基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法
【專利摘要】基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，屬于雷達(dá)信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的電離層相徑擾動(dòng)抑制方法從信號處理角度對電離層相徑擾動(dòng)抑制時(shí)，抑制作用很有限、甚至失效的問題。技術(shù)方案為：通過對國際參考電離層模型和多準(zhǔn)拋物線模型進(jìn)行混合建模得到電離層空間反射時(shí)變參數(shù)模型；以上述模型的電子濃度剖面為基礎(chǔ)，利用射線追蹤方法推導(dǎo)MQP模型的相位路徑計(jì)算解析式，并在不同時(shí)刻多次運(yùn)行后獲得相位路徑隨時(shí)間的變化值；利用最小二乘法擬合得到的相位擾動(dòng)補(bǔ)償曲線對受電離層相徑擾動(dòng)的回波譜進(jìn)行抑制，最終得到抑制后的電離層回波譜。本發(fā)明適用于處理高頻天波雷達(dá)下受電離層相徑擾動(dòng)的展寬海雜波譜。
【專利說明】基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高頻天波雷達(dá)的電離層相徑擾動(dòng)抑制方法，特別涉及一種基于電離層 傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，屬于雷達(dá)信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 天波超視距雷達(dá)（OTHR)工作在高頻短波波段，利用電離層作為其主要傳輸媒質(zhì) 折射來完成遠(yuǎn)距離通信、超視距檢測、大范圍導(dǎo)航活動(dòng)，其探測距離不受地球曲率的限制， 探測距離遠(yuǎn)，覆蓋面積大。但是，電離層本身又是一種各向異性、非均勻、動(dòng)態(tài)時(shí)變等復(fù)雜 特性的傳播媒質(zhì)，這種分層結(jié)構(gòu)和非平穩(wěn)特性使得在其中傳播的短波信號相位路徑產(chǎn)生線 性、非線性變化以及多模多徑效應(yīng)，進(jìn)而引起海雜波頻譜發(fā)生頻移和展寬現(xiàn)象。而雜波的頻 譜展寬非常容易淹沒艦船等慢速目標(biāo)，從而影響雷達(dá)對艦船目標(biāo)的探測性能。多模多徑效 應(yīng)通?？梢酝ㄟ^頻率監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時(shí)選擇單模傳輸工作頻率來解決；而電離層對信號產(chǎn)生的 相徑擾動(dòng)則一般不可測，對信號的污染程度也不盡相同。
[0003] 電離層相徑擾動(dòng)導(dǎo)致雜波頻譜展寬，如果能從展寬的雜波中提取相徑擾動(dòng)函數(shù)， 便可以構(gòu)造出所需的校正函數(shù)。利用獲得的校正函數(shù)對雷達(dá)回波信號進(jìn)行校正，可以使回 波譜銳化，提高雷達(dá)的目標(biāo)探測性能。目前已有很多方法被提出用來從展寬的雜波中提取 電離層相徑擾動(dòng)信息，如最大熵譜估計(jì)法、偽維納分布法（PWVD)、基于特征分解的擾動(dòng)抑制 方法以及合成孔徑雷達(dá)中用于解決相位污染的相位梯度法（PGA)和最小熵搜索法等。雖然 電離層擾動(dòng)抑制算法層出不窮，但較多算法都是基于一定的假設(shè)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)補(bǔ)償作用很 有限、甚至失效，主要原因是該問題的解決單純從信號處理角度很難突破。電離層相徑擾動(dòng) 的實(shí)質(zhì)是電子濃度時(shí)變，導(dǎo)致相位路徑產(chǎn)生時(shí)變，從而引起頻譜展寬。因此，有必要深入研 究電離層電波傳播的污染機(jī)理，建立電離層時(shí)變模型，從根本上對電離層相徑擾動(dòng)進(jìn)行抑 制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，以解決目前 現(xiàn)有的電離層相徑擾動(dòng)抑制方法從信號處理角度對電離層相徑擾動(dòng)抑制時(shí)，抑制作用很有 限、甚至失效的問題。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 本發(fā)明所述的一種基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、計(jì)算電波在電離層的反射點(diǎn)坐標(biāo)；
[0008] 步驟二、電離層空間反射時(shí)變模型的建立；
[0009] 步驟三、獲取相干積累時(shí)間內(nèi)各調(diào)制周期點(diǎn)處的電離層各層的臨界頻率fm、電子 濃度峰值高度rm和層半厚度ym的參數(shù)值；
[0010] 步驟四、利用解析射線追蹤方法建立連續(xù)的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)；
[0011] 步驟五、利用步驟四建立的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)Cti (t) 一次抑制受電離層相徑擾動(dòng) 影響的回波譜；
[0012] 步驟六、基于相位梯度法二次抑制受電離層相徑擾動(dòng)影響的回波譜，具體為：對步 驟五的補(bǔ)償結(jié)果，采用相位梯度法（PGA)對殘余相徑擾動(dòng)進(jìn)一步抑制。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：
[0014] 1、本法明從電離層傳播特性角度探索相徑擾動(dòng)解決方法，對不同的相徑擾動(dòng)模型 均適用，適用條件更加寬泛；
[0015] 2、本發(fā)明以電離層時(shí)變空間反射模型為基礎(chǔ)，利用精度較高的射線追蹤技術(shù)計(jì)算 并提取隨時(shí)間變化的相位擾動(dòng)函數(shù)對展寬的海雜波回波譜進(jìn)行補(bǔ)償，對電離層相徑擾動(dòng)進(jìn) 行抑制，抑制作用明顯，不會出現(xiàn)失效的情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證中，五層MQP和IRI-2012混合建模電子濃度模型（時(shí)間 為11時(shí)52分）示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證中，三層MQP和IRI-2012混合建模電子濃度模型； [0019] 圖4為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證中，電波傳播相位路徑變化曲線（時(shí)間為11時(shí)52分） 示意圖，其中（a)為電波傳播相位路徑變化曲線示意圖，（b)為基于最小二乘多項(xiàng)式擬合后 的相位擾動(dòng)示意圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證中，電波傳播相位路徑變化曲線（時(shí)間為17時(shí)52分） 示意圖，其中（a)為電波傳播相位路徑變化曲線示意圖，（b)為基于最小二乘多項(xiàng)式擬合后 的相位擾動(dòng)示意圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證中，原來的受電離層相徑擾動(dòng)的海雜波譜和經(jīng)過本發(fā)明 抑制后的海雜波譜（時(shí)間為11時(shí)52分）對比示意圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明的仿真驗(yàn)證中，原來的受電離層相徑擾動(dòng)的海雜波譜和經(jīng)過本發(fā)明 抑制后的海雜波譜（時(shí)間為17時(shí)52分）對比示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。

【具體實(shí)施方式】 [0024] 一：本實(shí)施方式所述的一種基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方 法，包括以下步驟：
[0025] 步驟一、計(jì)算電波在電離層的反射點(diǎn)坐標(biāo)；
[0026] 步驟二、電離層空間反射時(shí)變模型的建立；
[0027] 為了解決單純利用IRI模型精度低和MQP模型獲取參數(shù)不便的問題，通過對國際 參考電離層模型（IRI-2012)和多準(zhǔn)拋物線模型（MQP)進(jìn)行混合建模得到電離層空間反射 時(shí)變模型，即由IRI-2012模型計(jì)算出當(dāng)時(shí)的反射區(qū)電離層各層的實(shí)時(shí)變化參數(shù)臨界頻率 fm、電子濃度峰值高度rm和層半厚度ym)代入到MQP模型中，建立起電離層空間反射時(shí)變模 型。
[0028] 電離層層狀結(jié)構(gòu)是天地波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)探測的基礎(chǔ)，而各參數(shù)的變化特征是電磁波 傳播路徑變化的依據(jù)。目前可用于實(shí)時(shí)建模的電離層模型主要包括三種：準(zhǔn)拋物線模型 (QP)、修正的B/D模型，以及多準(zhǔn)拋物線模型（MQP)。另外還有著名的國際參考電離層模型 (IRI)模型。MQP模型較好表征了各層電子濃度分布特性，其仿真值與我國中緯地區(qū)實(shí)測值 更為接近，但在使用該模型進(jìn)行射線追蹤時(shí)，必須獲得反射區(qū)域電離層基本參數(shù)。本發(fā)明采 用IRI-2012模型來獲得電離層各層參數(shù)，代入MQP模型中進(jìn)行射線追蹤來定量描述相徑擾 動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理。另外，由于本發(fā)明考慮的是電離層的實(shí)時(shí)建模，需要模型參數(shù)能細(xì)致描繪電 離層狀態(tài)，考慮到電離層結(jié)構(gòu)的日變化特性，使用三層MQP模型來描述不存在Fl層時(shí)的電 離層結(jié)構(gòu)；使用五層MQP模型描述白天出現(xiàn)E層、Fl層和F2層時(shí)的電離層結(jié)構(gòu)。
[0029] IRI模型又稱為國際參考電離層模型，由國際空間委員會和國際無線電科學(xué)聯(lián)合 會共同推進(jìn)，是一種基于大量觀測數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗(yàn)式模型。同時(shí)，我們可以從國際宇航局網(wǎng)站 上下載IRI模型的計(jì)算軟件，通過輸入時(shí)間、經(jīng)緯度等參數(shù)可以獲取當(dāng)時(shí)電離層各狀態(tài)參 數(shù)。但是在我國中緯度地區(qū)使用該模型進(jìn)行電波傳播路徑計(jì)算精度較低，不適用于超視距 雷達(dá)對計(jì)算精度高的場合，MQP模型利用解析式的方法表征電離層電子濃度分布，只需要知 道各層的特征參數(shù)（底高、層半厚度、臨界頻率）就可以建立起模型，而這些參數(shù)需要電離 層探測設(shè)備來直接獲取，在不具備的情況下很難完成準(zhǔn)確的建模。而IRI模型可以允許用 戶通過簡單輸入時(shí)間、經(jīng)緯度相應(yīng)參數(shù)后來獲取MQP模型所需的層參數(shù)，方便而且準(zhǔn)確。
[0030] 20世紀(jì)90年代，Baker和Lambert, Dyson和Bennett分別提出多拋物線電離層模 型用于電離層傳播計(jì)算。修正拋物線層為準(zhǔn)拋物線層，則多拋物線模型修正為多準(zhǔn)拋物線 (Multiple Quasi-Parabolic,簡寫為MQP)模型。此模型不計(jì)入電離碰撞以及地磁場影響。
[0031] MQP模型很好的表征電離層分層結(jié)構(gòu)，假設(shè)電離層有E層、Fl層和F2層三個(gè)常規(guī) 層，中間還有Pl層和P2層兩個(gè)過渡層，這五層電子濃度表達(dá)式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，其特征在于所述方法包括以下步 驟： 步驟一、計(jì)算電波在電離層的反射點(diǎn)坐標(biāo)； 步驟二、電離層空間反射時(shí)變模型的建立； 步驟三、獲取相干積累時(shí)間內(nèi)各調(diào)制周期點(diǎn)處的電離層各層的臨界頻率4、電子濃度 峰值高度rm和層半厚度ym的參數(shù)值； 步驟四、利用解析射線追蹤方法建立連續(xù)的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)； 步驟五、利用步驟四建立的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)-次抑制受電離層相徑擾動(dòng)影響 的回波譜； 步驟六、基于相位梯度法二次抑制受電離層相徑擾動(dòng)影響的回波譜，具體為：對步驟五 的補(bǔ)償結(jié)果，采用相位梯度法（PGA)對殘余相徑擾動(dòng)進(jìn)一步抑制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，其特征在于步驟 一所述的反射點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算過程為： 根據(jù)發(fā)射機(jī)坐標(biāo)和探測區(qū)域中心坐標(biāo)，由如下公式計(jì)算出反射點(diǎn)坐標(biāo)：
其中，Nlm和Nlat分別是反射點(diǎn)經(jīng)緯度，Tlm和Tlat分別是發(fā)射機(jī)經(jīng)緯度，R lm和Rlat分 別是探測區(qū)域中心坐標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，其特征在于步驟 二所述的反射時(shí)變模型的建立過程為： 依據(jù)天波雷達(dá)具體的系統(tǒng)布局和參數(shù)要求，向IRI-2012模型中輸入工作時(shí)間、工作頻 率、發(fā)射仰角、發(fā)射方位角、反射點(diǎn)坐標(biāo)，并通過IRI-2012模型來獲得電離層各層的臨界頻 率4、電子濃度峰值高度和層半厚度Y ni后傳遞給MQP模型，其中m為電離層的層數(shù)，從而 完成MQP和IRI-2012的混合建模，得到電離層空間反射時(shí)變模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，其特征在于步驟 三所述的獲取過程為： 根據(jù)設(shè)定的相干積累時(shí)間T和相徑調(diào)制周期t，計(jì)算調(diào)制周期數(shù)為： N = T/t 通過IRI-2012模型獲得兩探測時(shí)間點(diǎn)（^tn)范圍內(nèi)對應(yīng)的電離層各層的臨界頻率 fm、電子濃度峰值高度rm和層半厚度ym的變化范圍：
其中h表示探測起始時(shí)間，tn表示探測終止時(shí)間，mO表示第m層的探測起始時(shí)間，mn 表示第m層的探測終止時(shí)間； 通過線性插值方法計(jì)算每個(gè)調(diào)制周期點(diǎn)處的電離層各層的臨界頻率fm、電子濃度峰值 高度rm和層半厚度ym的參數(shù)值：
其中，下角標(biāo)m0，ml，m2, "'mn中的0、1、2......η,表示第m層的探測時(shí)刻點(diǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，其特征在于步驟 四所述的連續(xù)的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)的建立過程為： 利用步驟三獲得的相干積累時(shí)間內(nèi)各調(diào)制周期點(diǎn)處的電離層各層的參數(shù)值，通過解析 射線追蹤方法和MQP模型推導(dǎo)得到相位路徑的解析射線追蹤公式：
其中，P為電波傳播的相位路徑，r為電波射線傳播路徑的變量，λ為波長，Γ(ι為地球 半徑，rt為射線反射頂點(diǎn)到地心的距離，β。為發(fā)射仰角，D為地面距離，rb為電離層的底部 高度：
為天波雷達(dá)的工作 頻率，f。為電離層相應(yīng)層的臨界頻率； 通過上述公式獲得相位路徑的離散值P (i)，其中O < i < n，并通過如下公式：
將P (i)轉(zhuǎn)化為離散的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)Φ (i)，并通過最小二乘法擬合成連續(xù)的相位 擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)Φ?α)，即整個(gè)相干積累時(shí)間T內(nèi)的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動(dòng)抑制方法，其特征在于步驟 五所述的一次抑制過程為： 假設(shè)受到電離層相徑擾動(dòng)后的天波雷達(dá)的回波信號定義如下： S(t) = A(t)eJ[Mt)+m(t)] 其中，A(t)為電離層回波的幅度；Θ⑴是電離層平穩(wěn)時(shí)的回波相位；m(t)是真實(shí)的電 離層擾動(dòng)相位，j為虛數(shù)； 根據(jù)步驟四獲得的連續(xù)的相位擾動(dòng)補(bǔ)償函數(shù)Φ i (t)，得到相位擾動(dòng)補(bǔ)償后的回波信號 為：
從而抑制了受電離層相徑擾動(dòng)影響的回波譜。
【文檔編號】G01S7/36GK104391279SQ201410680947
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】位寅生, 李亞軍, 朱永鵬, 許榮慶, 尚超 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)