電離層效應(yīng)內(nèi)容簡介

根據(jù)信標(biāo)信號通過電離層的傳播特性來探測電離層特性參量的方法。利用火箭、衛(wèi)星等飛行器把信標(biāo)機帶到電離層上空，信標(biāo)信號通過電離層將產(chǎn)生頻率偏移、電波偏振面旋轉(zhuǎn)和閃爍等效應(yīng)。根據(jù)這些效應(yīng)來探測電離層特性的方法主要有:

信標(biāo)微分多普勒頻移法 信標(biāo)信號通過電離層的頻率偏移就是電離層多普勒效應(yīng)(見電離層無線電波傳播)。信標(biāo)信號頻率偏移通常包括運動效應(yīng)和介質(zhì)效應(yīng)，前者比后者大得多，而要分離它們頗費周折。因此，根據(jù)運動效應(yīng)與頻率成正比，而介質(zhì)效應(yīng)與頻率的平方成反比的特點，在飛行器上發(fā)射兩個不同倍數(shù)的倍頻信號，并在地面接收這兩個頻率信號，消去運動效應(yīng)項，剩下介質(zhì)效應(yīng)差分值，這就是微分多普勒頻移。利用這種方法可以推算沿電波路徑上的總電子含量。微分多普勒頻移對總電子含量的水平梯度十分敏感，故還可以用來研究電離層大尺度、中尺度的不均勻結(jié)構(gòu)和電離層行進(jìn)式擾動(TID)等。

法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)法 電波通過電離層時偏振面旋轉(zhuǎn)稱為法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(見電離層無線電波傳播)。某一點偏振面相對于原始偏振面旋轉(zhuǎn)的角度與電波路徑上的總電子含量成一定比例，根據(jù)這一原理，在地面接收電離層上空的信標(biāo)機發(fā)射信號，測量其電波偏振面的旋轉(zhuǎn)角或它的時間變化率(稱法拉第頻率)，即可推算電波路徑上的總電子含量。為了消除旋轉(zhuǎn)角的多值性，通常采用的辦法是信標(biāo)機雙頻工作,即測量相隔一個小量Δf的兩個頻率的旋轉(zhuǎn)角差 ΔΩ來確定旋轉(zhuǎn)角Ω。這時，Ω=(2f/Δf)ΔΩ，式中f為信號頻率。因為旋轉(zhuǎn)角與頻率平方成反比，所以為獲得較大的旋轉(zhuǎn)角值應(yīng)采用較低頻率，但為使電波能穿過電離層，采用的頻率又必須大于F層的臨界頻率。對20兆赫電波,穿過整個電離層后的旋轉(zhuǎn)角大約為10~50轉(zhuǎn),而100兆赫電波穿過電離層后的旋轉(zhuǎn)角則為0.4~2轉(zhuǎn)。法拉第旋轉(zhuǎn)測量對總電子含量的水平梯度是十分敏感的，故研究電離層大尺度、中尺度的不均勻結(jié)構(gòu)，電離層行進(jìn)式擾動等現(xiàn)象是十分有用的。

閃爍效應(yīng)法 當(dāng)電波穿過電子密度不均勻的電離層時，就好像光通過光柵那樣，會產(chǎn)生"衍射"。而不均勻體的運動，會使衍射條紋相對地面移動，于是地面接收信號的振幅和相位發(fā)生起伏變化。這種現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。接收衛(wèi)星信標(biāo)或外空射電星輻射，從高頻波段高端直到幾千兆赫的頻率，都能觀測到這種現(xiàn)象。通常在地面多點接收，分析閃爍現(xiàn)象的信標(biāo)信號信息，可以研究高層大氣小尺度不均勻結(jié)構(gòu)及其分布和運動。因為這種閃爍現(xiàn)象在極區(qū)和赤道地區(qū)出現(xiàn)較多，所以常在這些地區(qū)進(jìn)行觀測。

TEC（Total Electron Content）及其變化不但是電離層形態(tài)學(xué)研究的重要資料，也是精密定位、導(dǎo)航和電波科學(xué)中電離層修正的重要參數(shù)。它是描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)的重要參量，有助于研究電離層對電磁波傳播的影響. TEC是每平方米上從電離層底部（約90公里高度）的到電離層的頂部（大約1000公里高度）的電子數(shù)量總和。許多的TEC的測量是由GPS衛(wèi)監(jiān)測得到。目前，GPS的TEC監(jiān)測已經(jīng)被分布在很多國家的超過360個臺站所實時監(jiān)測。

電離層電子總含量TEC及其變化不但是電離層形態(tài)學(xué)研究的重要資料，也是精密定位、導(dǎo)航和電波科學(xué)中電離層修正的重要參數(shù)。它是描述電離層形態(tài)和結(jié)構(gòu)的重要參量，有助于研究電離層對電磁波傳播的影響。電離層的預(yù)報目前有Klobuchar模型、Bent模型、IRI模型、ICED模型、FAIM模型等，GPS是主要的測量工具。在實際應(yīng)用中，電離層預(yù)報是對未來時刻地面上空一定高度的網(wǎng)格點的電子含量預(yù)報。目前國際上通常是每兩小時給出經(jīng)度方向間隔5°、緯度方向間隔2.5°的電子含量，這樣每兩小時全球共有5184 (72×72)個網(wǎng)格點，使用最小二乘法擬合得出網(wǎng)格的TEC及GPS測量的硬件誤差。