高頻返回散射

高頻返回散射，一種傳播機理，回波有很陡峭的前沿，回波前沿對應的時延稱最小時延。

基本介紹

• 中文名：高頻返回散射
• 外文名：High frequency return scattering
• 實質：一種傳播機理
• 頻段：3～30兆赫
• 拋物模式表示：hm=h0+Ym

簡介

斜向入射到電離層的高頻段 (3～30兆赫)無線電波，經電離層反射（可能多次）後因地面地形不平坦和電氣不均勻性而向四面八方散射。其中一小部分電波能量沿相反方向（路徑可與以前相同或不同），由電離層反射折回到地面電波發射點。這種傳播機理稱為高頻返回散射。它可用於監視和預報高頻無線電電路的工作條件，能成功地確定電路最高可用頻率、跳距和它們在地球物理因素影響下的變化（見超視距雷達）。

研究高頻返回散射所使用的設備的原理，與垂直探測或斜向探測設備大致相同（見電離層垂直探測），不同的是它的收發設備放在一起並斜向發射。為了提高對回波精細結構的分辨度，需要使用大型的收發天線陣列、幾十至幾百千瓦的功率和先進的信號處理技術。這些設備稱為高頻返回散射儀，用於研究返回散射回波的各種信息，如頻率與回波時延的特性、頻率與回波幅度的特性、回波都卜勒頻譜特性、回波幅度的時延分布特性和回波時延的時間變化等。

特點

高頻返回散射回波有很陡峭的前沿，回波前沿對應的時延稱最小時延。在掃頻返回電離圖（P-f圖）中，各頻率所對應的最小時延組成一條連續曲線，稱為最小時延線。前沿陡峭是由電離層球面聚焦和時間聚焦造成的。輻射的脈衝電波前向傳播時，沿最小時延傳播的能量能到達比跳距稍遠一點的地面，電離層球面聚焦使很大範圍內入射角的射線在最小時延附近的群時延變化不大，即能量集中在這一段地面上，亦即包含在很大角度範圍內的功率密度集中在很短的一段時間內。當電波從這一段地面發生散射並沿原路徑返回傳播時，便重複這種時間的“壓縮”現象，故稱“時間聚焦”。因此，在最小時延處能量特別集中，造成前沿陡峭。

如果電離層電子密度沿高度的分布可用拋物模式表示式中h_m=h₀+Y_m；h_m為層的最大電子密度高度；h₀為電離層底高，Y_m為層的半厚度；x為工作頻率與臨界頻率之比。在平面地面時，頻率與時延為線性關係；在球形地面時，時延增長隨x增大而加速，最小時延線為一曲線。

高頻返回散射掃頻電離圖的反演

研究背景

電離層是地球空間環境重要的組成部分，它的變化對人類的生活有著非常重要的影響，並且作為一種天然的電波反射介質而受到人們重視。幾十年來，許多學者利用各種觀測方式對其進行研究，其中，地面觀測方式最為廣泛。使用高頻無線電波對電離層進行探測，其手段有：垂直探測、斜向探測以及斜向返回探測。垂直探測是垂直向上發射高頻無線電脈衝，通過電離層反射，接收在不同頻率上由電離層反射的回波，是最古老也是非常重要的電離層地面常規探測方法，能直接獲取探測上空的電離層信息，但探測範圍小，適用於局部觀測。斜向探測則是電波經由發射機斜向發射，經過電離層反射後到達很遠的地面，被位於電波覆蓋區中某一特定距離上的接收機接收，是一種收發分置的探測方式，通過對斜測結果反演只能獲取該距離對應的電離層反射區域信息。斜向返回散射探測則是發射與接收裝置位於同一地點，電波在被電離層反射後到達很遠的地面，由於地面的不均勻性的散射作用，以致有一小部分能量再經由電離層反射返回到發射點而被接收的過程，如圖1所示。由於斜向返回探測覆蓋範圍廣，能夠得到沿探測方向上的大量電離層信息而得到廣泛套用。

圖1 斜向返回探測原理示意圖

高頻返回散射電離圖有兩種形式，一種是在固定方位角、探測頻率的情況下，進行仰角掃描探測，得到關於返回功率、時延與仰角的三維圖形，也稱為仰角掃描電離圖；另一種就是在固定方位角的情況下，進行掃頻探測，得到返回功率、時延與頻率的三維圖形，即掃頻電離圖。對於後者來說，返回散射信號的最重要的特徵就是它在時間尺度上的局域分布，即由於跳距聚焦、時間聚焦及電離層球形聚焦等效應，使得電離圖一般具有很陡的前沿。高頻返回散射電離圖包含了探測方向上的電離層的介質和地面(海洋表面)介質的信息，從探測到的電離圖反推這些介質的特性就稱為電離圖反演。從原則上來說，掃頻探測模式下的返回散射電離圖的各部分都含有對電離層結構參數反演的有用信息，然而由於電離層電波傳播的複雜性，電離層對電波的吸收及折射、地磁場的影響、電波偏振狀態的變化以及地面(海面)散射等諸多因素的共同作用，致使對電離圖的利用變得十分困難。但是，由於聚焦效應，電離圖上有著較清晰的前沿，一般能準確判讀，它對電離層電子濃度分布敏感，在信噪比較好的情況下，幾乎不受其他條件(如地面特性、天線波束等)的影響。因此最小群時延曲線被廣泛利用來進行電離層的反演研究，稱之為最小群時延反演問題。

對實測的高頻返回散射電離圖的反演

圖2a和圖3a為武漢原始探測掃頻電離圖，圖2b和圖3b為相應時間的宜春垂測圖。由於此次實驗探測方向為正南，隨著電波傳播距離增加，電波在電離層中的反射區的地理緯度降低。而地理緯度對電離層臨界頻率影響較大，因此，有別於以往反演算法中的只取前沿上的3個點就能得到整個電離層情況，對於跨越緯度的探測結果，前沿的不同部分代表了不同的電離層信息，應該對整個前沿密集采點。為了得到不同地面距離對應的電離層反射區域信息，我們依據探測頻率的變化（從小到大）對前沿進行了分段處理，即對所有前沿數據進行了分組處理。一組數據代表了一小段前沿，其反演結果則代表某個區域的電離層信息。當頻率間隔取得足夠小時，相對於探測範圍尺度來說，一組輸入數據內對應的反射區域足夠小。因此我們假定一組數據對應的反射區域為同一狀態，不同分組則為不同狀態，這樣既符合所選用的電離層模型，不同分組的反演結果也能體現 了整個探測方向上電離層的不均勻變化，即局部均勻，整體不均勻。

圖2　2010年8月26日20時30分返回散射電離圖（a）和垂測圖（b）

圖3 2010年8月26日13時30分返回散射電離圖（a）和垂測圖（b）

討論與結論

從上文中對實測掃頻電離圖的反演過程可以看出，反演只需要輸入掃頻圖前沿數據即可。通過實驗室開發的掃頻電離圖前沿判讀技術，可以迅速直接地將前沿參數載入到反演程式中，避免了以往人工取點造成的延誤。然而前沿判讀必然會存在一定的誤差，即判讀結果和實測圖上前沿數據的差別，本文算法成功地克服了這一問題，在反演過程中已預先加入了判讀結果與實測值的誤差項，使得反演結果更符合實際情況。對電離圖前沿進行分段處理，利用電離層小範圍內均勻分布，大範圍內非均勻分布的構想，僅用QP模型就能完整得到整個探測路徑上空的電離層信息，避免了以往算法造成的信息殘缺和不準確。在對跨緯度探測結果的處理中，能對整個前沿進行反演，計算速度快，幾分鐘便可得到結果，且程式穩健，能充分滿足實時處理要求。若是對東西向的探測圖反演，因可以忽略緯度因素造成的影響，則只需前沿的少數幾個數據就可得到電離層參數，計算時間則在半分鐘之內。

在對斜向返回探測系統的數據處理過程中，電離圖反演是一個至關重要的過程。反演得到的電離層參數或者電子密度剖面的正確與否、反演過程是否穩健以及處理時間的長短直接決定了系統的套用前景。本文通過對以往算法進行改進，成功地反演了實測掃頻電離圖，並畫出了二維電子密度剖面。克服了傳統算法的耗時、不穩定等特點，展現出該算法在實時處理電離圖的優越性—快速、穩健及準確性。在有多層電離層結構時，該算法採用多層QP模型， 探測數據輸入方式會改變，這將在另文中作詳細闡述。對於電離層變化劇烈的情況，可使用多站聯合探測的方式來獲取更多的電離層變化信息，對算法進一步改進，加入傾斜及擾動電離層模型，使其適用性更為廣泛。