動態電離層探測儀
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資料簡介

簡介

傳統的電離層探測儀(Ionosonde)探測電離層的方式,是由地面發射機垂直向上發射一系列頻率0.1 MHz至30 MHz的電磁波脈衝訊號至電離層,遇到與發射之電磁波訊號頻率相同的電離層區域時,則會有反射回波傳至地面接收機,此時電離層探測儀可藉由電離層反射回波的資訊,瞭解電離層的物理特性及概況。而動態電離層探測儀(Dynasonde)則是利用了干涉法來量測,例如空間干涉法主要是利用天線陣列的擺設,接收不同回波的相位組合;時間干涉法是利用一個包含4個脈衝(PULSES)的脈衝波組,由後來接收到之脈波減去前面所接收之脈波,得知此脈衝波組的都卜勒頻移。動態電離層探測儀不但可以做整個的回波訊號處理,還可以透過全頻接收器提供對於電磁波偏極化和回波接收的測量。動態電離層探測儀只要利用適合的天線系統則可以測量到許多的回波特性,亦可以達到以下目的和測量:


  • 以最小的硬體成本來得到回波資訊和特性。
  • 即時資料的分析和顯示,必要時能夠自動獲得資料。
  • 控制其他類似的探測儀來達成遠距探測。
  • 描述回波的頻率與虛高的相對關係,並測量回波的振幅、相位、脈衝延遲量、都卜勒頻移、延遲時間量等。
  • 抵達方向、波偏極化和電磁波的其他不規則結構等量測。

動態電離層探測儀最初是由美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)於1970年代晚期研發設計,最初共有六台NOAA Dynasonde散佈於全球各地,日後各地的研發團隊各自發展自己的儀器。在1991年時發展出新一代的操作軟體——FAIS(Frequency Agile Ionospheric System),使得動態電離層探測儀的控制更加容易與人性化。

桃園市中壢區國立中央大學(24.5°N,121.0°E)於1993年設置了一部動態電離層探測儀,由觀測頻率區分屬於中高頻雷達,包含一個發射機、四個接收機(一般動態電離層探測儀均為兩個接收機)、發射天線、接收天線和一部桌上型電腦,操作頻率為0.1MHz至30MHz。因為1 MHz以下的電磁波訊號會被低層大氣所吸收,且需要較長的天線設計,例如以1MHz之訊號波長為300公尺,因此需要150公尺的天線並配合較大的發射功率,因此通常觀測時都是由1 MHz開始。發射機可以重複發射每秒100次寬度60μs的脈衝波,而接收機是屬於兩個波相(Phase)同時到達的匹配-外插式接收機。接收機一共有6根天線,同一時間下只能收4根天線的訊號,因此需要切換器來切換不同天線接收組合。在線性天線的接收控制主要的範圍從30 dB至40dB,主要用來調整脈衝之間為相同的高度,其接收天線的頻寬為3dBm,頻率為33kHz,可量測的虛高範圍約776km。由於脈波組接受序列及相位計算程序的設計,動態電離層探測儀能夠在一脈波組中,獲得所有的電離層參數。且其開放的軟體設計,使動態電離層探測儀能依實驗需要,由我們設計適當的脈波組接受序列和天線陣列的擺放方式。目前動態電離層探測儀的接收天線陣列主要分為X-WERPOLL-WERPOL兩種,WERPOL代表英文”where polarization”,意指具備了估算回波位置和回波極化的能力,中壢動態電離層探測儀中所採用的則是「Chung-Li Crossed-WERPOL」的天線擺設方式。

中壢的動態電離層探測儀是一部能夠提供高精確性的空間及時間量測之全方位數位電離層探測儀,其探測模式主要又可分為兩種,即主動探測(Active sounding)與被動探測(Passive sounding)。其中被動探測模式是用來觀測當地的電離層及中壢上空的無線電波頻率環境(RF environments,頻率範圍從3Hz至300GHz),主動探測模式則能發射高頻無線電波脈衝來做電離層遙測。

中壢動態電離層探測儀的觀測資料以電離圖為主,此外也包含畫出這些電離圖時的數值資料。目前該觀測設備由國立中央大學的蔡龍治教授所領導的電離層探測實驗室所負責維護並提供觀測數據供資料庫提供使用者應用。2008年10月29日以後的電離圖及數值資料可在蔡龍治教授的電離層探測實驗室網站上直接下載。如有相關實驗合作事宜,請各位使用者直接洽詢蔡龍治教授。

儀器設備

中壢動態電離層探測儀硬體設備,如下圖一,包含了一部電腦(其主要的雷達控制操作軟體及資料處理、系統控制卡均安裝於此電腦內部),一個發射機、四個接收機及接收天線(圖二)和發射天線(圖三)。

  • 圖一:一部電腦、一個發射機及四個接收機
  • 圖二:中壢接收天線 - 動態電離層探測儀天線系統成立於2003年夏天,位於中央大學太空遙測中心後方,其接收天線是採用 "Chung-Li Cross-WERPOL" 的方式擺設。右圖是設置和天線的位置圖,而其他的八木天線是屬於中壢雷達站的。
  • 圖三:中壢發射天線 - 建立在接收天線陣列附近(在圖前方地面), 位於中央大學太空遙測中心屋頂。它使用了兩邊的建築物的屋頂。

電腦部分包含一部個人電腦並含有類比-數位轉換(ADC)裝置的數位訊號處理卡(PC32 cards)兩張(兩張卡8個channel可提供四個接收機X+iY實虛部的值)和CRAM card。CRAM card主要為決定訊號在時間上的選擇和雷達設備的控制匯流排,CRAM card是利用DIO bus、TSG bus來控制動態電離層探測儀的雷達系統,接收天線上接收到的類比訊號經由ADC裝置轉為數位訊號的資料後送到PC32的DSP處理器做訊號處理。發射部份,動態電離層探測儀有兩組訊號產生器,一為固定震盪器(local Oscillator)所製造40.625 MHz的固定頻率,另一是由CRAM Card控制的訊號產生器製造40.725~70.625 MHz間的訊號,再和固定震盪器40.625 MHz兩者混合後經一低通濾波器後得到彼此相減的頻率,訊號就以0.1MHz至30MHz送到外部放大器,再由發射天線傳送出去。

資料處理

中壢動態電離層探測儀的觀測資料主要為NetCDF格式數值資料,並且每一天資料存放在以年及朱利安日命名的檔案夾(例如2009.236)中。

每筆資料的個別檔案名稱為xxxxx_yyyydddhhmmss.RIQ.nc,代號解釋如下:

  • xxxxx為HL424或HUALP,分別代表不同的檔案設備。
    前者接收時有發射電波;後者則沒有,純粹接收環境中的訊號。
  • yyyy為西元年份、ddd為julian day、hhmmss為時分秒 (UT)。

NetCDF資料顯示(範例)

資料檔變數說明如下:

freq(kHz) 接收頻率
virtual height (km) 虛高
reprete # 重複發射次數
freq # 接收頻率編號
pulse # 脈衝波波組編號
R1_x 1號接收機x方向的強度。
R1_y 1號接收機y方向的強度
R2_x 2號接收機x方向的強度。
R2_y 2號接收機y方向的強度。
R3_x 3號接收機x方向的強度。
R3_y 3號接收機y方向的強度。
R4_x 4號接收機x方向的強度。
R4_y 4號接收機y方向的強度。
R5_x 5號接收機x方向的強度。
R5_y 5號接收機y方向的強度。
R6_x 6號接收機x方向的強度。
R6_y 6號接收機y方向的強度。
R7_x 7號接收機x方向的強度。
R7_y 7號接收機y方向的強度。
R8_x 8號接收機x方向的強度。
R8_y 8號接收機y方向的強度。

Dynasonde NetCDF 資料(範例)

Dynasonde NetCDF 繪圖程式(下載)

資料下載

起始時間
結束時間
範圍
儀器

預覽

在此提供初步處理後所得的影像檔的資料預覽,分別是原始電離圖和經分析後電離圖,兩者皆是將dynasonde原始資料經過濾除雜訊和分析處理,而得到的圖形。

原始電離圖(以2011年6月2日零時13分3秒為例),表示出探測頻率和虛高間的關係,其中紅色曲線表示代表正常波(O Mode)的反射點虛高,藍色曲線代表異常波(X Mode)的反射點虛高。

濾除原始電離圖的異常波後,得到正常波,再依據此正常波,計算出各項電離層參數,得到分析後的電離圖(以2011年6月2日零時13分3秒為例),由下圖可看出經過濾除作業後得到的正常波訊號和上圖的正常波訊號相似。

若您對各項電離層參數感興趣,可參考URSI電離層參數說明網頁

相關文獻

動態電離層探測儀系統資料的網頁製作,乃是參考電離層探測實驗室網站dynasonde網頁,以及下列相關論文,若使用者想獲得更多相關說明,可參考下列論文。

英文

  • Tsai, L.-C., F. T. Berkey, and G. S. Stiles. On the derivation of an improved parameter configuration for the Dynasonde. Radio Sci., 28 (5), 785-793, 1993.
  • Tsai L.-C., F. T. Berkey, and G. S. Stiles. Derivation and error analysis of echo phase parameters for the dynasonde. Radio Sci., 32 (2), 557-566, 1997.
  • Tsai, L.-C., F. T. Berkey, A. Y. Wong, and Jackie Pau. Dynasonde observations of ionospheric modification experiments with the HIPAS observatory. J. of Atmos. and Solar-Terr. Phys., 63, 107-116, 2001.
  • Tsai, L.-C., F. T. Berkey, and G. S. Stiles. The true-height analysis of ionograms using simplified umerical procedures. Radio Sci., 30 (4), 949-959, 1995.
  • Tsai, L.-C., W. H. Tsai, W. S. Schreiner, F. T. Berkey, and J. Y. Liu. Comparisons of GPS/MET retrieved ionospheric electron density and ground based ionosonde data. Earth Planets Space, 53, 193-205, 2001.
  • Tsai, L.-C., and W. H. Tsai. Improvement of GPS/MET ionospheric profiling and validation with Chung-Li ionosonde measurements and the IRI. Terrestial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 15(4), 589-607, 2004.
  • Hsiao, T. Y., L.-C. Tsai, and F. T. Berkey. The initial results of the Chung-Li Dynasonde for the RF environment surveillance and ionospheric observations. Terr. Atmos. Ocean. Sci., 19, 515-524, 2008.

中文

  • 鄭惇仁, 蔡龍治. 應用模糊集合理論於中壢電離層探測儀自動化電離圖判讀. 物理雙月刊, 21(5), 592-599, 1999.
  • 盧奎伯. (2000). 運用模糊幾何理論對於Es層做自動分類及分析. 國立中央大學太空科學研究所碩士論文.
  • 顏誠法. (2001). 電離圖判讀與流星研究. 國立中央大學太空科學研究所碩士論文.
  • 蕭棟元. (2002). 中壢動態式電離層觀測儀(dynasonde)訊號處理. 國立中央大學太空科學研究所碩士論文.
  • 黃建銘. (2003). 利用動態式電離層觀測儀觀測不規則體小尺度變化. 國立中央大學太空科學研究所碩士論文.
  • 連家慶. (2006). 中壢動態式電離層探測儀系統控制卡(CRAM Card)重建及測試. 國立中央大學太空科學研究所碩士論文.
  • 蕭棟元. (2007). 低緯度電離層不規則體之結構研究. 國立中央大學太空科學研究所博士論文.
  • 許家維. (2010). 驗證GPS衛星訊號隱含之水氣含量. 清雲科技大學空間資訊與防災研究所碩士論文.
  • 陳明煌. (2010). 臺灣第二代動態式電離層探測儀之建置與資料處理. 國立中央大學太空科學研究所碩士論文.