[科普中国]-高频返回散射

高频返回散射，一种传播机理，回波有很陡峭的前沿，回波前沿对应的时延称最小时延。

简介斜向入射到电离层的高频段 (3～30兆赫)无线电波，经电离层反射（可能多次）后因地面地形不平坦和电气不均匀性而向四面八方散射。其中一小部分电波能量沿相反方向（路径可与以前相同或不同），由电离层反射折回到1地面电波发射点。这种传播机理称为高频返回散射。它可用于监视和预报高频无线电电路的工作条件，能成功地确定电路最高可用频率、跳距和它们在地球物理因素影响下的变化（见超视距雷达）。

研究高频返回散射所使用的设备的原理，与垂直探测或斜向探测设备大致相同（见电离层垂直探测），不同的是它的收发设备放在一起并斜向发射。为了提高对回波精细结构的分辨度，需要使用大型的收发天线阵列、几十至几百千瓦的功率和先进的信号处理技术。这些设备称为高频返回散射仪，用于研究返回散射回波的各种信息，如频率与回波时延的特性、频率与回波幅度的特性、回波多普勒频谱特性、回波幅度的时延分布特性和回波时延的时间变化等。

特点高频返回散射回波有很陡峭的前沿，回波前沿对应的时延称最小时延。在扫频返回电离图（P-f图）中，各频率所对应的最小时延组成一条连续曲线，称为最小时延线。前沿陡峭是由电离层球面聚焦和时间聚焦造成的。辐射的脉冲电波前向传播时，沿最小时延传播的能量能到达比跳距稍远一点的地面，电离层球面聚焦使很大范围内入射角的射线在最小时延附近的群时延变化不大，即能量集中在这一段地面上，亦即包含在很大角度范围内的功率密度集中在很短的一段时间内。当电波从这一段地面发生散射并沿原路径返回传播时，便重复这种时间的“压缩”现象，故称“时间聚焦”。因此，在最小时延处能量特别集中，造成前沿陡峭。

如果电离层电子密度沿高度的分布可用抛物模式表示式中hm=h0+Ym；hm为层的最大电子密度高度；h0为电离层底高，Ym为层的半厚度；x为工作频率与临界频率之比。在平面地面时，频率与时延为线性关系；在球形地面时，时延增长随x增大而加速，最小时延线为一曲线。

高频返回散射扫频电离图的反演研究背景电离层是地球空间环境重要的组成部分，它的变化对人类的生活有着非常重要的影响，并且作为一种天然的电波反射介质而受到人们重视。几十年来，许多学者利用各种观测方式对其进行研究，其中，地面观测方式最为广泛。使用高频无线电波对电离层进行探测，其手段有：垂直探测、斜向探测以及斜向返回探测。垂直探测是垂直向上发射高频无线电脉冲，通过电离层反射，接收在不同频率上由电离层反射的回波，是最古老也是非常重要的电离层地面常规探测方法，能直接获取探测上空的电离层信息，但探测范围小，适用于局部观测。斜向探测则是电波经由发射机斜向发射，经过电离层反射后到达很远的地面，被位于电波覆盖区中某一特定距离上的接收机接收，是一种收发分置的探测方式，通过对斜测结果反演只能获取该距离对应的电离层反射区域信息。斜向返回散射探测则是发射与接收装置位于同一地点，电波在被电离层反射后到达很远的地面，由于地面的不均匀性的散射作用，以致有一小部分能量再经由电离层反射返回到发射点而被接收的过程，如图1所示。由于斜向返回探测覆盖范围广，能够得到沿探测方向上的大量电离层信息而得到广泛应用。

高频返回散射电离图有两种形式，一种是在固定方位角、探测频率的情况下，进行仰角扫描探测，得到关于返回功率、时延与仰角的三维图形，也称为仰角扫描电离图；另一种就是在固定方位角的情况下，进行扫频探测，得到返回功率、时延与频率的三维图形，即扫频电离图。对于后者来说，返回散射信号的最重要的特征就是它在时间尺度上的局域分布，即由于跳距聚焦、时间聚焦及电离层球形聚焦等效应，使得电离图一般具有很陡的前沿。高频返回散射电离图包含了探测方向上的电离层的介质和地面(海洋表面)介质的信息，从探测到的电离图反推这些介质的特性就称为电离图反演。从原则上来说，扫频探测模式下的返回散射电离图的各部分都含有对电离层结构参数反演的有用信息，然而由于电离层电波传播的复杂性，电离层对电波的吸收及折射、地磁场的影响、电波偏振状态的变化以及地面(海面)散射等诸多因素的共同作用，致使对电离图的利用变得十分困难。但是，由于聚焦效应，电离图上有着较清晰的前沿，一般能准确判读，它对电离层电子浓度分布敏感，在信噪比较好的情况下，几乎不受其他条件(如地面特性、天线波束等)的影响。因此最小群时延曲线被广泛利用来进行电离层的反演研究，称之为最小群时延反演问题。

对实测的高频返回散射电离图的反演图2a和图3a为武汉原始探测扫频电离图，图2b和图3b为相应时间的宜春垂测图。由于此次实验探测方向为正南，随着电波传播距离增加，电波在电离层中的反射区的地理纬度降低。而地理纬度对电离层临界频率影响较大，因此，有别于以往反演算法中的只取前沿上的3个点就能得到整个电离层情况，对于跨越纬度的探测结果，前沿的不同部分代表了不同的电离层信息，应该对整个前沿密集采点。为了得到不同地面距离对应的电离层反射区域信息，我们依据探测频率的变化（从小到大）对前沿进行了分段处理，即对所有前沿数据进行了分组处理。一组数据代表了一小段前沿，其反演结果则代表某个区域的电离层信息。当频率间隔取得足够小时，相对于探测范围尺度来说，一组输入数据内对应的反射区域足够小。因此我们假定一组数据对应的反射区域为同一状态，不同分组则为不同状态，这样既符合所选用的电离层模型，不同分组的反演结果也能体现 了整个探测方向上电离层的不均匀变化，即局部均匀，整体不均匀。

讨论与结论从上文中对实测扫频电离图的反演过程可以看出，反演只需要输入扫频图前沿数据即可。通过实验室开发的扫频电离图前沿判读技术，可以迅速直接地将前沿参数载入到反演程序中，避免了以往人工取点造成的延误。然而前沿判读必然会存在一定的误差，即判读结果和实测图上前沿数据的差别，本文算法成功地克服了这一问题，在反演过程中已预先加入了判读结果与实测值的误差项，使得反演结果更符合实际情况。对电离图前沿进行分段处理，利用电离层小范围内均匀分布，大范围内非均匀分布的设想，仅用QP模型就能完整得到整个探测路径上空的电离层信息，避免了以往算法造成的信息残缺和不准确。在对跨纬度探测结果的处理中，能对整个前沿进行反演，计算速度快，几分钟便可得到结果，且程序稳健，能充分满足实时处理要求。若是对东西向的探测图反演，因可以忽略纬度因素造成的影响，则只需前沿的少数几个数据就可得到电离层参数，计算时间则在半分钟之内。

在对斜向返回探测系统的数据处理过程中，电离图反演是一个至关重要的过程。反演得到的电离层参数或者电子密度剖面的正确与否、反演过程是否稳健以及处理时间的长短直接决定了系统的应用前景。本文通过对以往算法进行改进，成功地反演了实测扫频电离图，并画出了二维电子密度剖面。克服了传统算法的耗时、不稳定等特点，展现出该算法在实时处理电离图的优越性—快速、稳健及准确性。在有多层电离层结构时，该算法采用多层QP模型， 探测数据输入方式会改变，这将在另文中作详细阐述。对于电离层变化剧烈的情况，可使用多站联合探测的方式来获取更多的电离层变化信息，对算法进一步改进，加入倾斜及扰动电离层模型，使其适用性更为广泛。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学