非相干散射探测
|
[拼音]：feixianggan sanshe tance [外文]：incoherent scattering sounding 电波在电离层中由于受到准平衡电子密度随机热起伏影响而引起散射，接收这种能量从而获取电离层物理参数的电离层探测方法，称为非相干散射探测。非相干散射探测能获取多种电离层参数，是一种在地面上探测电离层的最有效的手段，可以获得作为时间和空间函数的电离层形态的几乎完整的结构。但是，由于散射信号十分微弱，且类似于某种有色噪声，必须具有兆瓦量级的脉冲功率发射设备、低噪声接收设备和复杂的信息处理技术和设备，才能将它们从探测系统内外的噪声背景中提取出来，实现电离层参数的精确测量。 美国W.E.戈登在1958年最先提出用当时的大功率雷达可能探测到电离层的后向散射回波信号。他认为这种散射是相互独立的电子所产生的汤姆逊散射，也就是说，雷达电波照射到电离层的有限体积上，其中每个电子都会散射电波。由于电子处于随机的热运动状态，在空间变化小于电波波长的条件下，各个电子的散射信号是非相干的。在雷达接收机输入端，散射信号是功率相加的，其大小与散射区的电子密度成正比，功率谱呈高斯曲线形状，谱宽度与散射区的电子热运动温度有关。后来，美国K.L.波利斯通过实验证实了戈登关于电离层中有电子存在，可以观测到散射回波的设想。但是，观测到的散射现象比预想的复杂得多，特别明显的是散射信号的功率谱宽比预想的窄得多。后来，许多学者对理论进行了修正，他们认为，电离层的电子浸在离子云之中，粒子之间存在库仑力，在库仑力起显著作用的范围内的电子受正离子的束缚较强，它们并不完全独立，散射信号是部分相干的。他们用不同的理论模型进行研究，获得几乎完全一致的结果。 非相干散射回波信号的功率、能谱(或自相关函数)和极化都是可测的，它们是电离层等离子体下述参数的函数： （1）电子密度； （2）电子温度和离子温度； （3）离子组成（主要成分）； （4）电子-中性粒子碰撞频率； （5）光电子速度分布； （6）等离子体平均漂移速度； （7）电子相对离子的漂移速度(电流强度)等。可以通过各种测量方法测出一定高度范围内相应的主要参数。测量电子密度的方法主要有两种：一种是确定后向散射辐射中等离子线的位置，称为等离子线法；另一种是基于接收到的后向散射能量总和与电子密度成比例的关系以推算电子密度等参数的功率法。一般探测F层的电子密度，电子温度和离子温度的误差典型值为5％～10％，中性成分误差约为10％，漂移速度精度为1～10米/秒，获得一个剖面图所需的测量时间约为 5～10分钟。非相干散射探测有单站型和多站型两种布站方式。单站型适合于预测参数的垂直分布，最著名的站是美国建在波多黎各的阿雷西博站，其天线反射器直径达300米，频率430兆赫，峰值发射功率2兆瓦。多站型适于预测运动，最典型的是欧洲六国在北欧建立的非相干散射雷达系统。 |
