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研究生: 賴育磊
Yu-Lei Lai
論文名稱: 高頻地波雷達電離層回波分析
指導教授: 朱延祥
Yen-Hsiang Chu
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 地球科學學院 - 太空科學與工程學系
Department of Space Science and Engineering
論文出版年: 2024
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 124
中文關鍵詞: 高頻地波雷達電離層不規則體電離層散塊E層
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  • 在過去的研究中,注意到高頻地波雷達觀測到電離層的回波,其中來自電離層Es層的回波有時會出現類似項鍊形狀的U型回波,本研究主要內容為對2020年6月29日、9月1日、9月2日以及9月5日觀測到的U型回波進行分析,並與其他觀測儀器的結果進行比對。
      首先,假設U型回波的成因是由於發射波被電離層Es層直接反射或散射,而非多路徑反射等其他原因造成。以此假設為基礎,利用二次曲線擬合來以數學的方式描述U型回波,並建立一套算式來大致計算電離層Es層的水平速度、垂直速度與高度。在進行二次曲線擬合過程中,嘗試了兩種不同篩選資料方法,分別是用FACS與Cross spectrum來過濾資料,以及用FACS過濾後,再計算各頻率的最大差值,並用DBSCAN篩選。比較兩種方法擬合並計算的結果,發現FACS & Cross spectrum方法計算出的水平速度與高度大致大於FACS & DBSCAN方法的計算結果,而垂直速度的數值分布兩者較為接近,並且FACS & Cross spectrum與FACS & DBSCAN方法的計算結果皆呈中度相關。
      分別用FACS & Cross spectrum與FACS & DBSCAN方法計算的垂直速度和高度與電離層探測儀觀測並計算得到的垂直速度與高度進行比較。發現雖然電離層探測儀得到的垂直速度與FACS & DBSCAN方法的相關性較高一些。高度方面,兩者比較相關性十分接近,但電離層探測儀的結果與使用FACS & DBSCAN方法的結果十分相似,因此認為FACS & DBSCAN方法會是比較好的擬合方法。利用2020年6月29日的中壢特高頻電離層雷達陣列觀測結果,結合使用FACS & DBSCAN方法計算出的水平速度,可以大致推算出那天的電離層Es層的平均速度為62 m/s,方向為大致為由西向東,為一種嶄新的分析電離層運動及分布的流程。


      In previous studies, it was noted that high-frequency ground-based radar observed echoes of the ionosphere, among which echoes from the Es layer of the ionosphere sometimes exhibited U-shaped echoes. This study primarily analyzes the U-shaped echoes observed on June 29, September 1, September 2, and September 5, 2020, and compares these observations with results from other observation instruments.
    We hypothesize that the cause of the U-shaped echoes is due to direct reflection or scattering of the transmitted wave by the ionospheric Es layer, rather than other phenomena like multipath reflections. Based on this assumption, a quadratic curve fitting method is employed to mathematically describe the U-shaped echoes and establish an equation to roughly calculate the horizontal velocity, vertical velocity, and altitude of the ionospheric Es layer. During the quadratic curve fitting process, two different data filtering methods were attempted: filtering using FACS and Cross spectrum, and filtering with FACS followed by calculating the maximum difference at each frequency and applying DBSCAN for further filtering. Comparing the results of the two methods, it was observed that the horizontal velocity and altitude calculated using the FACS & Cross spectrum method were generally higher than those from the FACS & DBSCAN method, while the vertical velocity values were more consistent between the two, and the results from both methods showed moderate correlation.
    The vertical velocities and altitudes calculated separately using the FACS & Cross spectrum method and the FACS & DBSCAN method were compared with those obtained from ionosonde. It was found that the vertical velocity from the ionosonde showed a higher correlation with the FACS & DBSCAN method. In terms of altitude, the correlation between the two methods was very close, but the results from the ionosonde were very similar to those obtained using the FACS & DBSCAN method. Therefore, it is considered that the FACS & DBSCAN method is the better fitting method.
      Utilizing the observations from the Chung-Li VHF ionospheric array radar on June 29, 2020, combined with the horizontal velocity calculated using the FACS & DBSCAN method, it was estimated that the average velocity of the ionospheric Es layer on that day was 62 m/s, moving roughly from west to east. This provides a new approach for analyzing ionospheric movements and distributions.

    摘要 ii Abstract iii 誌謝 iv 目錄 v 圖目錄 viii 表目錄 xiv 第一章、前言 1 1.1研究動機與論文簡介 1 第二章、實驗儀器簡介 2 2.1陣列式岸基測波儀 2 2.2中壢電離層探測儀 5 2.3中壢特高頻雷達 – 電離層觀測陣列 10 第三章、理論與研究方法 15 3.1電離層散塊 E 層特性與產生機制 15 3.1.1 電離層簡介 15 3.1.2 散塊E層與風切理論 17 3.1.3 電離層電子密度場列不規則體 20 3.2 調頻截斷連續波分析 22 3.2.1 調頻截斷連續波介紹 22 3.2.2 調頻截斷連續波理論模擬 25 3.3 頻率域自適應雜波抑制法(FACS) 30 3.4 DBSCAN聚類分析法 33 3.5 雷達干涉法定位與預設回波區 35 3.5.1 雷達干涉法 35 3.5.2 電離層場列不規則體之預設回波區 37 第四章、雷達資料分析處理 39 4.1 高頻雷達電離層不規則體反射回波擬合 39 4.1.1 模擬電離層反射與二次曲線回波 39 4.1.2 Es層回波篩選 44 4.1.3 U型回波曲線擬合方法 47 4.2 電離層探測儀垂直速度分析 51 4.2.1 自相關分析計算都卜勒速度 51 4.2.2 電離層探測儀垂直速度計算與篩選 52 4.3 特高頻雷達之電離層場列不規則體分析 55 4.3.1 中壢電離層陣列干涉方程式 55 4.3.2 利用預測回波區校正干涉方程式 56 4.3.3 電離層陣列回波資料處理與篩選 63 第五章、結果與討論 68 5.1高頻雷達觀測電離層不規則體之徑向速度分析 68 5.1.1 使用FACS & Cross spectrum 過濾後擬合結果 68 5.1.2 使用FACS過濾並根據強度差值與DBSCAN擬合結果 72 5.1.3 兩種分析法之結果比較 74 5.2高頻雷達與電離層探測儀垂直速度與高度比較 79 5.2.1 FACS & Cross spectrum方法與電離層探測儀結果比較 79 5.2.2 FACS & DBSCAN方法與電離層探測儀結果比較 82 5.3高頻雷達與特高頻雷達水平速度之方向 86 5.4高頻雷達應用雷達干涉法定位電離層 90 5.4.1高頻地波雷達觀測FAI與預設回波區 90 5.4.2 高頻地波雷達干涉方程式 95 5.4.3 比較高頻雷達與中壢特高頻雷達之預設回波區 97 第六章、結論 103 6.1結論 103 6.2未來展望 105 參考文獻 106

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