IPC分类号 : G01R29/00,G01R29/08,G01R29/14,G01R33/02,G01R33/10,G01R33/06
专利摘要
本发明提供一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法及装置，所述方法包括：接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，且所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合；分别采集EMVS传感器上各个通道的N次快拍信息；根据所述N次快拍信息获取短波信号的极化信息，进而计算出短波信号的极化参数；根据所述极化参数计算待探测区域的电子总浓度。应用本发明，可以计算出短波信号经过的路径上的电子总浓度。
权利要求
1.一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，且所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合；
所述电磁矢量传感器包括，三根正交设置的电偶极子以及三个正交设置的磁环；所述电偶极子的中点与所述磁环的圆心重合；所述电偶极子穿过所述磁环之间的交点，且电偶极子的长度大于磁环的直径；
步骤2，分别采集电磁矢量传感器上各个通道的N次快拍信息；
步骤2中针对每一根电偶极子以及每一个磁环，接收端电磁矢量传感器的三正交电偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量，在采样率为F
其中，三正交电偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量与发射端发射的信号之间的关系为：
其中，
步骤3，根据所述N次快拍信息获取短波信号的极化信息，进而计算出短波信号的极化参数；步骤3的具体实现方式如下，
针对每一时刻，根据所述时刻对应的N次快拍信息的电场数据与磁场数据的叉乘获取所述时刻对应的坡印廷矢量；
利用公式，
利用公式，
利用公式，
θ
根据短波信号的方位角估计和俯仰角估计，利用公式，
根据所述极化参数矩阵，利用公式，
arg(γ
步骤4，根据所述极化参数计算待探测区域的电子总浓度；步骤4的具体实现方式如下，
利用公式，
TEC为待探测区域的电子总浓度，θ
进一步的，使用
2.一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测装置，其特征在于，所述装置包括：
接收模块，用于接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，且所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合；
所述电磁矢量传感器包括：三根正交设置的电偶极子以及三个正交设置的磁环；所述电偶极子的中点与所述磁环的圆心重合；所述电偶极子穿过所述磁环之间的交点，且电偶极子的长度大于磁环的直径；
采集模块，用于分别采集电磁矢量传感器上各个通道的N次快拍信息；
采集模块中针对每一根偶极子以及每一个磁环，接收端电磁矢量传感器的三正交电偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量，在采样率为F
其中，三正交电偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量与发射端发射的信号之间的关系为：
其中，
极化参数计算模块，用于根据所述N次快拍信息获取短波信号的极化信息，进而计算出短波信号的极化参数；
极化参数计算模块的具体实现方式如下，
针对每一时刻，根据所述时刻对应的N次快拍信息的电场数据与磁场数据的叉乘获取所述时刻对应的坡印廷矢量；
利用公式，
利用公式，
利用公式，
θ
根据短波信号的方位角估计和俯仰角估计，利用公式，
根据所述极化参数矩阵，利用公式，
arg(γ
电子总浓度计算模块，根据所述极化参数计算待探测区域的电子总浓度；
电子总浓度计算模块的具体实现方式如下，
利用公式，
TEC为待探测区域的电子总浓度，θ
进一步的，使用
说明书
技术领域
本发明涉及一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测，具体涉及一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法。
背景技术
TEC(total electron content，电离层电子浓度总含量)，又称电离层电子浓度柱含量、积分含量等，是一个非常重要的电离层参量，对电离层物理的理论研究及电离层电波传播的应用研究均具有十分重要的意义。理论上，TEC的空间分布及时间变化，反映了电离层的主要特性，因此通过探测与分析电离层TEC参量，可以研究电离层不同时空尺度的分布与变化特性，如电离层扰动，电离层的周日、逐日变化，电离层年度变化，以及电离层的长期变化等。应用中，电离层的TEC与穿透电离层传播的无线电波时间延迟与相位延迟密切相关，因此可用于在卫星定位、导航等空间应用工程中的电波传播修正。因此，对电离层TEC的探测是十分必要的。
电离层TEC探测手段以卫星信标测量为主，如微分多普勒方法、法拉第旋转方法等。随着全球定位系统(GPS)的使用，采用GPS双频信标的测量获取电离层TEC参量成为当前最为重要的和广泛采用的方法。利用局域与全球的GPS台网观测，通过实时处理与传输，并采用不同的TEC mapping方法，可以进行大范围电离层TEC的现报，这在当前空间天气研究中具有特别意义。传统的电离层TEC探测都是基于收发同步的全相参模式，无论是雷达探测还是GNSS系统，都需要高精度的时间频率同步来实现时间和相位的同步，进而解算TEC。本发明提出利用地面短波辐射源，基于测量短波法拉第旋转角的方式，计算得到短波传播电波路径上的TEC，从而实现电离层电子密度的无源探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法及装置以对电离层TEC进行探测。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法，所述方法包括：
步骤1，接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，且所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合；
步骤2，分别采集电磁矢量传感器上各个通道的N次快拍信息；
步骤3，根据所述N次快拍信息获取短波信号的极化信息，进而计算出短波信号的极化参数；
步骤4，根据所述极化参数计算待探测区域的电子总浓度。
进一步的，所述电磁矢量传感器包括，三根正交设置的电偶极子以及三个正交设置的磁环；所述电偶极子的中点与所述磁环的圆心重合；所述电偶极子穿过所述磁环之间的交点，且电偶极子的长度大于磁环的直径。
进一步的，步骤2中针对每一根偶极子以及每一个磁环，接收端电磁矢量传感器的三正交偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量，在采样率为Fs的条件下，采集偶极子以及磁环的N次快拍，其中，N为整数；
其中，三正交偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量与发射端发射的信号之间的关系为：
其中， 为第n次快拍信号的电场三分量； 为第n次快拍信号的磁场三分量；A为电磁矢量传感器接收的短波信号的基带信号的幅度；e为自然常数；j为复数中的虚数单位；ft为接收的短波信号的数字频率；n为N次快拍中的第n次，N表示一共取了N次快拍信号； 为接收的短波信号基带信号的相位；nE(n)为三偶极子接收的第n次快拍的噪声；nH(n)为三磁环接收的第n次快拍的噪声。
进一步的，步骤3的具体实现方式如下，
针对每一时刻，根据所述时刻对应的N次快拍信息的电场数据与磁场数据的叉乘获取所述时刻对应的坡印廷矢量；
利用公式， 计算所有时刻的坡印廷矢量的平均值，其中，
为N次快拍的坡印廷矢量的平均值；∑为求和符号；λ为遗忘因子；N为快拍对应的总次数； 为第n次快拍对应的坡印廷矢量； 为第n次快拍对应的电场矢量； 为第n次快拍对应的磁场矢量；
利用公式， 对坡印廷矢量的平均值进行归一化，其中，
为导向矢量估计； 表示对 取模；
利用公式， 计算短波信号的方位角估计和俯仰角估计，其中，
θe1为短波信号的方位角估计；arctg()为反正切函数； 表示导向矢量估计 的第i个元素；θe2为短波信号的俯仰角估计；
根据短波信号的方位角估计和俯仰角估计，利用公式， 计算短波信号的极化参数矩阵，其中，
为短波信号的极化参数矩阵；Ω为入射角信息估计矩阵，且 ΩH为入射角信息估计矩阵的转置共轭矩阵；γ1为短波信号的极化参数矩阵中的电场参数矩阵；γ2为短波信号的极化参数矩阵中的磁场参数矩阵，#表示矩阵的伪逆；
根据所述极化参数矩阵，利用公式， 计算短波信号的极化参数，其中，
arg(γ1)表示取复数γ1的相位，θe3为电场垂直分量与水平分量强度之比的估计，即 θe3∈[0,π/2)；θe4为电场垂直分量和水平分量相位差的估计，即 θe4∈[-π,π)，θe3和θe4构成了入射电场的完备极化信息。
进一步的，步骤4的具体实现方式如下，
利用公式， 对待探测区域的电子总浓度进行计算，其中，
TEC为待探测区域的电子总浓度，θo3为为信号发射时电场垂直分量与水平分量强度之比； m为电子质量，ε0为真空中的介电常数；c为光速；S是电波传播路径，B为地磁场强度； 为地磁场与电波传播方向的夹角；ψ为地面垂直方向与电波射线的夹角；
进一步的，使用 对 进行近似处理，则发射端到接收端之间的总电子含量密度表示为：
本发明还提供一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测装置，其特征在于，所述装置包括：
接收模块，用于接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，且所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合；
采集模块，用于分别采集EMVS传感器上各个通道的N次快拍信息；
极化参数计算模块，用于根据所述N次快拍信息获取短波信号的极化信息，进而计算出短波信号的极化参数；
电子总浓度计算模块，根据所述极化参数计算待探测区域的电子总浓度。
进一步的，所述电磁矢量传感器包括：三根正交设置的电偶极子以及三个正交设置的磁环；所述电偶极子的中点与所述磁环的圆心重合；所述电偶极子穿过所述磁环之间的交点，且电偶极子的长度大于磁环的直径。
进一步的，采集模块中针对每一根偶极子以及每一个磁环，接收端电磁矢量传感器的三正交偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量，在采样率为Fs的条件下，采集偶极子以及磁环的N次快拍，其中，N为整数；
其中，三正交偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量与发射端发射的信号之间的关系为：
其中， 为第n次快拍信号的电场三分量； 为第n次快拍信号的磁场三分量；A为电磁矢量传感器接收的短波信号的基带信号的幅度；e为自然常数；j为复数中的虚数单位；ft为接收的短波信号的数字频率；n为一共取了N次快拍； 为接收的短波信号基带信号的相位；nE(n)为三偶极子接收的第n次快拍的噪声；nH(n)为三磁环接收的第n次快拍的噪声。
进一步的，极化参数计算模块的具体实现方式如下，
针对每一时刻，根据所述时刻对应的N次快拍信息的电场数据与磁场数据的叉乘获取所述时刻对应的坡印廷矢量；
利用公式， 计算所有时刻的坡印廷矢量的平均值，其中，
为N次快拍的坡印廷矢量的平均值；∑为求和符号；λ为遗忘因子；N为快拍对应的总次数； 为第n次快拍对应的坡印廷矢量； 为第n次快拍对应的电场矢量； 为第n次快拍对应的磁场矢量；
利用公式， 对坡印廷矢量的平均值进行归一化，其中，
为导向矢量估计； 表示对 取模；
利用公式， 计算短波信号的方位角估计和俯仰角估计，其中，
θe1为短波信号的方位角估计；arctg()为反正切函数； 表示导向矢量估计 的第i个元素；θe2为短波信号的俯仰角估计；
根据短波信号的方位角估计和俯仰角估计，利用公式， 计算短波信号的极化参数矩阵，其中，
为短波信号的极化参数矩阵；Ω为入射角信息估计矩阵，且 Ω
根据所述极化参数矩阵，利用公式， 计算短波信号的极化参数，其中，
arg(γ1)表示取复数γ1的相位，θe3为电场垂直分量与水平分量强度之比的估计，即 θe3∈[0,π/2)；θe4为电场垂直分量和水平分量相位差的估计，即 θe4∈[-π,π)，θe3和θe4构成了入射电场的完备极化信息。
进一步的，电子总浓度计算模块的具体实现方式如下，
利用公式， 对待探测区域的电子总浓度进行计算，其中，
TEC为待探测区域的电子总浓度，θo3为为信号发射时电场垂直分量与水平分量强度之比； m为电子质量，ε0为真空中的介电常数；c为光速；S是电波传播路径，B为地磁场强度； 为地磁场与电波传播方向的夹角；ψ为地面垂直方向与电波射线的夹角；
进一步的，使用 对 进行近似处理，则发射端到接收端之间的总电子含量密度表示为：
本发明的优点在于：
应用本发明，短波信号经过电离层时，电离层对左旋极化波和右旋圆极化波的折射率不同，因而两种旋向的极化波相速度也不相同，进而可以根据两种极化波的相位差计算出电离层对两种旋向的极化波的影响程度，而该影响程度取决于电子浓度，因此，可以计算出短波信号经过的路径上的电子总浓度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中电磁矢量传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例中电磁矢量传感器的一种电磁辐射方向图；
图4为本发明实施例中电磁矢量传感器的另一种电磁辐射方向图；
图5为本发明实施例中短波信号的导向矢量和来波到达角的示意图；
图6为本发明实施例中电磁矢量传感器在5MH以及30MHz的电偶极子的方向图；
图7为本发明实施例中电磁矢量传感器在5MH时磁环的方向图；
图8为雷达信号采样原理示意图；
图9为本发明实施例中得到短波信号的极化参数的分布；
图10为本发明实施例中提供的一种射线追踪的仿真结果示意图；
图11为本发明实施例中提供的另一种射线追踪的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
S101：接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，且所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合。
示例性的，图2为本发明实施例中电磁矢量传感器的结构示意图，如图2所示，所述电磁矢量传感器包括：三根正交设置的电偶极子以及三个正交设置的磁环；所述电偶极子的中点与所述磁环的圆心重合。电偶极子穿过所述磁环之间的交点，且电偶极子的长度大于磁环的直径。
图3为本发明实施例中电磁矢量传感器的一种电磁辐射方向图，如图3所示，从上到下的三个增益图依次分别为X轴方向偶极子天线、Y轴方向偶极子天线、Z轴方向偶极子天增益图，
图4为本发明实施例中电磁矢量传感器的另一种电磁辐射方向图，如图4所示，从上到下的三个增益图依次分别为XOY平面小磁环、YOZ平面小磁环、XOZ平面小磁环增益图。
电磁矢量传感器采用3正交电偶极子和3正交磁环采集入射电磁信号完整的三个正交电场和三个正交磁场分量。因为电磁矢量传感器能够感知信号的电磁场矢量，从而可以获取信号的极化信息。
天线能够感知信号的电磁场矢量从而可以获取信号的极化信息，极化信息是除时域、空域和频域以外的重要信息，极化在抗干扰、目标识别、隐身和通信导航等方面有重要的应用；确定无线电波到达的方向，在方位角和仰角平面，具有很高的准确性(可以通过计算E和H向量的叉积来实现)；确定无线电波的完全极化状态，线性、圆形或椭圆形，并自适应地匹配接收系统的极化；如果多个信号来自不同的方向，或者垂直角度不同，或者至少偏振不同，那么就可以在相同的频率上分离多个信号。
EMVS(Electromagnetic Vector Sensor，电磁矢量传感器)利用其接收元件的模式和极化多样性，这使得它比标量相控阵具有以下几个优势:：它可以从任何方向以任何极化接收信号，同时具有空间域和极化信号处理能力，可缓解空间多径信道相关性，使空间极化分量的相关性趋于零值；体积小；可以将EMVS系统制成宽带，因为它不要求子阵之间的距离与波长成的一定比例。
将短波段作为接收天线，可以通过追踪极化矢量的法拉第旋转和自适应地改变天线的极化消除大部分的QSB(Signal Fade Margin，信号衰落)。
图5为本发明实施例中短波信号的导向矢量和来波到达角的示意图，如图5所示，理想的不含噪声的单位功率空间电磁信号的电场在直角坐标系中可以表示为：
其中，
为发射端如短波发射站发射的电磁波参数为已知信息的单位功率空间电场信号；ex为单位功率空间电场信号在x轴上的分量；ey为单位功率空间电场信号在y轴上的分量；ez为单位功率空间电场信号在z轴上的分量；tanθ3为电场垂直分量与水平分量强度之比，即 θ3∈[0,π/2)；θ4为电场垂直分量和水平分量相位差，即 θ4∈[-π,π)，θ3和θ4构成了入射电场的完备极化信息。θ1为方位角，θ1∈[0,2π)；θ2为俯仰角，θ2∈[0,π)。
图6为本发明实施例中电磁矢量传感器在5MH以及30MHz的电偶极子的方向图，如图6所示，沿Z轴放置的电偶极子天线的最大辐射方向在XY平面。对于横电磁波沿Z轴方向振动的电场的传播方向将在XY平面，即沿Z轴方向放置的电偶极子天线接收沿XY平面入射的电磁信号的Z分量。图7为本发明实施例中电磁矢量传感器在5MH时磁环的方向图，如图7所示，图7中左侧的图为图1中XOY平面内磁环的方向图，图7中右侧的图为图1中XOZ平面内磁环的方向图。
因此，电磁矢量传感器理想接收的含噪声的电场和磁场可以写为：
其中，
I3为3*3的单位矩阵；nE(t)为电场的噪声分量；nH(t)为磁场的噪声分量； 为短波信号的导向矢量，且 为映射向量的矩阵叉积运算符，其表达式可以写为： ux为导向矢量在x轴方向上的分量；uy为导向矢量在y轴方向上的分量；uz为导向矢量在z轴方向上的分量。
本申请的发明人经研究发现，短波信号经过电离层中的待探测区域之后，短波信号会发生改变，即电波的极化面在电离层中以前进方向为轴不断旋转，而且这种旋转是由于电离层中的电子导致的。根据上述理论，可以根据电磁矢量传感器接收的短波信号和发射站发射的已知信号之间的差别进行电离层电子浓度的探测。
S102：分别采集EMVS传感器上各个通道的N次快拍信息。
示例性的，可以针对每一根偶极子以及每一个磁环，接收端电磁矢量传感器的三正交偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量。在采样率为Fs的条件下，采集电偶极子以及磁环的N次快拍，其中，N为整数。
图8为雷达信号采样原理示意图，如图8所示，通常雷达采用同相(I)和正交(Q)双通道进行数据采集和后续信号处理，得到基带信号的复数形式。因此，得到的三正交偶极子和磁环接收的电场三分量和磁场三分量与发射端发射的信号之间的关系可以为：
其中，
为第n次快拍信号的电场三分量(矢量)； 为第n次快拍信号的磁场三分量(矢量)；A为电磁矢量传感器接收的短波信号的基带信号的幅度；e为自然常数；j为复数中的虚数单位；ft为接收的短波信号的数字频率；n为N次快拍中的第n次，N表示一共取了N次快拍信号； 为接收的短波信号基带信号的相位；nE(n)为三偶极子接收的第n次快拍的噪声；nH(n)为三磁环接收的第n次快拍的噪声。
需要强调的是，雷达的N次快拍信息的获取方式为现有技术，本发明实施例在此不再赘述。
S103：根据所述N次快拍信息获取短波信号的极化信息，进而计算出短波信号的极化参数。
示例性的，由坡印廷定理： 三维电场数据叉乘三维磁场数据便可得到入射电磁波的导向矢量，因此，可以针对每一时刻，根据所述时刻对应的N次快拍信息的三分量电场矢量测量数据与三分量磁场矢量测量数据的叉乘获取所述时刻对应的坡印廷矢量，如公式所示： 其中， 为第n次快拍对应的坡印廷矢量； 为第n次快拍对应的电场矢量； 为第n次快拍对应的磁场矢量；
利用公式， 计算所有时刻的坡印廷矢量的平均值，其中，
为N次快拍的坡印廷矢量的平均值；∑为求和符号；λ为遗忘因子；N为快拍的总次数；对于λ的选取，要经过对于系统反应速度和对噪声敏感度之间的折衷考虑，如果使用大遗忘因子(接近1)，则要计算更多时间点的数据，这样得到的结果更稳定，但是计算量大，计算速度慢，而小的遗忘因子(接近0)则提高了系统对噪声的敏感度，计算结果受噪声影响更大。N表示一共取了N次快拍信号； 为其中一个时刻对应的第n次快拍对应的坡印廷矢量； 为第n次快拍对应的电场矢量； 为第n次快拍对应的磁场矢量；
利用公式， 对坡印廷矢量的平均值进行归一化，将归一化后的坡印廷矢量作为导向矢量的估计值，其中，
为导向矢量估计； 表示对 取模；
利用公式， 计算短波信号的方位角估计和俯仰角估计，其中，
θe1为短波信号的方位角估计；arctg()为反正切函数；θe2为短波信号的俯仰角估计； 表示导向矢量估计 的第i个元素。
根据短波信号的方位角估计和俯仰角估计，利用公式， 计算短波信号的极化参数矩阵，其中，
为短波信号的极化参数矩阵；Ω为入射角信息估计矩阵，且 Ω
根据所述极化参数矩阵，利用公式， 计算短波信号的极化参数，其中，
θe3为电场垂直分量与水平分量强度之比的估计，即 θe3∈[0,π/2)；θe4为电场垂直分量和水平分量相位差的估计，即 θe4∈[-π,π)，θe3和θe4构成了入射电场的完备极化信息。arg(γ1)表示取复数γ1的相位。
电磁矢量传感器接收的理想只含噪声的信号的极化参数估计由图2给出，仿真的参数为：θ1＝60°，θ2＝36°，θ3＝60°，θ4＝45°，信噪比为：SNR＝1dB,估计次数：500次。图9为本发明实施例中得到短波信号的极化参数的分布，如图9所示，两个极化参数的估计值θe3和θe4与仿真的真实值θ3＝60°，θ4＝45°相比较，可以看出对两个极化参数的估计值的误差最大不超过7°，说明电磁矢量传感器在信噪比不大的条件下仍可以比较精确地测量极化参数。
S104：根据所述极化参数计算待探测区域的电子总浓度。
在实际应用中，对于发射端来说，发射出去的短波信号的极化可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波，即左旋圆极化波和右旋圆极化波。短波信号经过电离层时，电离层对左旋极化波和右旋圆极化波的折射率不同，因而两种旋向的极化波相速度也不同，经过电离层时，两种旋向的极化波的折射率由下式近似给出：
其中，
μ为极化波的折射率；N为电子浓度；e为电子电荷；m为电子质量；ε0为真空中的介电常数；B为地磁场强度； 为地磁场与电波传播方向的夹角；ω为电波角频率；公式中+号和-号分别对应左旋极化波和右旋圆极化波折射率的计算。
可以利用上式计算出左旋圆极化波对应的折射率以及右旋圆极化波对应的折射率。
短波信号经过电离层时，两种旋向的极化波的相速度不同，虽然合成波仍为线极化波，但合成波的极化面已不在原来方向，即合成波的极化面在电离层中以前进方向为轴不断旋转，这种现象既是Faraday旋转效应。在实际应用中，Faraday旋转角ΩF等于两种旋向极化波相位差的1/2，因此，根据相位改变与路径的关系有： 其中，
ΩF为电磁波的极化面的Faraday旋转角；k为电波的波数，积分路径沿电波射线路径；μo为左旋圆极化波对应的折射率；μx为右旋圆极化波对应的折射率；ds为路径积分算子。
将左旋圆极化波对应的折射率以及右旋圆极化波对应的折射率代入到Faraday旋转角的计算公式中，可以得到：
其中，
f为电波频率；ψ为地面垂直方向与电波射线的夹角，即天顶角；
对于发射端信号已知并且信号只沿一条路径到达接收端的情况，设发射端的频率为f0，信号发射时的方位角和俯仰角为θo1和θo2，信号发射时电场垂直分量与水平分量强度之比为θo3；信号发射时电场垂直分量和水平分量相位差为θo4。则由实际的电磁矢量传感器的偶极子或磁环的输出信号的N次快拍得到的接收端的极化参数的估计，即θe3、θe4；可以得到Faraday旋转角的表达式为：ΩF＝|θo3-θe3|。
进而，发射端到接收端之间路径上的总电子含量密度，可以使用如下公式进行计算， 其中，
TEC为待探测区域的电子总浓度； m为电子质量，ε0为真空中的介电常数；c为光速；S是电波传播路径，B为地磁场强度； 为地磁场与电波传播方向的夹角；ψ为地面垂直方向与电波射线的夹角。
为了简化计算，提高计算速度，使用 对 进行近似处理，则发射端到接收端之间的总电子含量密度可以表示为：
其中，
TEC为待探测区域的电子总浓度； m为电子质量，ε0为真空中的介电常数；c为光速；B为地磁场强度； 为地磁场与电波传播方向的夹角；ψ为地面垂直方向与电波射线的夹角。
利用上述方法可以得到不同高度的电子浓度，进而可以建立电离层电子密度关于高度的模型。也就是说，可以在已知电波频率、电波发射时的方位角、俯仰角和电离层电子密度背景的条件下，就可以进行射线追踪，即仿真电波在电离层中的传播路径。图10为本发明实施例中提供的一种射线追踪的仿真结果示意图；图11为本发明实施例中提供的另一种射线追踪的仿真结果示意图，如图10和图11所示，图10和图11均为利用在已知电波频率、电波发射时的方位角、俯仰角和电离层电子密度背景的条件下对某一频率射线追踪的效果图。图11的Z＝0平面为部分中国地图，电波从武汉发射，发射的方位角为正北，即θ1＝90°，俯仰角为θ2＝20°，坐标轴单位为km；通过三维射线追踪算法，得到的射线在电离层中的路径。在本发明实施例中，射线追踪结果的精度取决于TEC的计算精度，因此，只要区域电离层足够精确，则可以利用射线追踪获取精确的路径。
应用本发明实施例，短波信号经过电离层时，电离层对左旋极化波和右旋圆极化波的折射率不同，因而两种旋向的极化波相速度也不相同，进而可以根据两种极化波的相位差计算出电离层对两种旋向的极化波的影响程度，而该影响程度取决于电子浓度，因此，可以计算出短波信号经过的路径上的电子总浓度。
另外，在本发明实施例中，可以直接测定GPS卫星发射的电磁波信号的极化参数，进而可以测量出该电磁波信号经过的区域的总电子浓度。相对于现有技术中，论文“张东和,萧佐.利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测[J].地球物理学报,2000,43(4):451-458.OI:10.3321/j.issn:0001-5733.2000.04.004”中公开了利用两个GPS信号的伪距观测量计算TEC，计算更加简便，效率更高。
与本上述方法实施例相对应，本发明实施例还提供了一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测装置。
本发明实施例提供的一种基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测装置，所述装置包括：
接收模块，用于接收端使用电磁矢量传感器接收短波信号，其中，所述短波信号是由发射端发射的电磁波参数为已知信息的短波，所述电磁波参数包括：发射频率、极化参数中的一种或组合；
采集模块，用于分别采集EMVS传感
基于电磁矢量传感器的电离层电子总浓度探测方法及装置专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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