层物理过程及其演化机制。通过三亚非相干散射雷达，结合本发明的方法获得低纬电离层90km-150km的中性风场的测量，可以用于研究各种大气波动上传和电离层响应、耦合和能量传输机制，磁暴期间电离层/热层温度、密度、成分、风场、电场变化、粒子上行和磁层耦合机制等；还可利用这些参量进行基于电离层理论模式的数据同化模式开发，进行电离层的现报和预报模式开发。
附图说明
通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明一种实施例的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法的流程示意图；
图2是本发明一种实施例的地理坐标系和地磁坐标系下的矢量速度的示意图；
图3是本发明一种实施例的地理坐标系下的风场的示意图；
图4是本发明一种实施例的卫星风场数据和雷达风场数据对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，如图1所示，包括以下步骤：
通过相控阵非相干散射雷达探测得到待提取E区风场的低纬地区的电离层的基本参量；所述电离层的基本参量包括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；
根据所述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；所述矢量速度包括反平行磁力线速度；
基于所述反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算碰撞频率，进而得到离子回旋频率与碰撞频率的比值；
结合所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
为了更清晰地对本发明基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法进行说明，下面结合附图对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
现有的流星雷达等进行E区风场观测的最大高度只到110km，无法进行110-150km高度风场的科学研究；卫星的观测数据少，而且采用临边观测，数据是大范围的平均，时间和空间分辨率均较差；美国的AMISR观测E区风场的方法适用于高纬地区，因此本发明基于低纬地区的相控阵非相干散射雷达，提出了低纬地区非相干散射雷达E区风场的提取方法。对于海南三站式非相干散射雷达，其位于低纬电离层区域，低纬电离层变化在全球电离层***演化中占有十分重要而独特的地位，在电离层的E区具有很强的纬度梯度和高度梯度，其对应的离子矢量速度受电场、风场等共同控制。因此，本发明基于相控阵雷达快速扫描能力，获得的矢量速度，根据南北向风场和反平行磁力线的速度的关系，可以进一步推导得到南北向风场，并进一步通过适用于电离层E区的动量方程来得到东西向风场。具体如下：
本发明的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，如图1所示，包括以下步骤：
通过相控阵非相干散射雷达探测得到待提取E区风场的低纬地区的电离层的基本参量；所述电离层的基本参量包括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；
根据所述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；所述矢量速度包括反平行磁力线速度；
在本实施例中，获取地磁坐标系下视线速度与矢量速度的关系、全高度三个方向的矢量速度的过程为现有技术，此处不在一一陈述，可参考专利：CN202310627691.7的具体实施方式。
基于所述反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
在本实施例中，在电离层的E区，等离子体主要受中性风场和电磁力的作用，在E区的高度电离层中重力和压力梯度力引起的双极扩散非常小，因此可以假设E区的高度电离层等离子体几乎不受重力和压力梯度力的作用，因此在计算E区风场的过程中，不考虑扩散作用的影响，因此电离层E区的南北向中性风场可以表示为：
其中，表示南北向中性风场，/>表示反平行磁力线速度，/>为地磁倾角。
根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算碰撞频率，进而得到离子回旋频率与碰撞频率的比值；
NRLMSISE-00是地球从地面到太空的经验性全球参考大气模型。它模拟了大气中性成分的温度和密度，可以根据NRLMSISE-00模型计算出中性成分温度，氧原子数密度，氧分子数密度/>，氮分子数密度/>。
在本实施例中，根据低纬电离层特性，只考虑主要的中性成分，不考虑次要的中性成分，碰撞频率公式如下：
其中，表示碰撞频率，/>表示离子温度。
根据电离层物理的知识可知，中性风场通过碰撞来作用电子和离子，进而拖曳电子和离子的运动，除碰撞作用外，电子和离子在地磁场环境中还存在电子和离子各自的回旋频率，因此中性风场对电子和离子的作用依赖于电子和离子的回旋频率与碰撞频率比值。在电离层E区，电子的回旋频率远高于碰撞频率，因而在电离层高度电子不受风场的作用。但是离子的回旋频率小于碰撞频率，中性风场驱动离子在其方向运动；随着高度的增加，离子的回旋频率（即离子回旋频率）与碰撞频率比值逐渐增大，离子逐渐偏向与风和磁场相互垂直的方向运动，而且量级逐渐减小。
在电离层中分析电场和风场共同作用下的离子漂移运动时通常是通过分析离子回旋频率与碰撞频率的比值。离子回旋频率可以表示为。其中，e表示电子的电荷量，这里取/>，B是电磁场，是根据探测点的经纬高和探测时间通过国际地磁参考场 （IGRF）计算得到的真实地磁场，/>表示离子质量，因此需要根据电离层E区的离子种类进行离子质量的计算，在电离层的E区，离子主要是氧分子离子和一氧化氮离子，一般取31个原子质量，而在高高度，离子主要是氧原子离子，一般取16个原子质量，原子质量取kg。
基于碰撞频率和离子回旋频率，得到离子回旋频率与碰撞频率的比值。
结合所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
在本实施例中，离子回旋频率与碰撞频率的比值在不同高度的比值如表1所示：
表1
从表格中可以看出120km以上，回旋频率和碰撞频率的比值变得比较大，说明中性风拖曳力逐渐减小，电磁力开始起作用，离子受电磁力和中性风的共同作用；120km以下，当回旋频率和碰撞频率的比值比较小的时候，碰撞频率占主导，因此离子跟中性粒子的碰撞占主导，电磁力的作用非常小，因此离子跟着中性粒子运动，主要受中性风场的影响。因此这里可以将90-150km高度范围根据回旋频率和碰撞频率的比值进一步进行划分为两个区域，分别是90km-120km和121km-150km。
低纬地区的电离层的E区90km-120km的东西向中性风场，其获取方法为：
根据表1中回旋频率与碰撞频率的比值，在120km以下，数值较小，因此北向矢量速度，垂向矢量速度以及电磁力对东向风场的影响非常小，主要是东向矢量速度代表了东西向风场，因此，90km-120km的东西向中性风场为：
其中，下标表示东向，/>、/>表示东向的矢量速度、东向的风场。
低纬地区的电离层的E区121km-150km的东西向中性风场，其获取方法为：
利用150km-300km高度的电场值求解一个电场梯度值，进而通过梯度值得到90-150km的电场值，进而获得90-150km的东西向中性风。
假设300km高度处的电场为，150km高度处的电场为/>，将电场随高度的变化过程简化为一阶方程，h为高度，E为电场，h=300km时,E=/>, h=150km时,E=/>，据此可以得到：
其中，表示电场值，/>表示低纬地区电离层F区的电场值，/>表示电场的高度，/>表示低纬地区电离层E区顶部的电场值。
基于所述电场值，得到的121km-150km的东西向中性风场为：
其中，下标表示北向，下标/>表示垂向，即/>表示北向的速度，/>表示垂向的速度，/>代表磁偏角。
为了验证本发明的有效性。对本发明的E区风场提取方法进行验证，具体如下：
使用海南三站式非相干散射雷达进行矢量速度和风场的观测实验，因为电离层E区需要较小的距离分辨率，因此信号波形采用交替码，脉冲宽度为640us，码元宽度为20us，采用11波束观测，波束方位角和俯仰角如表2所示：
表2
雷达观测时间是为2023年4月2日。根据前面的公式可以知道，假定速度场在一定的空间范围内保持不变，由多个不同的视线速度可以通过最小二乘拟合得到矢量速度，以2023年4月1日为例进行分析，获得的矢量速度如图2所示,图2中Vpe、Vpn、Vap分别表示垂直磁力线朝东的速度、垂直磁力线朝北的速度、反平行磁力线方向的速度。
根据前述的公式，通过视线速度可以得到地理坐标系下的东向，北向和垂向的速度和地磁坐标系下的垂直磁力线朝东，朝北和反平行磁力线方向，从图2中可以看白天离子速度向西运动，向北运动和向上运动，白天主要是垂直磁力线朝西的速度，和沿磁力线朝北的速度。由图中可以看出夜间的离子速度没有有效值，主要原因是在电离层E区高度夜间电子密度较低，相应的电离层回波信噪比较弱，因此最小二乘拟合不成功，因此反演得到离子视线速度误差较大，对应的矢量速度误差较大，在图中将无效值置为nan。
由前可知，通过计算矢量速度还可以进一步得到电离层的东西向和南北向风场，地理坐标系下的风场如下所示，由于垂直方向速度很小，可以忽略不计，绘制出南北方向的风场及误差如下图3所示，图3中U-e即Ue, U-n即Un：
南北向中性风是通过反平行磁力线的速度得到的，从图3中可以看出北向风场存在明显的风剪切现象，同时存在明显的振荡现象，对于东西向风场，从图3中可以看出东西向风场相比于南北向风场的数值小，从图3中也可以看出明显的风剪切现象。
三亚非相干散射雷达测量得到的电离层E区风场的高度范围是90km-150km,目前其他雷达设备无法观测到该高度范围内的风场，所以使用卫星ICON的数据对风场的数据进行评估，Icon卫星的发射时间为美国东部时间2019年10月10日晚上9：59分，轨道是近似圆形轨道，与地球的倾角为27度，海拔高度为360英里（约575公里），绕地球一周的时间为97分钟，Icon用四种不同类型的仪器探索中性大气和电离层之间的联系，分别为用于全球高分辨率热层成像的迈克尔逊干涉仪(MIGHTI)，远紫外线仪(FUV)，极紫外线仪器(EUV)，离子速度计(IVM)，因此使用Icon卫星的MIGHT仪器测量的风场数与三亚非相干散射雷达测量的风场数据进行对比。由于Icon卫星在2022年失联，2023年不再有观测数据，这里忽略年变化，使用相同日期的2022年的卫星数据和2023年的雷达数据进行对比绘图，结果如图4所示。
图4中是卫星通过雷达扫描范围内两者测量得到的中性风场的对比图，从图4中可以看出卫星数据和雷达的数据一致性良好，证明了算法的有效性。本发明不仅首次通过非相干散射雷达观测到低纬电离层E区90-150km范围内的中性风场，其变化形态均符合电离层变化规律，而且通过和卫星数据进行对比，证明了算法的有效性。
本发明第二实施例的一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的***，如图2所示，包括：
参量获取模块，配置为通过非相干散射雷达ISR探测得到待提取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离子温度和视线速度；
关系转换模块，配置为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；
矢量速度计算模块，配置为根据所述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；所述矢量速度包括反平行磁力线速度；
南北向风场获取模块，配置为基于所述反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
比值计算模块，配置为根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算碰撞频率，进而得到离子回旋频率与碰撞频率的比值；
东西向风场获取模块，配置为结合所述离子回旋频率与碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适用于由处理器加载并实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，其特征在于，该方法包括：
通过相控阵非相干散射雷达探测得到待提取E区风场的低纬地区的电离层的基本参量；所述电离层的基本参量包括离子温度和离子视线速度；
基于地理坐标系下离子视线速度与离子矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下离子视线速度与离子矢量速度的关系；
根据所述地磁坐标系下离子视线速度与离子矢量速度的关系，结合所述离子视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的离子矢量速度；所述离子矢量速度包括离子反平行磁力线速度；
基于所述离子反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算离子碰撞频率，进而得到离子回旋频率与离子碰撞频率的比值；
根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算离子碰撞频率，其方法为：
；
其中，表示离子碰撞频率，/>表示离子温度，/>表示中性成分温度，/>表示氧原子数密度，/>表示氧分子数密度，/>表示氮分子数密度；
结合所述离子回旋频率与离子碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
2.根据权利要求1所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，其特征在于，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场，其方法为：
；
其中，表示南北向中性风场，/>表示离子反平行磁力线速度，/>为地磁倾角。
3.根据权利要求2所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，其特征在于，所述离子回旋频率与离子碰撞频率的比值为：，其中，e表示电子的电荷量，B是电磁场，是根据探测点的经纬高和探测时间，通过国际地磁参考场IGRF计算得到的真实地磁场，/>表示离子质量。
4.根据权利要求3所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，其特征在于，结合所述离子回旋频率与离子碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的E区的东西向中性风场，其方法为：
根据所述离子回旋频率与离子碰撞频率的比值，获取离子在所述低纬地区的电离层的E区的空间中运动时的影响因子；
基于所述影响因子，将所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场分成两个区域：90km-120km和121km-150km，进而分别求取两个区域的东西向中性风场。
5.根据权利要求4所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，其特征在于，所述低纬地区的电离层的E区90km-120km的东西向中性风场，其获取方法为：
；
其中，下标表示东向，/>、/>表示东向的矢量速度、东向的风场。
6.根据权利要求5所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法，其特征在于，所述低纬地区的电离层的E区121km-150km的东西向中性风场，其获取方法为：
；
其中，下标表示北向，下标/>表示垂向，即/>表示北向的离子速度，/>表示垂向的离子速度，/>代表磁偏角，/>表示低纬地区电离层F区高度的电场值，/>表示电场的高度，/>表示低纬地区电离层E区顶部的电场值。
7.一种基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的***，其特征在于，该***包括：
参量获取模块，配置为通过相控阵非相干散射雷达探测得到待提取E区风场的低纬地区的电离层的基本参量；所述电离层的基本参量包括离子温度和离子视线速度；
关系转换模块，配置为基于地理坐标系下离子视线速度与离子矢量速度的关系，结合地理坐标系与地磁坐标系的转换关系，获取地磁坐标系下离子视线速度与离子矢量速度的关系；
矢量速度计算模块，配置为根据所述地磁坐标系下离子视线速度与离子矢量速度的关系，结合所述离子视线速度，进行最小二乘拟合，得到全高度三个方向的离子矢量速度；所述矢量速度包括离子反平行磁力线速度；
南北向风场获取模块，配置为基于所述离子反平行磁力线速度，结合地磁倾角，计算所述低纬地区的电离层的E区的南北向中性风场；
比值计算模块，配置为根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算离子碰撞频率，进而得到离子回旋频率与离子碰撞频率的比值；
根据所述低纬地区的电离层的特性，结合中性成分温度、所述离子温度，计算离子碰撞频率，其方法为：
；
其中，表示离子碰撞频率，/>表示离子温度，/>表示中性成分温度，/>表示氧原子数密度，/>表示氧分子数密度，/>表示氮分子数密度；
东西向风场获取模块，配置为结合所述离子回旋频率与离子碰撞频率的比值，获取所述低纬地区的电离层的E区的东西向中性风场。
8.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序应用由处理器加载并执行以实现权利要求1-6任一项所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
9.一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；其特征在于，所述程序适用于由处理器加载并执行以实现权利要求1-6任一项所述的基于非相干散射雷达提取低纬电离层E区风场的方法。
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