基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法
【專利摘要】基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，屬于雷達信號處理【技術領域】。本發(fā)明解決了現有的電離層相徑擾動抑制方法從信號處理角度對電離層相徑擾動抑制時，抑制作用很有限、甚至失效的問題。技術方案為：通過對國際參考電離層模型和多準拋物線模型進行混合建模得到電離層空間反射時變參數模型；以上述模型的電子濃度剖面為基礎，利用射線追蹤方法推導MQP模型的相位路徑計算解析式，并在不同時刻多次運行后獲得相位路徑隨時間的變化值；利用最小二乘法擬合得到的相位擾動補償曲線對受電離層相徑擾動的回波譜進行抑制，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下受電離層相徑擾動的展寬海雜波譜。
【專利說明】基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法

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

【背景技術】
[0002] 天波超視距雷達（OTHR)工作在高頻短波波段，利用電離層作為其主要傳輸媒質 折射來完成遠距離通信、超視距檢測、大范圍導航活動，其探測距離不受地球曲率的限制， 探測距離遠，覆蓋面積大。但是，電離層本身又是一種各向異性、非均勻、動態(tài)時變等復雜 特性的傳播媒質，這種分層結構和非平穩(wěn)特性使得在其中傳播的短波信號相位路徑產生線 性、非線性變化以及多模多徑效應，進而引起海雜波頻譜發(fā)生頻移和展寬現象。而雜波的頻 譜展寬非常容易淹沒艦船等慢速目標，從而影響雷達對艦船目標的探測性能。多模多徑效 應通?？梢酝ㄟ^頻率監(jiān)視系統(tǒng)實時選擇單模傳輸工作頻率來解決；而電離層對信號產生的 相徑擾動則一般不可測，對信號的污染程度也不盡相同。
[0003] 電離層相徑擾動導致雜波頻譜展寬，如果能從展寬的雜波中提取相徑擾動函數， 便可以構造出所需的校正函數。利用獲得的校正函數對雷達回波信號進行校正，可以使回 波譜銳化，提高雷達的目標探測性能。目前已有很多方法被提出用來從展寬的雜波中提取 電離層相徑擾動信息，如最大熵譜估計法、偽維納分布法（PWVD)、基于特征分解的擾動抑制 方法以及合成孔徑雷達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 電離層擾動抑制算法層出不窮，但較多算法都是基于一定的假設，實際應用時補償作用很 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 的實質是電子濃度時變，導致相位路徑產生時變，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理，建立電離層時變模型，從根本上對電離層相徑擾動進行抑 制。


【發(fā)明內容】

[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抑制方法，以解決目前 現有的電離層相徑擾動抑制方法從信號處理角度對電離層相徑擾動抑制時，抑制作用很有 限、甚至失效的問題。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0006] 本發(fā)明所述的一種基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一、計算電波在電離層的反射點坐標；
[0008] 步驟二、電離層空間反射時變模型的建立；
[0009] 步驟三、獲取相干積累時間內各調制周期點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)的相位擾動補償函數；
[0011] 步驟五、利用步驟四建立的相位擾動補償函數Cti (t) 一次抑制受電離層相徑擾動 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影響的回波譜，具體為：對步 驟五的補償結果，采用相位梯度法（PGA)對殘余相徑擾動進一步抑制。
[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解決方法，對不同的相徑擾動模型 均適用，適用條件更加寬泛；
[0015] 2、本發(fā)明以電離層時變空間反射模型為基礎，利用精度較高的射線追蹤技術計算 并提取隨時間變化的相位擾動函數對展寬的海雜波回波譜進行補償，對電離層相徑擾動進 行抑制，抑制作用明顯，不會出現失效的情況。

【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)明的仿真驗證中，五層MQP和IRI-2012混合建模電子濃度模型（時間 為11時52分）示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明的仿真驗證中，三層MQP和IRI-2012混合建模電子濃度模型； [0019] 圖4為本發(fā)明的仿真驗證中，電波傳播相位路徑變化曲線（時間為11時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式擬合后 的相位擾動示意圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明的仿真驗證中，電波傳播相位路徑變化曲線（時間為17時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式擬合后 的相位擾動示意圖；
[0021] 圖6為本發(fā)明的仿真驗證中，原來的受電離層相徑擾動的海雜波譜和經過本發(fā)明 抑制后的海雜波譜（時間為11時52分）對比示意圖；
[0022] 圖7為本發(fā)明的仿真驗證中，原來的受電離層相徑擾動的海雜波譜和經過本發(fā)明 抑制后的海雜波譜（時間為17時52分）對比示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 結合附圖進一步詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。

【具體實施方式】 [0024] 一：本實施方式所述的一種基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方 法，包括以下步驟：
[0025] 步驟一、計算電波在電離層的反射點坐標；
[0026] 步驟二、電離層空間反射時變模型的建立；
[0027] 為了解決單純利用IRI模型精度低和MQP模型獲取參數不便的問題，通過對國際 參考電離層模型（IRI-2012)和多準拋物線模型（MQP)進行混合建模得到電離層空間反射 時變模型，即由IRI-2012模型計算出當時的反射區(qū)電離層各層的實時變化參數臨界頻率 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變模 型。
[0028] 電離層層狀結構是天地波雷達實現探測的基礎，而各參數的變化特征是電磁波 傳播路徑變化的依據。目前可用于實時建模的電離層模型主要包括三種：準拋物線模型 (QP)、修正的B/D模型，以及多準拋物線模型（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)實測值 更為接近，但在使用該模型進行射線追蹤時，必須獲得反射區(qū)域電離層基本參數。本發(fā)明采 用IRI-2012模型來獲得電離層各層參數，代入MQP模型中進行射線追蹤來定量描述相徑擾 動的產生機理。另外，由于本發(fā)明考慮的是電離層的實時建模，需要模型參數能細致描繪電 離層狀態(tài)，考慮到電離層結構的日變化特性，使用三層MQP模型來描述不存在Fl層時的電 離層結構；使用五層MQP模型描述白天出現E層、Fl層和F2層時的電離層結構。
[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聯(lián)合 會共同推進，是一種基于大量觀測數據的半經驗式模型。同時，我們可以從國際宇航局網站 上下載IRI模型的計算軟件，通過輸入時間、經緯度等參數可以獲取當時電離層各狀態(tài)參 數。但是在我國中緯度地區(qū)使用該模型進行電波傳播路徑計算精度較低，不適用于超視距 雷達對計算精度高的場合，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（底高、層半厚度、臨界頻率）就可以建立起模型，而這些參數需要電離 層探測設備來直接獲取，在不具備的情況下很難完成準確的建模。而IRI模型可以允許用 戶通過簡單輸入時間、經緯度相應參數后來獲取MQP模型所需的層參數，方便而且準確。
[0030] 20世紀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算。修正拋物線層為準拋物線層，則多拋物線模型修正為多準拋物線 (Multiple Quasi-Parabolic,簡寫為MQP)模型。此模型不計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構，假設電離層有E層、Fl層和F2層三個常規(guī) 層，中間還有Pl層和P2層兩個過渡層，這五層電子濃度表達式如下：

【權利要求】
1. 一種基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，其特征在于所述方法包括以下步 驟： 步驟一、計算電波在電離層的反射點坐標； 步驟二、電離層空間反射時變模型的建立； 步驟三、獲取相干積累時間內各調制周期點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的參數值； 步驟四、利用解析射線追蹤方法建立連續(xù)的相位擾動補償函數； 步驟五、利用步驟四建立的相位擾動補償函數-次抑制受電離層相徑擾動影響 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影響的回波譜，具體為：對步驟五 的補償結果，采用相位梯度法（PGA)對殘余相徑擾動進一步抑制。
2. 根據權利要求1所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，其特征在于步驟 一所述的反射點坐標的計算過程為： 根據發(fā)射機坐標和探測區(qū)域中心坐標，由如下公式計算出反射點坐標：
其中，Nlm和Nlat分別是反射點經緯度，Tlm和Tlat分別是發(fā)射機經緯度，R lm和Rlat分 別是探測區(qū)域中心坐標。
3. 根據權利要求2所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，其特征在于步驟 二所述的反射時變模型的建立過程為： 依據天波雷達具體的系統(tǒng)布局和參數要求，向IRI-2012模型中輸入工作時間、工作頻 率、發(fā)射仰角、發(fā)射方位角、反射點坐標，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，從而 完成MQP和IRI-2012的混合建模，得到電離層空間反射時變模型。
4. 根據權利要求3所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，其特征在于步驟 三所述的獲取過程為： 根據設定的相干積累時間T和相徑調制周期t，計算調制周期數為： N = T/t 通過IRI-2012模型獲得兩探測時間點（^tn)范圍內對應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表示探測起始時間，tn表示探測終止時間，mO表示第m層的探測起始時間，mn 表示第m層的探測終止時間； 通過線性插值方法計算每個調制周期點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的參數值：
其中，下角標m0，ml，m2, "'mn中的0、1、2......η,表示第m層的探測時刻點。
5. 根據權利要求4所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，其特征在于步驟 四所述的連續(xù)的相位擾動補償函數的建立過程為： 利用步驟三獲得的相干積累時間內各調制周期點處的電離層各層的參數值，通過解析 射線追蹤方法和MQP模型推導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：
為天波雷達的工作 頻率，f。為電離層相應層的臨界頻率； 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)轉化為離散的相位擾動補償函數Φ (i)，并通過最小二乘法擬合成連續(xù)的相位 擾動補償函數Φ?α)，即整個相干積累時間T內的相位擾動補償函數。
6. 根據權利要求5所述的基于電離層傳播特性的相徑擾動抑制方法，其特征在于步驟 五所述的一次抑制過程為： 假設受到電離層相徑擾動后的天波雷達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)時的回波相位；m(t)是真實的電 離層擾動相位，j為虛數； 根據步驟四獲得的連續(xù)的相位擾動補償函數Φ i (t)，得到相位擾動補償后的回波信號 為：
從而抑制了受電離層相徑擾動影響的回波譜。
【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