子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析.pdf

陈志青，王国军，张锋，胡连欢，常首民，王霄.2024.子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析.地球与行星物理论评（中英文），55（1）：37-52.doi：10.19975/j.dqyxx.2023-004.ChenZQ,WangGJ,ZhangF,HuLH,ChangSM,WangX.2024.DigisondeprototypetestinganddataqualitycomparisonanalysisforPhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):37-52(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-004.子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析陈志青1,2，王国军1,2,5，张锋3，胡连欢4，常首民4，王霄1,51中国科学院国家空间科学中心，北京1001902空间天气学国家重点实验室，北京1001903中国科学院空天信息创新研究院，北京1000944中国科学院地质与地球物理研究所，北京1000295海南空间天气国家野外科学观测研究站，儋州571700摘要：为确保国产设备的探测质量，子午工程二期建设的电离层数字测高仪采用与成熟型号 DPS-4D 对比的方式，在位于海南儋州的空间天气国家野外科学观测研究站开展了样机测试.对参试设备及参试过程进行了介绍，对数据质量对比测试结果进行了详细分析.样机测试包括现场技术指标测试和数据质量对比分析.数据质量分析从频高图质量、电离层特征参量（foF2、hmF2、hF2、自动度量和手动度量）、电离层漂移速度等多个方面进行综合对比，明确了样机的硬件和数据处理软件的技术状态.技术指标测试结果表明，样机的两通道峰值发射功率不超过 686W；两发射天线驻波比不超过 2.23；接收通道灵敏度达到125dBm，接收动态范围达到 105dB；接收带宽 70kHz，带外抑制超过 100dB.数据质量对比结果表明，样机自动与手动度量的 foF2 平均偏差 0.02MHz，hmF2 平均偏差 28.39km，hF2 平均偏差 0.39km；样机与 DPS-4D 手动度量的 foF2 平均偏差0.13MHz，hmF2 平均偏差 14.7km，hF2 平均偏差3.21km.分析结果表明，样机在硬件的基础探测能力方面与 DPS-4D 相当，频高图度量的算法还存在改进空间.本次样机数据质量对比，不仅服务于子午工程二期电离层数字测高仪的技术定型，也为数字测高仪数据质量评估指标的确定提供了参考.关键词：子午工程；数字测高仪；样机；数据质量doi：10.19975/j.dqyxx.2023-004中图分类号：P352文献标识码：ADigisonde prototype testing and data quality comparison analysis forPhase II of Chinese Meridian ProjectChenZhiqing1,2,WangGuojun1,2,5,ZhangFeng3,HuLianhuan4,ChangShoumin4,WangXiao1,51NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2StateKeyLaboratoryforSpaceWeather,Beijing100190,China3AerospaceInformationResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China4InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China5HainanSpaceWeatherNationalFieldScienceObservationandResearchStation,Danzhou,571700,ChinaAbstract:ToensurethedetectionqualityofthedomesticmodelionosphericdigisondeadoptedbythePhaseIIofChineseMeridianProject,prototypetestingincludingtechniquetestingandadataqualitycomparisonwasper-formed.ThetestwascarriedoutintheNationalSpaceWeatherObservationStationinDanzhou,Hainan.Afterthe收稿日期：20230208；录用日期：20230605基金项目：子午工程二期标准规范建设SupportedbytheConstructionofStandardSpecificationforPhaseIIofChineseMeridianProject第一作者：陈志青（1978-），男，副研究员，主要从事空间环境地基探测技术研究和工程管理.E-mail：第55卷第1期地球与行星物理论评（中英文）Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024prototypedigisondetestingprocesswasintroducedandcompleted,thedataqualityevaluationresultswereana-lyzedindetail.Athoroughcomparisondemonstratedthattheprototypereachedtheoverallstandardestablishedbythemature-typeDSP-4Dintheaspectsofqualityofionograms,accuracyofionosphericparameters(hF2,hmF2,foF2,auto-scaledormanual-scaled),anddriftvelocity.Accordingtothetestingresultsoftechnicalindices,thepeakpowerofthetwotransmittingchannelsisnomorethan686W,andthevoltagestandingwaveratioisnomorethan2.23.Thesensitivityofthereceivingchannelreached125dBm，andthedynamicrangereached105dB.Thebasebandbandwidthofthedigitalreceiveris70kHz,andthesuppressionofoutbandinterferenceisnolessthan101dB.TheresultsofthedataqualityevaluationshowedthattheaveragedifferencesbetweentheprototypedigisondeparametersofFof2,hF2,andhmF2obtainedusingauto-scalingandmanualscalingare0.02MHz,28.39km,and0.39km,respectively.TheaveragedifferencesbetweenthethreeparametersoftheprototypedigisondeandthoseoftheDPS-4Dobtainedusingauto-scalingare0.0MHz,2.61km,and9.12km,respectively.Theave-ragedifferencesbetweenthethreeparametersoftheprototypedigisondeandthoseoftheDPS-4Dobtainedusingmanualscalingare0.13MHz,14.7km,and3.21km,respectively.Theprototypetestingclarifiedthestatusofthetechniqueofthedomesticinstrument,greatlycontributingtoitsdesignoptimizationandfinalization.Italsoestab-lishedareferencefordigisondedataqualityassessment.Keywords:ChineseMeridianProject;digisonde;prototype;dataquality0引言子午工程是我国空间天气领域唯一的国家重大科技基础设施（Wang,2010;Wangetal.,2020）.通过一期、二期的建设，子午工程将建成覆盖我国区域和南北极区的“井”字形地基监测网络，对太阳表面、行星际、磁层、电离层、中高层大气等多个圈层开展综合性的连续监测.子午工程一期于 2012年建成运行，二期工程于 2019 年开工建设，预期2023 年建成.针对电离层网络化监测的需求，子午工程二期在分布于全国和极区的 10 个观测站点建设电离层数字测高仪（Klaus,1998），与子午工程一期以及其他项目建设的电离层数字测高仪协同，以实现对我国区域和南北极电离层电子密度和特征参量的大中尺度的连续监测.这对研究电离层的区域特征、变化规律，对我国区域的电离层建模具有重要意义.目前，比较成熟的电离层数字测高仪型号代表是美国 LowellDigisondeInternational 公司的 DPS-4D（Bodoetal.,2008;Reinischetal.,2009），这也是子午工程一期选择的型号.中国科学院空天信息创新研究院、中国电子科技集团公司第二十二研究所、中南民族大学等国内单位也开展了电离层数字测高仪的研制工作（蓝加平等，2019；王顺等，2014）.作为国家重大科技基础设施，带动国内空间环境地基探测技术的发展是子午工程的重要使命.子午工程二期建设项目指挥部非常重视观测设备的国产化替代，布局了电离层数字测高仪的国产化专项行动.为了确保建成后的设备满足使用要求，专项行动开展了厂家比测、样机测试等多个环节的活动，对设备的技术指标、数据质量进行了全面的测试和分析.在样机测试过程中，子午工程总体采用 DPS-4D 与国产型号电离层数字测高仪（中国科学院空天信息创新研究院研制的 CAS-DIS 电离层数字测高仪，以下称为样机）同址（海南儋州站）运行，对两台设备的数据进行了多个方面的对比分析.据我们所知，在空间环境地基监测领域，这是首次采用这种方式进行设备的技术定型.本文详细介绍了样机测试的数据对比分析结果，对电离层数字测高仪观测的一些基本特征和规律进行总结，为准确性评估提供参考方法.1参测设备和测试过程 1.1 电离层测高仪h根据无线电波传播理论，电磁波的频率与环境等离子体频率相等时将发生全反射.电离层数字测高仪正是利用这一原理，从地面向上发射不同频率的电波并测量反射虚高（=ct/2，c 为光速，t 为回波延迟），以获取电子密度随高度的分布（F2 层38地球与行星物理论评（中英文）2024年峰值高度以下）和多种电离层特征参量信息.fh f由于地磁场的存在，进入电离层的电波会分裂成寻常波（O 波）和非寻常波（X 波），它们具有不同的极化特征，且在不同的高度上反射（对应不同的电子密度）或穿透.通过对多个频率（）的虚高测量，测高仪记录下来的的关系曲线（电离层描迹）称为电离层频高图，如图 1 所示.从电离层频高图中可以度量出 E、F1、F2、Es 等层的临界频率、最小虚高等参数.还可以从电离层频高图得出电子密度随高度（真高）分布的剖面曲线（PiggottandRawer,1972）.通过对回波多普勒频移的测量，还可获得电离层的漂移速度.900800700600500400300200100002468101214161820OEWNNENNWSSESSWXfoF2 8.45foF1 nanfoE 2.95foEs nanMUF(D)28.93M(D)3.42D 3000.0h F 212.01h F2 212.01h E 99.46h Es nanhmF2 248.54hmF1 nanhmE 112.23fmin 1.65fxI 9.15B0 72.01kmMHz图1数字电离层测高仪探测结果电离层频高图Fig.1Anexampleionogramofthedigisonde实际上，电离层测高仪发射天线的辐射波束宽度很大（半功率波束宽度可能超过 60），不同方向的回波混叠会导致频高图中的电离层描迹变粗甚至模糊.同时，频高图还会受到电离层状态、环境干扰、设备性能等多种因素的影响.如何准确度量频高图获取优质的数据产品是很有挑战的任务.因此，尽管电离层垂直探测技术已经发展几十年（Klaus,1998），国内外多个技术团队还在持续对探测技术进行优化，提高设备对噪声和干扰的抑制水平，发展新的频高图度量方法和软件.DPS 系列测高仪的度量算法和软件持续更新，最新版本为ARTIST5（Galkinetal.,2008）.Ding 等（2007）提出采用经验正交函数法（EOF）对频高图进行拟合以获取电子密度剖面.Chen 等（2018）基于数学形态学以及图论等算法提出一种运算复杂度低、实时操作性强的自动度量方法.Pezzopane 和 Scotto（2007）将其他方法与 ARTIST4.5 的度量结果进行对比分析，发现不同方法各有优劣.Pradere 等（2019）的研究展示了不同电离层测高仪获取的数据之间存在不可忽略的差异，表明开展数据质量分析和控制的重要性.因此，对于新型号的设备开展数据交叉对比以验证观测结果的可靠性是非常必要的.1.2 样机及 DPS-4D 的整体技术方案1.2.1样机总体技术方案本次测试的样机基于软件无线电设计理念，自主突破了射频直采全数字接收、O 波与 X 波分离、宽频带谐波抑制、多波束合成、自动度量与反演等多项关键技术，实现了电离层垂测、斜测、漂移等多种模式的复合探测.样机由主控与信号处理计算机、接收机、功率放大器、大功率选频滤波器、发射天线、接收天线等组成，如图 2 所示.接收机PA1PA2主控与信号处理机射频信号门控信号状态监控信号接收与状态监控数据显示终端BD 接收天线接收阵列发射天线 1发射天线 2大功率选频滤波器选频信号发射信号发射信号远程控制与数据传输室内主机室外天线图2样机的总体架构框图Fig.2Overallarchitectureoftheprototypedigisonde样机采用 30m 高的正交 Delta 天线作为发射天线，4 组磁环天线构成 60m 的正三角形接收阵列（具备干涉测量能力，能够测量回波到达角），如图 3 所示.关键的技术方案如下所述.（1）射频直采数字接收技术样机接收机共有 8 个接收通道，每个通道均由带通滤波器、低噪放、可调增益放大器、ADC 组成，实现接收信号的射频直接采样，采样频率为100MHz；采样信号经数字下变频为基带信号，基带采样频率为 150kHz.基带信号经数字相移后通过网络推送到主控与数据处理计算机，对信号进行噪声抑制、脉冲压缩、数字波束合成等处理.第55卷第1期陈志青，等：子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析39（2）O 波与 X 波分离技术样机射频激励源由 DDS、DAC、滤波器等构成，可在 130MHz 内产生两路相位相差 90的编码脉冲信号.这两路信号经功率放大器放大，并由大功率选频滤波器滤除谐波后馈入两副正交的Delta 天线，向空间辐射圆极化波.在垂测工作模式下，样机先发射一次左旋圆极化波，再发射一次右旋圆极化波.每个接收天线中包含 2 个正交接收通道，一个通道的回波分别移相 90和 270后与另一个通道的回波同相相加，从而实现 O 波与 X 波的分离.（3）宽频带谐波抑制为抑制信号谐波，样机采用大功率选频滤波器.该滤波器采用大功率开关控制多个分段带通滤波器的技术方案，谐波抑制比达到 50dB 以上，带内插损不超过 1.5dB.（4）多波束合成基于正三角形接收阵列，通过多通道回波数字移相实现波束合成，实现空域滤波.在传统技术基础上，引入鲁棒型对角线加载数字波束形成算法，形成七个在探测空域内均匀分布的数字波束，通过比幅度测向确定目标回波方向，进一步提高接收信噪比.（5）自动度量与反演自动度量与反演方法基于数学形态学以及图论等算法，具有运算复杂度低和可实时操作等优点.其主要处理流程为：首先对频高图数据进行去噪、分类与数学形态学处理，再对回波轨迹采用线性插值和最小二乘法拟合，通过多次迭代使得拟合曲线与原始描迹的误差满足预设条件.然后对回波轨迹h(f)N(h)F2进行进一步计算，就可得到轨迹参数（临界频率等），之后通过数值求解关于虚高和电子密度之间关系的积分方程，得到层峰高度以下的电子密度剖面.1.2.2DPS-4D 及其技术指标儋州站的 DPS-4D 采用 36m 高的正交菱形天线作为发射天线，该天线的天顶向辐射增益高于样机发射天线，接收天线与样机类似，为四组磁环天线.设备的其他各项设计指标与样机基本一致（详见表 1）.表1样机和 DPS-4D 的设计指标Table1DesignspecificationsoftheprototypedigisondeandDPS-4D样机DPS-4D工作频率0.530MHz0.530MHz带宽34kHz3dB34kHz3dB脉冲编码16位互补码16位互补码峰值功率（单通道）400W150W探测虚高度范围801280km801200km高度分辨率2.5km2.5km多普勒频移测量范围1010Hz33Hz多普勒频移分辨率0.04Hz0.0125Hz 1.3 对比测试过程测试地点为位于海南省儋州市的海南空间天气国家野外科学观测研究站（109.1E,19.5N）.该站在 2005 年建设了 DPS 电离层测高仪，在子午工程一期中升级为 DPS-4D.样机布设于同一站点，与DPS-4D 的距离约为 200m.该观测站位于低纬地区，电离层扰动较频繁（王国军等,2007;Wangetal.,接收天线阵发射天线213460 m34.64 mN50 m30 m图3样机的天线布局Fig.3Antennalayoutoftheprototypedigisonde40地球与行星物理论评（中英文）2024年2015），有利于在多种电离层状态下开展两台设备的数据对比分析.测试期间，DPS-4D 以 15min 时间间隔开展常规观测.为了避免两台设备同时发射造成的相互干扰，样机的起始扫频时间在 DPS-4D 起始扫频时间的基础上往后错开 3min.测试的时间为 2021 年 6 月 11 日至 23 日.测试期间，地磁活动较为平静，Dst 指数最低仅37nT,Kp 指数仅有一次达到 5.观测结束后，数据分析小组对两台设备获取的 hF2、foF2 和 hmF2 等电离层参量进行了对比分析.根据分析结果提出设备技术方案的优化要求.2技术指标测试样机的现场技术指标测试针对峰值功率、发射天线驻波系数、发射机谐波抑制能力、接收机带外抑制能力、接收灵敏度、高度分辨率等 16 项技术指标.主要指标项的测试结果如表 2 所示，均满足指标要求.表2样机主要指标项的测试结果Table2Testingresultsofthemainindicesoftheprototypedigisonde指标项技术指标要求测试结果工作频率可在130MHz范围内以特定频率步进扫频工作（发射与接收）起始频率1MHz，终止频率30MHz，步进频率100kHz步进频率工作频率步进可调，步进频率50kHz工作频率步进可调，步进频率25kHz高度分辨率以带宽计算的高度分辨率5km，频高图数据高度分辨率1km以带宽计算的高度分辨率5km，频高图数据高度分辨率1km峰值功率两通道800W两通道686W1MHz发射天线驻波系数50dB，35MHz以上60dB130MHz内最小51.3dB，35MHz以上最小63dB接收机带外抑制能力全频段接收相对带宽不超过10%，带外抑制能力不低于50dB全频段接收相对带宽7%，带外抑制能力101dB接收灵敏度与动态范围接收灵敏度达到123dBm，动态范围达到102dB灵敏度125dBm，动态范围105dB（含接收天线前置放大器）探测虚高范围80km（雷达盲区）1280km（距离模糊极限），频高图的高度范围应涵盖探测高度范围801398km因电离层数字测高仪将与其他多类无线电监测设备同址安装运行，为避免设备间的电磁干扰，样机进行了特别设计，将 130MHz 的工作频段分成 8 个频段进行跟踪滤波.测试对测高仪发射机谐波抑制能力提出了很高的要求（表 2），并进行了详细的测试.图 4 所示为现场测试得到的发射机典型发射信号的频谱.其中，左图为样机发射机输出的 10MHz 信号经 50dB 大功率衰减器后测量到的信号频谱；右图为 DPS-4D 发射机输出的 1MHz信号经 60dB 大功率衰减器后测量到的信号频谱.图4样机发射频谱（左）与 DPS-4D（右）的对比Fig.4Transmittingspectrumoftheprototypedigisonde(left)andthemodelDPS-4D(right)从图 4 可以测量出样机的带外抑制和谐波抑制，结果均满足设定的指标要求（表 2），不会对同址运行的其他无线电设备造成干扰（主要是工作在38MHz 附近的流星雷达）.但样机的发射频谱与DPS-4D 对比，还存在较明显的差别，主要体现在频谱分布较宽，主要原因是二者的发射脉冲采用了第55卷第1期陈志青，等：子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析41900800700600500400300200100002468101214161820OEWNNENNWSSESSWXfoF2 5.85foF1 3.20foE 2.80foEs 3.20MUF(D)18.85M(D)3.22D 3000.0h F 160.00h F2 194.99h E 103.61h Es 114.75hmF2 262.57hmF1 145.97hmE 122.12fmin 1.70fxI 6.45B0 133.32(a)900800700600500400300200100002468101214161820OEWNNENNWSSESSWXfoF2 3.90foF1 3.10foE 2.50foEs 2.50MUF(D)11.91M(D)3.05D 3000.0h F 325.04h F2 325.00h E 116.36h Es 117.82hmF2 315.35hmF1 237.96hmE 168.69fmin 1.80fxI 4.30B0 130.36(b)900800700600500400300200100002468101214161820OEWNNENNWSSESSWXfoF2 13.60foF1 8.10foE 3.50foEs 3.50MUF(D)48.13M(D)3.54D 3000.0h F 319.97h F2 314.99h E 99.47h Es 106.28hmF2 251.20hmF1 226.97hmE 126.38fmin 1.70fxI 14.10B0 36.78(c)900800700600500400300200100002468101214161820OEWNNENNWSSESSWXfoF2 5.40foF1 4.65foE 2.05foEs 2.00MUF(D)17.36M(D)3.21D 3000.0h F 305.00h F2 260.00h E 95.65h Es 112.08hmF2 326.02hmF1 247.20hmE 150.85fmin 1.75fxI 5.90B0 76.90(d)90085080075070065060055050045040035030025020015010050002468101214161820900850800750700650600550500450400350300250200150100500024681012141618209008508007507006506005505004504003503002502001501005000246810121416182090085080075070065060055050045040035030025020015010050002468101214161820kmkmMHzMHzkmMHzkmMHz图5不同电离层状态下，样机（左）和 DPS-4D（右）的频高图图像对比.（a）无扰动的白天（2021 年 6 月 11 日 00:15UT）；（b）夜间低密度时段（2021 年 6 月 11 日 21:00UT）；（c）出现强 Es（2021 年 6 月 12 日 01:30UT）；（d）出现扩展 F（2021 年 6 月 11 日 17:45UT）Fig.5Comparisonbetweenionogramscapturedbytheprototypedigisonde(leftcolumn)andtheDPS-4D(rightcolumn),underdif-ferentionosphericconditions.(a)Daytimewithoutdisturbance(2021-06-1100:15UT);(b)Nighttimewhenelectrondensityislow(2021-06-1121:00UT);(c)DuringstrongEs(2021-06-1201:30UT);(d)DuringspreadF(2021-06-1117:45UT)42地球与行星物理论评（中英文）2024年不同的窗函数，样机采用矩形窗，DPS-4D 则采用半正弦窗，降低了发射信号的频谱宽度.3数据对比分析 3.1 频高图图像质量对比频高图是后续电离层参数反演的基础，通过频高图图像的直观检查可以对设备的探测能力、技术状态给出初步的判断.为了体现设备在不同电离层状态下的探测能力，选取无扰动的白天、夜间、出现强 Es 和扩展 F 等 4 种情况的图像进行比较.由图 5 可见，两组频高图的相似度很高.与 DPS-4D类似，样机可对 4 组接收天线接收信号进行比幅测向，区分天顶方向和斜向的电离层回波.在比测阶段，样机在数据后处理过程中未进行比幅测向，因此频高图中未区分回波的方向.白天，太阳辐射使得电离层电子密度增大，E 层、F1 层、F2 层特征显著.如图 5a 所示，样机和 DPS-4D 均捕获到了这些分层结构及 Es 层回波.此时电离层电子密度高，回波强度大，两台设备的电离层描迹都很清晰，二次回波显著.图 5b 展示了在夜间电离层电子密度极低的情况下样机和 DPS-4D 获取的频高图.可以看到，两幅频高图非常相似，样机频高图描迹延伸到了更高的频率.图 5c 显示，样机探测到强 Es 层，其临界频率 foEs 接近 6MHz.DPS-4D 探测到相似的 Es 层回波，但清晰程度不如样机.在出现扩展F 时，样机和 DPS-4D 同样获得了显著的距离扩展F 特征（图 5d）.h电离层测高仪的二次回波是一次回波经地面的反射再次到达电离层而形成的回波.因测高仪采用测量时延的方法确定回波的高度（虚高=ct/2），二次回波的高度理论上是一次回波的二倍.实际上，由于设备硬件存在延迟，必须进行补偿（数据处理时从回波延迟中扣除硬件延迟）才能确保这一关系的准确性.否则用一次回波和二次回波分别计算的F2 层底部高度 hF2 相差可达 10km 左右.因此，本次样机测试将一、二次回波高度的匹配性作为一项数据质量检验项目.选取样机一、二次回波清晰的频高图（总计样本数 106 个），人工获取二次回波的高度，与人工频高图度量结果 hF2（一次回波）进行对比.如图 6 所示，二者具有较好的一致性，平均偏差为0.74km.需要注意的是，因选取的样本在时间分布上非常不均匀（大多来源于白天时段），图 6 并不能反映电离层高度的时间变化.800600400200F 层底部一次回波和二次回波/km一次回波二次回波020406080100321012二次回波的一半与一次回波之差/km020406080100F2 层底层虚高的一次回波和二次回波标记次序(序号)(a)(b)图62021 年 6 月 1123 日期间样机观测到的 F2 层一次回波和二次回波的底部虚高（a），以及分别获取的hF2 之间的差异（b）Fig.6VirtualheightofthefirstechoandthesecondaryechofromtheF2bottomside(a),andthedifferencesbetweentwo sets of hF2,respectively scaled from the twoechoes(b)151050foF2/MHz02448729612366084108 120400500300200100hmF2/km02448729612366084108 120400500600300200100hF2/km02448729612366084108 120UT/h第一次第二次样机第一次和第二次手动标定各参数对比(2021-06-1115)图7样机频高图两次手动度量的结果对比Fig.7Difference between two sets of parameters scaled bytwooperators,adoptingionogramscapturedbythepro-totypedigisonde第55卷第1期陈志青，等：子午工程二期电离层数字测高仪样机测试与数据质量对比分析43 3.2 自动度量与手动度量对比3.2.1手动度量的可靠性在自动度量算法和软件问世之前，研究人员采用手动方式对测高仪获取的频高图进行度量以获取电离层的各种特征参量.有经验的人员较好地掌握了电离层的特征和变化规律，能够应对各种异常情况，所以频高图手动度量的结果是比较可靠的.自动度量算法和软件需要与手动度量结果对比，以检验其准确性.手动度量本身的误差取决于操作人员的经验和频高图本身的质量.为了检验手动度量的可靠性，两名数据处理小组成员对样机的频高图（6 月1115 日）进行了两次独立的度量（本次测试的手 动 度 量 软 件 均 为 DPS-4D 设 备 配 备 的 SAOExplorer），结果如图 7 所示.计算两次手动度量结果之间的偏差和相关系数.两次度量的 foF2 最大偏差小于 0.4MHz，偏差的绝对平均值为 0.08MHz，相关系数为 0.995；两次度量的 hmF2 最大偏差小于 14km，偏差的绝对平均值为 3.25km，相关系数为 0.976；两次度量的 hF2 最大偏差小于 8km，偏差绝对平均值为 1.3km，相关系数为 0.939.可见，两次手动度量结果之间的差异很小，本次测试的手动度量结果是可靠的.这也为样机和 DPS-4D 之间对比指标的设定提供了参考.3.2.2样机自动度量与手动度量对比在测试期间，按 15min 间隔提取样机的频高图，总计数量为 960.可对比时刻数量为 820（手动度量或者自动度量结果缺失的时刻忽略不计），占总频高图数量（960）的 85%.图 8 展示了样机观测参数 foF2、hF2 和 hmF2 自动度量和手动度量结果对比（图 8a-8c）、散点对比（图 8d-8f）和差异分布（自动减去手动之差，图 8g-8i）.从图 8a-8c可以看出，在个别时段 foF2、hF2151050foF2/MHz04896144192240UT/h(a)样机自动和手动标定各参数时刻对比14104821260手动标定 foF2/MHz02468101214自动标定 foF2/MHz(d)样机自动和手动各参数散点对比5003002004001000个数3210123foF2 自动和手动的差值/MHz(g)600700400500300200100hF2/km04896144192240UT/h(b)600700400300500200100100200300400500600700自动标定 hF2/km(e)6004002000个数300 200 1000100200300hF2 自动和手动的差值/km(h)400300200100hmF2/km04896144192240UT/h(c)400300200100100200300400自动标定 hmF2/km(f)3004002001000个数300 200 1000100200300hmF2 自动和手动的差值/km(i)样机自动和手动标定各参数差值分布自动手动手动标定 hF2/km手动标定 hmF2/km图82021 年 6 月 1123 日样机观测参数的自动度量和手动度量结果对比（a-c）、散点对比（d-f）和偏差分布（g-i）Fig.8Comparisonbetweenauto-scaledandmanual-scaledparametersoftheprototypedigisonde,from2021-06-11to2021-06-23UT44地球与行星物理论评（中英文）2024年和 hmF2 自动度量值相对手动度量值出现较大偏差.大多数时间段，二者较为一致.从图 8g 可以看出，foF2 的偏差主要分布在0.250.25MHz 之间，计算表明偏差绝对平均值为 0.02MHz，偏差绝对值小于 0.3MHz 的比例为 66%.手动度量和自动度量结果的相关系数为 0.948.从图 8h 可以看出，hF2 的偏差主要分布在2525km 之间，计算表明其偏差绝对平均值为0.39km.手动度量和自动度量结果的相关系数为0.844.从图 8i 可以看出，hmF2 的偏差也基本分布2525km 之间，但出现了明显的负偏离，即自动度量的 hmF2 低于手动标度量的 hmF2.计算表明，两者的平均偏差为 28.39km，相关系数为 0.388.上述结果表明，样机自动度量的 foF2、hF2与手动标定结果具有良好的相关性，偏差较小.而自动度量的 hmF2 与手动度量结果相关性差.图 8d-8f 的散点分布展示了同样的差异.3.2.3DPS-4D 自动度量与手动度量对比同样，将 DPS-4D 自动度量结果与手动度量结果进行对比.图 9 给出了对应时段 DPS-4D 观测参数 foF2、hF2 和 hmF2 自动度量和手动度量结果对比（图 9a-9c）、散点对比（图 9d-9f）和差异分布（图 9g-9i）.从图 9a-9c 中可以看出，除个别时刻外，观测到的 foF2、hF2 和 hmF2 自动和手动度量基本一致.从图 9g 可以看出，foF2 的自动度量值偏小，但有明显的正偏离趋势（自动度量结果偏高）.计算表明，其中偏差平均值为 0.46MHz，相关系数约为 0.952.偏差绝对值小于 0.3MHz 的比例为60%.图 9e 给出了 hF2 自动和手动度量结果散点对比，可见少量点偏差较大；从图 9h 可以看出，hF2 的偏差主要分布在2525km 之间；计算表明平均偏差为 7.17km，相关系数为 0.744.从图 9i 可以看出，hmF2 的偏差主要分布在151050foF2/MHz04896144192240UT/h(a)DPS-4D 自动和手动标定各参数时刻对比14104821260手动标定 foF2/MHz02468101214自动标定 foF2/MHz(d)6007004005003002