Ionospheric analysis using incoherent scatter radar and in-situ measurements

Abstract

Existen problemas de ambigüedad en la estimación de los parámetros del plasma ionosférico entre los 130 y los 300 km en los Radares de Dispersión Incoherente (ISR). En esos rangos, el ISR es incapaz de distinguir entre diferentes mezclas de iones moleculares (NO+ y O2+) y iones atómicos de oxígeno (O+). Los métodos comúnmente utilizados para solucionar este problema son el uso de modelos empíricos o teóricos de la Ionosfera, o añadir información conocida a priori de parámetros del plasma obtenidos de la Línea de Plasma del radar ISR. Por otro lado, algunos estudios han demostrado que se pueden estimar de forma no ambigua los parámetros del plasma analizando señales casi sin ruido, aunque esas características de ruido no son típicamente obtenidas en las mediciones rutinarias de los radares ISR. En este trabajo de tesis se define un entorno teórico para cuantificar el problema de la ambigüedad y determinar los niveles de fluctuación de señal máximos para estimar de forma no ambigua las señales ISR. Realizamos diversas simulaciones Monte Carlo de diferentes parámetros de plasma que nos permiten evaluar el desempeño de la estimación del algoritmo de optimización de mínimos cuadrados no lineal (NLLS) más comúnmente utilizado en ISR. Los resultados de estas simulaciones se muestran como curvas de probabilidad de convergencia válida y estimación correcta . Además, realizamos simulaciones para cuantificar el error de estimación que se obtiene cuando se utilizan modelos ionosféricos para determinar las condiciones iniciales de los parámetros de plasma del algoritmo de optimización. A su vez, determinamos el efecto del conocimiento a priori de diferentes combinaciones de parámetros obtenidos de la Línea de Plasma, la información que contribuyen cada uno de los parámetros del plasma, y el impacto de incrementar la incertidumbre de esos parámetros conocidos a priori. Los resultados sugieren que el conocimiento a priori de la densidad de electrones y la temperatura de electrones permite estimar de forma no ambigua incluso en niveles de fluctuación de señal elevados. Mediciones in-situ de sensores en satélites o cohetes pueden obtener esos parámetros de plasma conocidos a priori para ayudar a la estimación correcta de los radares. Los resultados obtenidos en este estudio ayudan a determinar los límites de estimación de la técnica ISR y proveen nuevas herramientas que mejoran la probabilidad de estimación no ambigua de los parámetros del plasma.