2014 年黑龙江漠河站电离层数字测高仪数据集

胡连欢，刘立波，宁百齐，李国主,4，赵秀宽，李来顺，苏振波，岳云龙

1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院地球与行星物理重点实验室，北京 100029

2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京空间环境国家野外科学观测研究站，北京 100029

3. 中国科学院地质与地球物理研究所，漠河地球物理野外科学观测研究站，黑龙江漠河 165303

4. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

5. 国家地球系统科学数据中心地球物理分中心，北京 100029

引 言

电离层是距地面约60-1000 km 范围内被部分电离的地球大气区域，其组成成分包括中性大气粒子、自由电子和离子。电离层中的自由电子和离子，能改变无线电波的传播，使之发生吸收、折射、反射和散射。利用这一特性，采用无线电设备发射无线电波，并接收经电离层传播的无线电波回波，可探测电离层的状态和参数。

电离层垂直探测是电离层观测历史最为悠久、且至今仍发挥重要作用的地面常规探测手段。电离层垂直探测使用的设备称为电离层测高仪，它通过垂直向上发射无线电波，接收经电离层反射的回波信号，测量回波信号强度及时延，得到反射点的高度（虚高）。对于给定的电离层高度，发生反射的无线电波频率与该高度上的电子密度有关，通过扫描频率探测则可实现对不同高度上的电子密度的探测，探测获得的原始回波数据称为电离层频高图。对电离层频高图进行相应的信号处理和参数度量，提取得到电离层的特征参数，并进一步反演计算得到电离层不同高度上的电子密度剖面。

电离层测高仪数据广泛应用于电离层空间天气学和气候学研究，如电离层的太阳活动依赖[1-3]、磁暴期间的电离层响应[4-6]、特殊事件（日食、地震、闪电、台风）的电离层效应[7-10]、行进式电离层扰动[11]、电离层特殊结构（F3 层、超强Es）[12-13]、电离层不均匀体[14-16]、电离层时空异常[17-18]等方面。除了用于电离层特性研究之外，电离层测高仪观测数据还常用于建立电离层经验模式[19]和验证其他观测手段和理论模式[20-22]。

为了监测研究地球空间环境特性，子午工程在我国大陆和极区共建成了5 台电离层数字测高仪，分布在黑龙江漠河（中国科学院地质与地球物理研究所）、北京昌平（中国电波传播研究所）、湖北武汉（中国科学院地质与地球物理研究所）、海南儋州（中国科学院国家空间科学中心）和南极中山站（中国极地研究中心），形成了一条电离层数字测高仪监测链[23]。在这些台站中，使用的电离层垂测设备均为DPS4D 电离层数字测高仪，该设备由美国马萨诸塞大学洛厄尔分校大气研究中心研制。2004-2008 年间，马萨诸塞大学洛厄尔分校大气研究中心在该单位原有Digisonde 系列电离层测高仪基础上升级研制出DPS4D 电离层数字测高仪[24]。该设备在保留了原Digisonde 系列电离层测高仪的基本工作方式和功能之外，进行了一系列关键的硬件和软件升级，包括最新的数字射频芯片、嵌入式计算机和最新版本的频高图自动度量标定软件ARTIST5。特别是该设备采用了数字发射机和数字接收机，将原来由模拟电路实现的射频收发功能升级为数字电路实现[25]。该设备是目前国际公认的技术先进的电离层垂测设备，在全球几十个观测站点得到使用[26]。

该设备的性能指标主要包括：

工作频率范围：0.5-30 MHz

脉冲重复频率：100 Hz 或200 Hz

峰值发射功率：双通道各150 W

探测高度范围：80-1200 km

探测高度间隔：2.5 km

探测频率步进：25 kHz，50 kHz，100 kHz

漠河站隶属于中国科学院地质与地球物理研究所，是我国最北端的地球物理综合观测台站，对于监测来自高纬的空间环境扰动传播和研究中纬空间物理区域特性有着重要作用。漠河站DPS4D 电离层数字测高仪建成于2010 年9 月，至今已运行10 年。本文选取2014 年的电离层频高图数据和电离层参数数据为代表，介绍漠河站DPS4D 电离层测高仪观测数据的格式、内容和使用方法，同时也可作为子午工程其他台站电离层测高仪数据使用的参考。

1 数据采集和处理方法

漠河站DPS4D 电离层数字测高仪的硬件组成包括发射天线、接收天线和主机。发射天线采用正交双通道的三角形天线，天线塔高30 米，水平跨距50 米。接收天线阵由4 个单独的正交环形天线组成，4 个天线分别位于边长60 米的等边三角形的顶点和中心。天线具体形式见DPS4D 电离层数字测高仪操作手册[25]。DPS4D 电离层数字测高仪以全自动方式工作，利用双通道发射天线垂直向上发射扫频无线电波，利用接收天线阵接收电离层反射回波，测量电离层反射回波的强度和到达接收机的时间延迟，获得各频率点电离层虚高随频率的变化图，即电离层频高图。基于得到的电离层频高图数据，采用内嵌的自动度量分析软件ARTIST5，度量得到电离层参数数据，通过反演虚高积分方程获得电离层峰下电子密度剖面。

1.1 电离层频高图数据

电离层频高图数据是电离层数字测高仪观测所生成的原始观测数据。漠河站DPS4D 电离层数字测高仪全天24 小时自动观测。常规观测模式下，每15 分钟进行一次电离层垂直探测，每次探测耗时约2 分钟。其余时间执行硬件自检、通道检测或待机。在加密观测模式下，每5 分钟进行一次电离层垂直探测。

实际探测中，漠河DPS4D 电离层数字测高仪白天探测频率范围1-14 MHz，夜间探测频率范围0.5-10 MHz，采样高度范围80-1280 km。DPS4D 电离层数字测高仪采用较低的发射功率，通过相位编码、脉冲压缩和脉冲相干叠加的方法提高回波信噪比。观测中漠河DPS4D 电离层数字测高仪在每一个频点上发射宽度为533 μs 的16 位互补码脉冲，采用16 次相干累加，以较低发射功率获得较好的回波信噪比和高度分辨率。DPS4D 电离层数字测高仪除了能测量每个采样高度上发射的信号幅度外，还可获得信号相位、极化、多普勒频移和到达角等多种参数，从而实现对电离层结构与运动特征等信息的监测。

每扫频探测一次，DPS4D 电离层数字测高仪生成一个RSF 格式的电离层频高图数据文件。常规观测模式下，每天产生96 个RSF 格式的电离层频高图数据文件；加密观测模式下，每天产生288 个RSF 格式的电离层频高图数据文件。

1.2 电离层参数数据

电离层参数数据是由原始电离层频高图数据经电离层数字测高仪内嵌的度量分析软件处理得到的数据产品。采用计算机进行电离层频高图的实时度量分析是一项具有挑战性的工作，需要有一套人工视觉感知模型进行综合分析和描述，提取有用的电离层回波特征。美国马萨诸塞大学洛厄尔分校大气研究中心开发了实时电离层频高图度量反演软件ARTIST5，作为DPS4D 电离层数字测高仪内嵌的实时分析软件，有着较好的数据分析效果。ARTIST5 软件度量电离层频高图的流程包括：（1）根据电离层频高图回波情况，自适应地选择合适的信号门限去除电离层频高图中的背景噪声；（2）对电离层频高图进行边缘检测，将回波数据进一步压缩，保留强弱信号的边缘部分；（3）利用人工神经网络技术将检测的边缘回波连接形成电离层频高图描迹；（4）识别不同分层的电离层描迹及其多次回波，得到电离层的各种特性参量，如电离层E 层、F1 层、F2 层和Es 层临界频率；（5）采用NHPC 反演算法对电离层描迹进行偏移切比雪夫多项式拟合，反演得到电离层底部电子密度剖面；（6）基于电离层底部电子密度剖面，给出外推的电离层顶部电子密度剖面[27]。

每一次探测生成的RSF 格式的电离层频高图数据文件，经过度量分析将得到一个对应时刻的SAO 格式的电离层参数数据文件。常规观测模式下，每天产生96 个电离层参数数据文件；加密观测模式下，每天产生288 个电离层参数数据文件。

2 数据样本描述

2.1 电离层频高图RSF 数据

RSF 格式的观测数据，在DPS4D 电离层测高仪操作手册[25]中有详细说明，本文简要列出关键信息。

电离层频高图实际上是电离层反射回波信息（幅度、相位、多普勒频移）随频率-高度变化的二维矩阵。图1 为用SAOExplorer 软件显示的一个电离层频高图观测数据文件。观测时间为2014 年3月26 日01:10UTC（世界时），横轴为探测频率，纵轴为高度，图中曲线为电离层反射回波的描迹。其中红色曲线为电离层寻常波（O 波），绿色曲线为非寻常波（X 波）。电离层频高图中除了记录到了电离层一次回波之外，还记录到了二次回波和三次回波。

图1 漠河站电离层频高图数据示例

RSF 格式的电离层频高图数据为二进制格式，它由多个4096 字节的数据块组成，数据块之间依次排列（如图2）。每一个数据块前60 个字节为数据文件头，文件头定义了电离层测高仪观测的基本参数，包括观测时间、台站代号、起始频率、结束频率、频率步进、起始采样高度、采样高度间隔、采样高度数量、脉冲重复频率、相干叠加次数等。

文件头之后是实际的数据段，具体数据结构如图3。数据段按照频率从起始频率至结束频率顺序排列。每个频率数据中包含寻常波（O 波）和非寻常波（X 波）两种极化的数据。对于每一种极化，首先是6 个字节的前导信息，表示了频率和极化等信息，后续为从起始高度至结束高度的所有回波数据。每个高度上的回波数据信息为2 个字节，其中回波幅度（长度5bit）和多普勒（长度3bit）占用1 个字节，相位（长度5bit）和方位角（长度3bit）占用1 个字节。不同探测频率上的数据按上述结构依次排列，因此，电离层频高图观测数据实际上是电离层回波幅度、多普勒、相位和方位角随频率和高度变化的二维矩阵。

图2 RSF 格式电离层频高图数据结构

图3 RSF 格式电离层频高图数据段存储结构

2.2 电离层参数数据

电离层参数数据以SAO 格式保存。马萨诸塞大学洛厄尔分校大气研究中心网站提供了SAO 格式的详细说明[28]，本文简要列出常用的参数信息。

SAO 是标准存档输出的缩写。SAO 格式实际上是一个文本格式，数据内容按照规定的字符长度连续存放，每一行不超过120 个字符，缺数标记为9999.000。SAO 数据文本分为数据指数和度量提取的分组参数两个部分。SAO 数据文本起始两行为数据指数，明确了后续的度量提取的分组参数的有无和长度。度量提取的分组参数共分为60 组，包含不同类型的参数，如台站信息和探测时间、自动度量的电离层特征参数、电离层不同高度层次（E 层、F1 层、F2 层）的回波描迹（虚高、幅度、多普勒、频率）和反演的电子密度剖面等。限于篇幅，表1 列出SAO 格式的数据中常用的部分分组参数及其说明。这些分组参数中地球物理参数、探测时间和度量的电离层特征参数为必存项。度量的电离层不同高度层次（E 层、F1 层、F2 层）的回波数据中，虚高和频率为必存项。由于数据分组中存在必存项和选存项，SAO 格式的电离层参数数据文件大小将随实际观测的电离层频高图数据情况变化。

表1 SAO 格式的电离层参数数据中部分分组参数列表

图4 给出了一个SAO 格式电离层参数文件的实例，图左侧标注了每一分组数据的含义。从图中可以得知，该文件内容显示观测设备型号为DPS4D，站点URSI 代码为MH453，站点名称为Mohe（漠河），观测日期为2014 年3 月26 日0:00UTC（世界时）。本实例中度量的49 个特征参数包括电离层F2 层临界频率为9.425 MHz，电离层描迹起始频率为1.45 MHz，Es 临界频率为2.95 MHz，F层最小频率为3.05 MHz，E 层临界频率为2.81 MHz。自动度量结果中只包含F2 层回波和E 层回波，没有F1 层回波。

图4 SAO 格式电离层参数文件示例

图5 漠河站2014 年3 月26 日电离层参数变化图

图5 给出了漠河站2014 年3 月26 日（世界时）的电离层参数变化图。上、中、下3 个子图分别是电离层临界频率（foF2）、电离层峰值高度(hmF2)和电离层电子密度剖面在24 小时的变化图。这3 类参数均表现出明显的日变化：在漠河站，电离层临界频率白天较高，夜间较低；电离层峰值高度则是夜间较高，白天较低。除了较长时间尺度的日变化之外，电离层临界频率和峰值高度均还表现出短时的扰动变化。

3 数据质量控制和评估

电离层测高仪的观测数据质量取决于观测环境和设备运行状况。漠河站电磁环境良好，台站技术人员定期检查维护DPS4D 电离层数字测高仪主机和室外收发天线，配备不间断电源，准备充足的备品备件，并根据漠河地区电离层状况，针对性地设置了DPS4D 电离层数字测高仪的工作参数。这些措施确保了漠河站DPS4D 电离层数字测高仪处于良好的运行环境和工作状态，实现了设备的长期稳定工作，保证了原始电离层频高图数据的质量和连续性。以2013 年全年观测数据为例，统计表明，漠河站该年全部电离层频高图数据可标定率达95%[29]。

根据子午工程2014 年度观测计划，漠河站DPS4D 电离层数字测高仪2014 年共开展了294 天常规观测，71 天加密观测，应获取电离层频高图数据文件和电离层参数数据文件共计97 344 个。实际运行中，除了少量的短时设备维护停机导致数据缺失外，漠河站DPS4D 电离层数字测高仪全年每天均有观测数据，获取电离层频高图数据文件和电离层参数数据文件共计96 302 个，数据完整率98.9%。

4 数据使用方法和建议

为了便于数据读取和使用，美国马萨诸塞大学洛厄尔分校大气研究中心开发了SAOExplorer 软件（http://ulcar.uml.edu/SAO-X/SAO-X.html），用于显示和度量Digisonde 系列电离层测高仪观测的电离层频高图。

图6 给出了SAOExplorer 软件显示和度量电离层频高图的示例。图6 上半部分是SAOExplorer打开RSF 格式电离层频高图的界面。采用内嵌的ARTIST5 度量反演软件，可初步得到度量的电离层参数和反演的电子密度剖面。在此基础上人工修正自动度量的结果，得到最终的电离层参数和电子密度剖面。图6 下半部分是经过自动度量和人工度量之后叠加了原始电离层频高图、度量的电离层回波描迹和反演的电子密度剖面的数据显示界面。图6 中所示度量的E 层最小频率和临界频率分别为1.60 MHz 和3.15 MHz，Es 层临界频率为3.35 MHz，F1 层的最小频率和临界频率分别为3.35 MHz 和4.50 MHz，F2 层的最小频率和临界频率分别为4.55 MHz 和8.05 MHz。度量的结果可保存为SAO 格式的数据文件，也可导出为文本格式的参数数组便于浏览和读取。

本数据集为2014 年漠河站原始电离层频高图观测数据和自动度量的电离层参数数据。读者如需要使用更长时段的漠河站电离层数字测高仪观测数据，可访问子午工程数据中心（http://data.meridianproject.ac.cn）。此外，在中国科学院日地空间环境观测研究网络支持下，国内多个台站也建成了电离层数字测高仪，人工度量的电离层参数数据可在世界数据中心-中国地球物理学科中心（http://wdc.geophys.ac.cn）浏览和下载。对于全球范围内的电离层测高仪数据资源，读者可使用SAOExplorer 软件连接全球电离层测高仪观测网服务器或其镜像站（北京镜像站链接为：jdbc:firebirdsql://159.226.119.133//ext/db/ib/didb）浏览和下载。

图6 SAOExplorer 软件显示和度量电离层频高图示例

致 谢

本数据论文的完成得到了国家科技基础条件平台- 国家空间科学数据中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和帮助。

数据作者分工职责

胡连欢（1981—），男，湖北武汉人，博士，高级工程师，研究方向为地基电离层探测。主要承担工作：电离层测高仪技术支持与论文撰写。

刘立波（1970—），男，湖南常德人，博士，研究员，研究方向为电离层物理。主要承担工作：论文策划与撰写。

宁百齐（1957—），男，湖南邵阳人，博士，研究员，研究方向为电离层电波诊断。主要承担工作：数据观测过程管理。

李国主（1980—），男，湖南娄底人，博士，研究员，研究方向为低纬电离层探测和不均匀体诊断与机理研究。主要承担工作：数据质量及数据加工过程管理。

赵秀宽（1982—），男，河北南宫人，博士，高级工程师，研究方向为数据共享技术及应用。主要承担工作：观测数据传输。

李来顺（1965—），男，黑龙江漠河人，实验师，方向为电离层地基观测。主要承担工作：电离层数字测高仪观测与数据传输。

苏振波（1971—），男，黑龙江漠河人，助理实验师，方向为电离层地基观测。主要承担工作：电离层数字测高仪观测与数据传输。

岳云龙（1987—），男，黑龙江漠河人，实验员，方向为电离层地基观测。主要承担工作：电离层数字测高仪观测与数据传输。