電離層運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)意義

目前，對(duì)電離層運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)還不夠深刻，現(xiàn)有的電離層動(dòng)力模式還不能滿意地描述電離層運(yùn)動(dòng)的平均形態(tài)。由于電離層運(yùn)動(dòng)直接影響電離層的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與變化，激發(fā)電離層不均勻結(jié)構(gòu)和等離子體不穩(wěn)定性，對(duì)人類活動(dòng)，特別是地面和空間無線電系統(tǒng)，產(chǎn)生不可忽略的影響。因此，不斷完善電離層動(dòng)力模式，闡明各種運(yùn)動(dòng)形式的物理特性，并對(duì)電離層中一些暫態(tài)動(dòng)力過程進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)都具有實(shí)際意義。

電離層運(yùn)動(dòng)的主要形式有：

盛行風(fēng) 　中層大氣環(huán)流的上延部分，它是低電離層中的主要風(fēng)系。由于低電離層中碰撞頻率很高，大氣中性成分與電離成分一道運(yùn)動(dòng)。

大氣湍流 　低電離層中的主要運(yùn)動(dòng)形式。中層大氣的湍流運(yùn)動(dòng)由下向上一直延伸到120公里,導(dǎo)致電離層中出現(xiàn)不均勻電離結(jié)構(gòu)。

大氣行星波 　又叫長(zhǎng)波，是發(fā)生在中層大氣以下的周期大于一天的大氣波動(dòng)。通常認(rèn)為，20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的平流層增溫現(xiàn)象和電離層吸收的冬季異?，F(xiàn)象之間的聯(lián)系，與低層大氣行星波有關(guān)。

熱層風(fēng) 　上部電離層的主要風(fēng)系。在熱層中，太陽(yáng)輻射使日照半球的大氣加熱，溫度最高與最低點(diǎn)分別出現(xiàn)在地方時(shí)約15點(diǎn)和04點(diǎn)的赤道上空。溫差引起的大氣壓力的水平梯度，使大氣從高溫區(qū)向低溫區(qū)運(yùn)動(dòng)。即熱層風(fēng)的基本方向是：跨過南北兩極，由向陽(yáng)面吹向背陽(yáng)面，在中緯地區(qū)，上午有西向分量，上半夜有東向分量。離子拖曳使白天速度低于夜間速度，地球自轉(zhuǎn)使風(fēng)速矢量每天轉(zhuǎn)動(dòng)一周。在地磁場(chǎng)洛倫茲力作用下，向赤道的熱層風(fēng)使等離子體向上運(yùn)動(dòng)至復(fù)合較慢的地方，從而使該處電離密度增大；向兩極的熱層風(fēng)使等離子體向下運(yùn)動(dòng)至復(fù)合較快的地方，使電離更快地消失。因此，熱層風(fēng)影響F層電離的分布和變化。

大氣潮汐運(yùn)動(dòng) 　電離層中的一種運(yùn)動(dòng)形式。E層參量變化的統(tǒng)計(jì)分析表明：這里存在較弱的太陰半日潮汐運(yùn)動(dòng)，是月球?qū)Υ髿獾囊ψ饔眉ぐl(fā)的。關(guān)于太陽(yáng)潮汐運(yùn)動(dòng)，情況比較復(fù)雜，因?yàn)楹茈y把太陽(yáng)引力作用、日照加熱作用和大氣層固有振蕩的諧振作用一一區(qū)分開來。因此，通常把周期為24小時(shí)或其整倍數(shù)的周期性大氣運(yùn)動(dòng)，不管其中引力作用的大小，都叫做太陽(yáng)潮汐運(yùn)動(dòng)。

低電離層中的太陽(yáng)潮汐運(yùn)動(dòng)，是臭氧層中的臭氧吸收和對(duì)流層中的水汽吸收對(duì)大氣的加熱作用激發(fā)的。根據(jù)雷達(dá)對(duì)流星的觀測(cè)，在85～100公里的高度上,在東西向的盛行風(fēng)系之上，疊加著一個(gè)幅度與盛行風(fēng)差不多的太陽(yáng)半日潮汐運(yùn)動(dòng)。有時(shí)還觀測(cè)到周期為 8小時(shí)的潮汐分量。在低層大氣中，太陽(yáng)周日潮很弱，因?yàn)樗拇怪辈ㄩL(zhǎng)很短?！≡?110公里附近的電離層發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)，存在較強(qiáng)的水平的太陽(yáng)周日潮汐運(yùn)動(dòng)，它的能量只沿水平方向傳播。這種潮汐運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)源可能是該高度上氧分子對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收。它的存在主要是由地面地磁場(chǎng)變化的觀測(cè)資料間接證實(shí)的。因?yàn)樵陔婋x層發(fā)電機(jī)區(qū)水平方向的電導(dǎo)率很高，大氣運(yùn)動(dòng)引起很強(qiáng)的電場(chǎng)和電流（見電離層的發(fā)電機(jī)效應(yīng)）。

聲重波 　電離層中一種很重要的大氣波動(dòng)過程。在相鄰不太遠(yuǎn)的各電離層垂直探測(cè)站的頻高圖上，它表現(xiàn)為一種行波型擾動(dòng)，稱為電離層行進(jìn)式擾動(dòng)，記為 TID。通過對(duì)電離層漂移的長(zhǎng)期無線電觀測(cè),現(xiàn)已確認(rèn),它的物理本質(zhì)是大氣層中的一種波動(dòng)過程，叫大氣聲重波。這種波動(dòng)的高頻部分叫聲重波的聲波分支，它是低頻次聲波，振動(dòng)恢復(fù)力主要是空氣的絕熱壓縮和膨脹。這種波動(dòng)的低頻部分叫聲重波的重力波分支，振動(dòng)恢復(fù)力主要是氣團(tuán)偏離其流體靜力平衡位置時(shí)的浮力和重力。由于重力作用,以自由波形式傳播的聲重波是各向異性的,群速矢量和相速矢量之間的關(guān)系式，與通常的波動(dòng)過程很不相同，如能量向上傳播的重力波，其等相面是向下傳播的，這是重力波的一種重要特性。潮汐運(yùn)動(dòng)可看成是一種頻率特別低以致不能忽略科里奧利力影響的重力波。電離層中的大尺度電離層行進(jìn)式擾動(dòng)和中尺度電離層行進(jìn)式擾動(dòng)也屬重力波，但短周期的電離層擾動(dòng)屬聲波分支。

極區(qū)粒子沉降和極區(qū)電急流的焦耳加熱作用，在極區(qū)電離層中激發(fā)短周期聲重波。赤道電急流的反向，在赤道上空激發(fā)聲重波，以弓形激波形式向赤道兩測(cè)傳播。電離層中激發(fā)的聲重波向下傳播至地面，有時(shí)可用微壓計(jì)檢測(cè)出來。

大尺度電離層行進(jìn)式擾動(dòng)是磁層擾動(dòng)期間的極區(qū)電急流激發(fā)的，是暴日電離層擾動(dòng)的一種重要形式，它的主要特征是：水平地向赤道方向傳播，速度為400～700米/秒，周期為半小時(shí)至幾小時(shí)；衰減較小，傳播上千公里后波形變化不大；東西方向的水平尺度長(zhǎng)達(dá)一兩千公里。

中尺度電離層行進(jìn)式擾動(dòng)，周期一般為十幾分鐘至三十多分鐘,水平尺度一般為一、二百公里,典型速度為100～300米/秒。它的擾動(dòng)源一般是在近地面和低層大氣中，如核爆炸、雷暴、臺(tái)風(fēng)和地震、火山爆發(fā)等。對(duì)這種能量向上傳播的重力波來說，整個(gè)大氣層好像是個(gè)振幅放大器、頻率濾波器和傳播方向選擇器。因此，近地面源激發(fā)的中尺度重力波，多數(shù)不能傳播到特定的電離層區(qū)域，而到達(dá)的往往呈圖像清晰的波列，信雜比很高，容易用無線電方法檢測(cè)出來。通過重力波射線追跡計(jì)算，可以對(duì)地面源進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視。人們預(yù)計(jì)用這種方法有可能對(duì)龍卷風(fēng)等自然災(zāi)害現(xiàn)象事先發(fā)出警告。

電離層運(yùn)動(dòng)與中性大氣運(yùn)動(dòng)在物理特性上有很大不同。電離層大氣是部分電離的，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)一方面受大氣中性成分運(yùn)動(dòng)的控制，另一方面還受電磁場(chǎng)的作用，以致電離層中不同大氣成分的運(yùn)動(dòng)互不相同。但是，通過極化電場(chǎng)的作用以及中性分子與離子的相互碰撞，不同成分的運(yùn)動(dòng)又相互制約與聯(lián)系。

電離層對(duì)星載SAR特別是高分辨率、寬帶SAR的性能影響近年來已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一，目前我國(guó)在這一研究領(lǐng)域研究較少。及時(shí)開展該領(lǐng)域的研究，對(duì)我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展星載SAR系統(tǒng)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文首先簡(jiǎn)要介紹了電離層的概況及其影響到信號(hào)傳播的一些重要參數(shù)。接著分別基于高斯包絡(luò)和矩形包絡(luò)線性調(diào)頻信號(hào)，深入分析了電離層對(duì)星載SAR系統(tǒng)的影響機(jī)理，并給出相關(guān)的定量表達(dá)式。文中主要研究了電離層的三種影響：信號(hào)經(jīng)過電離層傳播的群延遲引起的成像偏移；電離層的色散效應(yīng)給線性調(diào)頻信號(hào)帶來二次相位誤差，導(dǎo)致圖像退化、失真；以及電離層的閃爍、湍流等不規(guī)則性引起的信號(hào)相位起伏。在此基礎(chǔ)上，比較分析了不同波段、帶寬條件下電離層的影響。結(jié)果表明，在信號(hào)頻段較低、帶寬較大的情況下，電離層的影響不容忽視，必須加以校正。本論文介紹了兩種校正方法：利用加權(quán)函數(shù)抑制色散效應(yīng)引起的二次相位誤差，以及使用相位梯度自聚焦算法較正由電離層的不規(guī)則性引起的信號(hào)相位起伏。最后，根據(jù)前面的分析，使用CS成像算法針對(duì)L-SAR進(jìn)行了電離層影響的模擬研究。模擬結(jié)果表明，電離層引起的相位起伏對(duì)成像影響較大，校正后可得到比較滿意的結(jié)果。

電離層中的自由電子在電場(chǎng)的作用下，其運(yùn)動(dòng)方式是隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)與有規(guī)則的振動(dòng)相疊加。在與其它較重粒子碰撞時(shí)，其振動(dòng)動(dòng)能由被撞的粒子吸收，而這種動(dòng)能是由對(duì)電子施力的電磁場(chǎng)能流轉(zhuǎn)化而來，因此碰撞使電磁波受到吸收衰減。在D層，由于大氣密度高，碰撞頻率約有8×107次/秒。在F層，除在太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)（熱騷動(dòng)）以外，其碰撞幾乎可以忽略。電離層中自由電子的運(yùn)動(dòng)還受地磁場(chǎng)的影響。電子熱運(yùn)動(dòng)的軌跡并不是直折線。在電離層中有外電磁場(chǎng)作用時(shí)，由于電離程度弱，電荷之間的相互作用以及電磁波中的磁場(chǎng)對(duì)電子的作用都相對(duì)很弱，決定電子有規(guī)運(yùn)動(dòng)的力來自電磁波的電場(chǎng)和地磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)力的方向正交于地磁場(chǎng)與電子速度所共的平面，使電子隨時(shí)得到橫向加速度，因而電子的有規(guī)振動(dòng)不與電場(chǎng)共直線，于是等效電極化強(qiáng)度矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度矢量不平行。電離層在地磁場(chǎng)影響下成為磁旋各向異性媒質(zhì)。電離層的等效折射率具有雙值n1、n2，且與波的傳播方向和地磁方向的夾角有關(guān)，在n1、n2，都是實(shí)數(shù)的情況下，n1