[发明专利]一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法

说明书

本发明公开了一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法，包括如下步骤：（1）热层温度与氧原子密度模型、氧原子离子热量平衡方程：（2）反演初值与收敛条件的确定：（3）分步反演法。本发明所公开的基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法，对提升我国的热层大气探测与研究水平具有重要意义，与现有其它的热层探测反演方法相比，具有简单、快捷、有效的突出优点。该方法的研究提出，有助于充分发挥已建大型设备（非相干散射雷达）的作用，具有重要的科学与应用价值。

技术领域

本发明属于地球空间环境探测与研究领域，特别涉及该领域中的一种基于非相干散射雷达的热层大气温度与氧原子密度反演方法。

背景技术

热层大气是指中层顶(约90km)到约500km的地球中性大气层，它是地球电离层的背景大气层。受太阳、地磁活动以及低层大气等因素的影响，热层大气温度、密度、成分等具有复杂的时空变化特性。热层大气温度与密度的观测反演具有重要的科学研究与工程应用价值。热层大气是国际空间站、神舟飞船、航天飞机等低轨航天器驻留和运行的空间环境，热层大气变化对低轨航天器运行具有重要影响。比如：热层大气密度直接决定了低轨道航天器运行的大气阻力，实验表明热层大气密度变化引起的低轨航天器轨道变化和摄动可达数百m；热层大气温度对低轨航天器的材料选择、环境适应性设计等有重要影响。

目前的热层大气观测手段非常有限，主要观测手段是通过卫星搭载光谱仪、大气成分探测器、宽带辐射计等实现热层探测，此外通过卫星等低轨航天器运行轨道也可推算热层大气密度等。在地基探测方面，通过发射高空探空火箭可探测火箭飞行区域的热层大气密度等参数，地面被动光学(气辉、FPI光谱仪)等可探测局地(如250km)的热层大气密度。此外，非相干散射雷达作为目前地面探测电离层的最强大手段，它可以直接探测电离层电子密度、电子与离子温度，间接推导热层大气温度、密度、热层成分、运动(风)等。目前全世界科学研究与工程应用领域普遍使用的热层大气模型MSIS就是基于卫星质谱仪、地基探空火箭与非相干散射雷达的观测数据而开发的。

由于观测手段的不足，我国的热层大气监测手段与数据严重不足，在热层大气反演与建模方面尚属于空白，急需加强。在子午工程(国家“十一五”大科学工程)支持下，我国在云南曲靖建设了国内首套非相干散射雷达，为我国开展热层大气温度与密度的反演提供了条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于非相干散射雷达的热层温度与氧原子密度反演方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)热层温度与氧原子密度模型、氧原子离子热量平衡方程：

研究表明，热层大气温度随高度的变化特点是从较低的某一高度(约120km)出发，开始温度梯度很大，随后随高度增加而减小。在很高的高度上，热层大气温度趋近于恒定值(通常称为逃逸层温度TN_∞)，逃逸层温度与太阳活动密切相关，从太阳活动低年的600K左右到高年的2000K左右。

Bates(空间物理学家的姓名)的热层温度经验模型如下：

其中TN₁₂₀为120km的热层温度，z为相对120km的高度，s表示热层温度形态因子；

热层氧原子密度的经验模型如下：

其中m(O)为氧原子质量，g为重力加速度，k是波尔兹曼常数，z₀是参考高度，[O]_z0是参考高度处的氧原子密度，可见中性氧原子密度主要由热层温度、参考高度氧原子密度与高度确定；