利用多頻率距離成像法研究電離層散塊E層場列不規則體之精細結構

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姓名

陳帥甫(Shuai-fu Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

利用多頻率距離成像法研究電離層散塊E層場列不規則體之精細結構
(A Study on the Structures of Field-Aligned Irregularities in the Sporadic E Layer Using Multiple-Frequency Range Imaging)

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摘要(中)

本篇論文中為使用赤道大氣雷達來觀測電離層散塊E層，為了探討不規則體之精細結構而選用多載頻模式觀測，使用的五組頻率分別為46.5MHz、46.75MHz、47MHz、47.25MHz以及47.5MHz。五組頻率的回波訊號再透過距離成像法來解析徑向距離上的亮度值分布，即回波強度分布，而本篇論文也是首度在電離層使用距離成像法用以分析不規則體。距離成像法的部分則使用傅立葉法以及Capon法來得出亮度值，而亮度圖可能因為雷達訊號在介質中傳遞時產生相位延遲，以及距離權重函數造成的影響，使得亮度圖產生明顯斷層而無法辨識回波訊號。文中說明如何校正才能得出可辨識回波訊號的亮度圖。此次研究之中希望透過距離成像法得到的亮度值，能夠與以往的距離-時間-強度回波圖在解析度上獲得改善。而本次觀測為選用16位元的互補碼加碼觀測，可能由於雷達系統發射互補碼時有些微振幅擾動，或者因為目標物的變動而造成振幅些微改變，導致在解碼過程之中無法將旁波瓣完全消除，造成在亮度圖上還是有少數不連續的部分。為此探討其中的問題而進行互補碼16碼模擬在雷達系統本身或者目標物變動所造成的振幅變動。

摘要(英)

In order to investigate the fine structure of irregularities in sporadic E-layer (Es-layer), the Equatorial Atmosphere Radar (EAR) was employed in this study. Five transmitter frequencies were used: 47.0MHz, 47MHz ± 250 kHz and ± 500 kHz. With the data collected from the five frequencies, range imaging was applied to give the brightness distribution (i.e. echo intensity distribution) in the range direction. This thesis is the first study to observe the plasma irregularities in the E-layer by using range imaging. Brightness values can be derived by Fourier method and Capon method. However, the range-time-brightness distribution shows remarkable gaps between range gates, which could be caused by the time delay of the signal in the media and radar system, and range weighting effect. The correction processing to mitigate the gaps of brightness distribution will be carried out in this thesis. The purpose of this research is to improve the range resolution of the radar echo. Moreover, 16 bits complementary codes were used in this observation. And the sidelobes echoes due to the decoding mechanisms appeared occasionally. The sidelobe echoes might be caused by the amplitude perturbations during coding-decoding processing, and/or the fast variations of targets. 16 bits complementary codes were investigated in the simulation to discuss these phenomenon of sidelobe echoes.

關鍵字(中)

★ 距離成像法
★ 電離層

關鍵字(英)

★ Range Imaging
★ E

論文目次

摘要 …………………………………………………………………………………………………………………………….….i
Abstract ……………………………………………………………………………………………………………………………… ii
致謝 ………………………………………………………………………………………………………………………………iii
目錄 ………………………………………………………………………………………………………………………………iv
圖目錄 ………………………………………………………………………………………………………………………………vi
表目錄 ………………………………………………………………………………………………………………………..……xv
第一章前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 赤道大氣雷達(Equatorial Atmosphere Radar)簡介 2
第二章基礎理論 10
2.1電離層散塊E層產生原因及特性 10
2.2 散塊E層公尺級自由電子密度不規則體產生機制 12
2.2.1 雙流不穩定機制 12
2.2.2 梯度漂移不穩定機制 14
2.3 多載頻與多接收機之雷達三維成像技術 16
2.4 距離成像法 18
2.5 脈波雷達與距離權重函數 20
2.6 距離權重函數與高斯函數之誤差與比較 22
第三章雷達資料取得與處理 26
3.1 雷達參數設定 26
3.2 回波訊號資料介紹 27
3.2.1 回波訊號頻譜 28
3.2.2 利用動差法(Moment Method)分析回波頻譜特性 29
3.2.3 距離-時間-回波功率圖 32
3.2.4 距離成像法之亮度函數 35
第四章距離成像分析校正 37
4.1 資料分析校正 37
4.2 距離延遲校正 38
4.3 距離權重效應之校正 42
第五章觀測結果分析與討論 45
5.1 場沿不規則體的距離變化率與都卜勒速度之關係 45
5.2雷達系統加碼與解碼過程 49
5.3 互補碼與目標物變動之模擬 52
5.3.1 互補碼之振幅變動模擬 52
5.3.2 互補碼與局部化目標物變動造成振幅變動之模擬 61
5.3.3 目標物速度較快造成振幅變動之模擬 67
第六章結論與未來展望 73
6.1 結論 73
6.2 未來展望................................................................................................................. 75
參考文獻 76
附錄…………………………………………………………………………………………………………………………………….78

參考文獻

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〔14〕陳冠廷，「全球電離層散塊E層特性之研究：風切理論的探討」，國立中央大學太空科學研究所，碩士論文，2013。
〔15〕陳振雄，「應用特高頻陣列雷達三維成像技術於重建大氣亂流之空間結構」， International Journal of Science and Engineering Vol.4 No.1(2014):87-90,2014.

指導教授

朱延祥、陳振雄(Yen-Hsyang Chu Jenn-Shyong Chen)

審核日期

2016-1-27

推文