【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電離層電波傳播領域，特別涉及該領域中的一種基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法。
技術介紹
1、電離層行進式擾動(travelling?ionospheric?disturbance,tid)是一種常見電離層擾動形式，廣泛存在于電離層中。tid表現為波狀不均勻結構，常用特征波長、速度和周期等參數來表示。tid按照波長劃分，可以分為小尺度(小于100km)、中尺度(100～1000km)和大尺度(大于1000km)三類。tid導致的電離層電子密度擾動將改變短波傳播特性，嚴重影響短波通信系統最優工作頻率預測準確率，以及天波超視距雷達坐標配準計算精度等。
2、目前一般利用射線追蹤技術來研究背景電離層短波傳播效應，即利用射線理論近似，忽略由不均勻結構引起的繞射(衍射)和干涉等效應，僅考慮了電波折射效應。短波射線追蹤可給出短波在電離層－地海面間射線路徑，但無法數值計算電波場強分布及路徑傳播損耗。當電離層存在中小尺度不均勻結構時，僅考慮折射效應的短波射線理論不再適用。對遠距離短波傳播而言，菲涅耳尺度約為10km量級。因此，發生中小尺度的tid時，除折射外，短波傳播繞射及干涉效應不可忽略。另一方面，嚴格求解波動方程的數值計算方法，如時域有限差分方法(finite?difference?time?domain，fdtd)可以準確評估不均勻體發生時短波傳播效應。然而，該數值方法要求較高的空間采樣，即一個波長內需劃分10-20個計算單元，無法應用于大區域場景短波傳播計算。根據波動方程前向散射近似而來的
技術實現思路
1、本專利技術所要解決的技術問題就是提供一種基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法。
2、本專利技術采用如下技術方案：
3、一種基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其改進之處在于，包括如下步驟：
4、步驟1，背景電離層產生：
5、利用國際參考電離層模型iri，設置參數，獲得背景電離層電子密度分布n0，也就是無擾動條件下背景電離層電子密度分布n0；
6、步驟2，tid模型建立：
7、tid模型為：
8、n＝n0(1+δ)
9、上式中，n為tid發生時，總的電子密度；△為擾動項；
10、
11、上式中，δ為tid幅度；z為距地面高度；z0為最大擾動幅度高度；h為標高；t為傳播時間；t0為初始時刻；t為周期；x為水平方向距離；λx為水平方向波長；λz為垂直方向波長；
12、步驟3，tid折射指數計算：
13、電離層電波折射指數n為：
14、
15、上式中，為等離子體頻率，f為入射波頻率，z＝υe/2πf，電子的碰撞頻率為υe＝υen+υei，υen為電子與中性氣體的碰撞頻率，υei為電子與離子的碰撞頻率；i為虛數單位；
16、υen及υei分別為：
17、
18、上式中，ne是n0加上擾動后總的電子密度，[n2]、[o2]和[o]分別為中性成份氮氣、氧氣和氧原子濃度，te為電子溫度；
19、步驟4，拋物方程寬角近似：
20、由波動方程近似得到前向傳播的單向拋物方程：
21、
22、上式中，u(x,z)為波幅度函數，k0為入射波波數，k0＝2πf/c，c為光速常數，q為微分算子，定義為：
23、
24、利用feit-fleck近似，對微分算子q進行展開，得到feit-fleck型寬角拋物方程：
25、
26、步驟5，分步傅立葉數值求解：
27、feit-fleck型寬角拋物方程的數值解為：
28、
29、上式中，im表示取折射指數n的虛部，re表示取折射指數n的實部，△x為x軸方向步進長度，p＝k0sin(θ)為角譜域變量，θ為電磁波與水平方向的夾角，為傅立葉逆變換，為傅立葉反變換，地面近似為理想導體表面，在水平極化條件下，有u(x,0)＝0；
30、步驟6，路徑傳播損耗計算：
31、把高斯波束輻射源等效為全向輻射源，設不存在系統損耗，并考慮自由空間損耗，路徑傳播損耗為：
32、l(x,z)＝32.4+20lg(f)+20lg(x)+10lg(2π)-10lg(f2)
33、上式中，f為傳播因子，與波幅度u(x,z)之間關系為：
34、f2＝x|u(x,z)|2λ
35、上式中，λ為入射波波長；
36、設發射源為高斯型波束，則初始場為：
37、
38、上式中，a為歸一化常數，β為半功率高斯波束寬度，zs為波束高度，θ0為波束仰角。
39、進一步的，在步驟1中，設置的參數包括年份、月份、世界時、經度、緯度以及高度。
40、進一步的，在步驟2中，δ＝0.3，t＝10小時，t＝12時，t0＝0時，h＝150km，z0＝250km，z范圍為0-500km，x范圍為0-3000km，λx＝80km，λz＝60km。
41、進一步的，在步驟3中，f取20mhz。
42、進一步的，在步驟5中，△x＝1km。
43、進一步的，在步驟6中，β＝5°，zs＝5m，θ0＝25°。
44、本專利技術的有益效果是：
45、對于短波通信、天波超視距雷達等短波系統而言，電離層發生tid時，電波折射、繞射、干涉等效應顯著，嚴重影響短波系統工作性能。本專利技術所公開的計算方法，考慮了電離層tid時短波前向傳播時折射、繞射及干涉效應，不僅可以計算短波覆蓋范圍，亦可計算短波場強分布及路徑傳播損耗，優于傳統短波射線追蹤算法。借助拋物方程分步傅立葉算法，克服幾何光學近似無法計算電波場強及傳播損耗的不足，可為短波通信、雷達等系統設計以及運行等提供技術支撐。
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1.一種基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟1中，設置的參數包括年份、月份、世界時、經度、緯度以及高度。
3.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟2中，δ＝0.3，T＝10小時，t＝12時，t0＝0時，H＝150km，z0＝250km，z范圍為0-500km，x范圍為0-3000km，λx＝80km，λz＝60km。
4.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟3中，f取20MHz。
5.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟5中，△x＝1km。
6.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟6中，β＝5°，zs＝5m，θ0＝25°。
【技術特征摘要】
1.一種基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟1中，設置的參數包括年份、月份、世界時、經度、緯度以及高度。
3.根據權利要求1所述基于寬角拋物方程的電離層行進式擾動短波傳播效應數值計算方法，其特征在于：在步驟2中，δ＝0.3，t＝10小時，t＝12時，t0＝0時，h＝150km，z0＝250km，z范圍為0-500...
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐彤，胡艷莉，孫樹計，胡冉冉，劉文龍，朱夢言，孫鳳娟，班盼盼，陳春，
申請(專利權)人：中國電波傳播研究所中國電子科技集團公司第二十二研究所，
類型：發明
國別省市：
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