[发明专利]一种高频天波返回散射电离图反演方法

说明书

本发明公开了一种高频天波返回散射电离图反演方法，包括如下步骤：步骤1：分别利用返回散射电离图E层和F层前沿进行反演，得到的二维电子浓度剖面分别记为和，其中表示距地心的高度，表示到发射站的地面距离；步骤2：对某一地面距离来说，其上空的垂直电子浓度剖面，E层峰高以下使用E层前沿反演结果，E层峰高以上使用F层前沿反演结果；步骤3：建立连接层来连接E层和F层，连接层与E层在连接点处电子浓度值和梯度值均相等，与F层在连接点处电子浓度值相等。本发明所公开的高频天波返回散射电离图反演方法，综合使用不同层（E、F₁和F₂层）的返回散射前沿进行联合反演，实现电子浓度剖面的精确重构。

技术领域

本发明属于电离层研究及应用领域，特别涉及该领域中的一种高频天波返回散射电离图反演方法。

背景技术

不少学者已经致力于利用高频天波返回散射电离图进行反演电离层参数的研究，目前高频天波返回散射电离图的反演大致可以归纳为如下几类：(1)基于迭代的拟合算法。首先是Rao(1974)利用返回散射电离图前沿任意三组(p',f)数据反演准抛物模型的三个参数，随后，Rao(1975)提出了一种利用返回散射电离图离散散射源回波描迹反演电离层参数和散射源地面距离的方法。这两种反演算法都假设电离层球形对称，不考虑地磁场的影响，并且都是反演单层准抛物模型参数。DuBroff等(1979)将这种反演算法推广到电离层非球形对称的情况，假设了一个简单的梯度电离层模型，反演包括准抛物模型的3个参数及其梯度共6个参数。Norman(2003)将Rao的三组(p',f)数据增加到多组，通过一种广义逆矩阵反演算法改善了Rao算法的不适定性，并且将这种反演算法推广到多层电离层的情况。(2)引入求解不适定问题的理论与方法以解决返回散射电离图反演的不稳定性问题。Chuang和Yeh(1977)利用地球物理反演中发展起来的BG理论建立了斜向探测和返回散射探测反演模型，并用简单模型的垂测反演结果验证了该方法的有效性。Fridman(1994)以返回散射发射站处垂直探测得到的电离层电子浓度剖面和返回散射前沿作为输入，利用求解非线性问题的Newton-Kontorovich方法和线性不适定问题的Tikhonov正则化方法，反演电离层电子浓度的二维分布，获得电离层的水平不均匀结构(以下称该方法为Fridman1994算法)。该方法还被推广到反演电离层三维电子浓度分布(Fridman，1998；Fridman和Nickisch，2001；Fridman等，2009，2012)。冯静等(2016)采用频段递增逐步逼近反演算法对Fridman1994算法进行了改进。遗传算法是近些年来发展起来的一种高效的非线性全局优化算法，也有学者利用遗传算法来进行返回散射电离图的反演(Benito等，2008b)。赵晶晶等(2014)、朱鹏等(2015)、周晨等(2015)使用模拟退火方法对返回散射电离图前沿进行了反演，一定程度上避免了传统反演算法面临的不稳定问题。(3)基于返回散射前沿以外的信息进行反演。Dyson(1991)提出了一种利用返回散射电离图前沿和后沿相结合反演电离层剖面参数的方法。事实上，从理论计算上确定后沿是相当困难的，因此这不是一种令人满意的反演算法。此外，还有仰角扫描的返回散射电离图反演(Caratori和Goutelard，1997；Landeau等，1997；Jacquet等，2001；Norman和Dyson，2006；Benito等，2008a)，这要求返回散射探测的收发天线是可以仰角扫描的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种高频天波返回散射电离图反演方法。

本发明采用如下技术方案：

一种高频天波返回散射电离图反演方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1：分别利用返回散射电离图E层和F层前沿进行反演，得到的二维电子浓度剖面分别记为N₁(r,x)和N₂(r,x)，其中r表示距地心的高度，x表示到发射站的地面距离；