一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统

摘要

本发明公开了一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，属于雷达技术领域，包括完全互补序列生成器、脉冲周期延迟器、调制器、发射天线、接收天线、解调器、脉冲压缩系统和电子密度分布生成系统；完全互补序列生成器同时生成N对互补序列，脉冲周期延迟器使两个互补的序列交替输入至调制器，N对信号分别进行N个载频的调制，由N个发射天线发射出去，回波信号由N个接收天线接收，解调器解调出N个载频上的信号，信号经脉冲压缩后送入电子密度分布生成系统，生成二维电离图。本发明的星载MIMO雷达系统用于顶层电离层探测，与现有的电离层探测器相比，具有超高的方位分辨率，可生成二维电离图；与现有的电离层探测器相比，有很高的工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于顶层电离层探测星载MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)雷达系统，属于雷达技术领域。

背景技术

电离层是地球空间环境的重要组成部分之一，其高度约从地面上60公里延伸到1000公里。电离层会对电磁波的传播产生较为严重的干扰，对卫星通信、导航定位和微波遥感等空间信息系统造成很大影响，因此探测电离层的结构有利于改善上述空间信息系统的信息获取与应用的质量。此外，通过探测电离层物理参数(电子密度等)的变化，可以对地震、海啸等自然灾害进行预警。台湾学者利用相关卫星数据针对近10年来台湾地区震级为5级以上的地震进行了分析，发现地震前高空电离层会出现电子密度下降的现象。因此，电离层探测对于科学研究和灾害预警都具有重要的意义。

电离层的垂直结构按电子密度分为D、E、F1、F2层，其中F2层的电子密度最大。通常，根据电子密度的分布又将电离层分为底层电离层和顶层电离层。底层电离层是指F2层以下到电离层底的区域；顶层电离层是指F2层以上到电离层顶的区域，约海拔200公里到1000公里。同样，电离层探测也分为底层探测和顶层探测两类。底层探测是利用地面探测设备对底层电离层进行观测。顶层探测指的是利用卫星等航天飞行器平台搭载电离层探测载荷对顶层电离层进行观测。星载电离层探测器主要用于探测顶层电离层。早期电离层探测为底层探测。随着运载火箭和人造卫星的出现和迅速发展，使得人们能够实现利用星载探测设备从太空对顶层电离层进行探测。1962年，第一颗电离层探测卫星Alouette-I发射升空，获取了第一批顶层电离层的电离图。它的工作模式和地面探测相同，采用频率扫描的方式来测量电离层垂直电子密度的一维分布，即每个脉冲周期内发射一个单频脉冲信号，不同脉冲周期发射不同频率的脉冲信号，不同频率的信号会在电离层不同高度处发生反射，在一个扫频周期里测量每个频率回波信号的延迟时间，得到电子密度在高度向的一维分布(随虚高的变化)；之后，又出现了美国的ISIS(International Satellites for IonosphericStudies)-I&II，日本的ISS(Ionosphere Sounding Satellite)-I等电离层探测卫星，它们和Alouette-I的工作模式相同，并且发射功率大。20世纪90年代以后，随着大规模集成电路、高性能计算机和信号处理技术的发展，使得星载电离层探测器向小型化、智能化的方向发展。这一时期出现的电离层探测卫星有很大改进，主要体现在：采用小卫星技术，降低了发射成本；发射脉冲采用线性调频信号或脉冲编码信号，提高了信噪比，从而降低了发射功率。典型代表有美国国家航空航天局(NASA)2000年发射的磁层探测IMAGE卫星和乌克兰2001年发射的顶层电离层探测WARNING卫星，它们分别搭载了RPI(Radio Plasma Imager)和TOPADS(TOPside Automated Doppler Sounder)两种先进的电离层探测雷达。RPI主要获取磁层的电子密度图，其高度方向的分辨率(距离分辨率)为480公里，而TOPADS主要获取顶层电离层的电子密度图，其高度方向的分辨率为5公里。但是，它们的工作模式仍为传统的扫频工作模式。这种扫频模式的扫频周期较长，导致几乎没有方位向(沿卫星飞行方向)上电子密度的分辨能力，例如TOPADS的扫频周期为10秒，它的方位分辨率低达75公里。

近年来，随着多输入多输出(MIMO)通信系统的研究，人们将MIMO思想扩展到了雷达体制设计与雷达信号处理领域，提出了MIMO雷达的概念，它的工作模式是通过多个发射天线同时发射多种波形信号并通过多个接收天线接收回波信号。它可利用信号间的正交性来恢复各个波形信号，常用的信号有相位编码信号等。完全互补序列(CC-S，completecomplementary sequence)作为一种相位编码信号，能够保证信号间的完全正交性及高处理增益，近年来开始用于MIMO雷达研究。利用MIMO雷达信号多发多收的优势，可将MIMO雷达用于电离层探测。

发明内容

本发明目的是为了突破传统电离层探测中扫频工作模式的限制，提高方位分辨率，提出一种用于顶层电离层探测的MIMO雷达系统，该系统由N个发射天线同时发射多个不同频率的不同相位编码脉冲信号，由N个接收天线接收回波信号。此系统能够大大提高方位分辨率，得到二维电离图(电子密度在高度向和方位向的分布)。

一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，包括完全互补序列生成器、脉冲周期延迟器、调制器、发射天线、接收天线、解调器、脉冲压缩系统和电子密度分布生成系统；

完全互补序列生成器每隔一个序列对的脉冲重复周期T_prf，同时生成N对完全互补序列{A_i，B_i}，i＝1，…，N，A_i序列、B_i序列具体为：

$>\left(\begin{array}{c}{A}_i=(a_i^0,a_i^1,...,a_i^{L-1})\\ B_i=(b_i^0,b_i^1,...,b_i^{L-1})\end{array}\right)$>

式中，和代表子脉冲码，i＝1，…，N，k＝0，…，L-1，L表示序列的长度；

脉冲周期延迟器对完全互补序列生成器输出序列B_i延迟一个脉冲周期，即延迟序列对的半个脉冲重复周期T_prf/2，实现A_i、B_i交替输入至N个调制器；调制器对输入的序列A_i、B_i进行载频f_i调制，其中，f₁＝f_min，f₂＝f₁+Δ，f₃＝f₂+Δ，……，f_N＝f_max，f_max和f_min分别表示发射频率的最大值和最小值，Δ表示频率间隔调制后的N路频率分别为f₁，f₂，…f_N的信号分别经由N个发射天线发射出去；每个接收天线接收到所有频率的被电离层反射回来的信号，N个接收天线形成N个接收天线通道；解调器对接收天线通道的信号进行混频和低通滤波处理，解调出载频f_i上的互补的两个信号；脉冲压缩系统对解调出的互补的两个信号进行匹配滤波，再叠加，实现脉冲压缩；电子密度分布生成系统测量每个通道脉冲压缩后信号的延迟时间t_i，计算对应的虚高其中H_s表示卫星轨道高度，c表示真空中光速；将每个通道的解调频率f_i换算成电子密度值Ne_i，Ne_i＝(f_i/9)²；则在一个序列对的脉冲重复周期T_prf里，得到N个电子密度值对应的虚高，生成电子密度随虚高的一维变化；综合多个脉冲重复周期的一维结果，得到电子密度随虚高和方位距离的二维变化，即二维电离图。

本发明的优点在于：

(1)本发明的星载MIMO雷达系统用于顶层电离层探测，与现有的电离层探测器相比，具有超高的方位分辨率，可生成二维电离图；

(2)本发明的星载MIMO雷达系统与现有的电离层探测器相比，有很高的工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统的结构示意图；

图2是图1中节点H₁，H₂，…，H_N处的波形示意图；

图3a是本发明实施例中的电子密度分布的二维视图显示；

图3b是本发明实施例中的电子密度分布的三维视图显示；

图4a是本发明实施例中系统探测结果二维电离图的二维视图显示；

图4b是本发明实施例中系统探测结果二维电离图的三维视图显示。

图中：

1-完全互补序列生成器    2-脉冲周期延迟器        3-调制器

4-发射天线              5-接收天线              6-解调器

7-脉冲压缩系统          8-电子密度分布生成系统

图中装置的符号表示如下：

T：脉冲周期延迟器；Tx：发射天线；Rx：接收天线；LPF：低通滤波器；MF：匹配滤波器；混频器；求和器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，如图1所示，包括完全互补序列生成器1、脉冲周期延迟器2、调制器3、发射天线4、接收天线5、解调器6、脉冲压缩系统7和电子密度分布生成系统8。

完全互补序列生成器1(CC-S生成器)每隔一个序列对的脉冲重复周期T_prf，同时生成N对完全互补序列{A_i，B_i}，i＝1，…，N。

为保证发射信号间频谱不混叠，N的取值由式(1)限定：

$>N<\frac{{\rho }_r}{c}(f_{\max }-f_{\min })+1---\left(1\right)$>

式中，ρ_r表示距离分辨率，f_max和f_min分别表示发射频率的最大值和最小值，c表示真空中光速。

A_i序列、B_i序列具体为：

$>\left(\begin{array}{c}{A}_i=(a_i^0,a_i^1,...,a_i^{L-1})\\ B_i=(b_i^0,b_i^1,...,b_i^{L-1})\end{array}\right)---\left(2\right)$>

式中，和代表子脉冲码，i＝1，…，N，k＝0，…，L-1。L表示序列的长度。A_i序列、B_i序列具有高处理增益并且满足完全正交性，如式(3)和式(4)所示。

$>R_{A_m{A}_m}\left(\tau \right)+R_{B_m{B}_m}\left(\tau \right)=\left(\begin{array}{cc}2L& \tau =0\\ 0& \tau =\pm 1,\pm 2,...,\pm (L-1)\end{array}\right),$>m＝1，2，…，N    (3)

$>R_{A_m{A}_n}\left(\tau \right)+R_{B_m{B}_n}\left(\tau \right)=0$>τ＝0，±1，±2，…，±(L-1)，m＝1，2，…，N，n＝1，2，…，N，m≠n  (4)

式(3)和(4)中，分别表示序列A_m和A_n、序列B_m和B_n的非周期相关函数。

脉冲周期延迟器2对完全互补序列生成器1输出序列B_i(i＝1，…，N)延迟一个脉冲周期，也就是延迟序列对的半个脉冲重复周期T_prf/2，实现A_i、B_i交替输入至调制器3。设调制频率为f_i的调制器3的输入端为节点H_i，如图1中所示，图2为图1中节点H₁，H₂，…，H_N处的波形示意图。节点H_i处为A_i、B_i交替脉冲序列，序列对的脉冲重复周期为T_prf。

然后，N个调制器3对输入的序列A_i、B_i通过混频器进行载频f_i调制，i＝1，…，N，其中，f₁＝f_min，f₂＝f₁+Δ，f₃＝f₂+Δ，……，f_N＝f_max，f_max和f_min分别表示发射频率的最大值和最小值，Δ表示频率间隔

调制后的N路频率分别为f₁，f₂，…f_N的信号分别经由N个发射天线4发射出去。

频率为f_i的信号经过电离层，会在电子密度为Ne_i＝(f_i/9)²所在高度处发生反射。

每个接收天线5都接收到所有频率的被电离层反射回来的信号，N个接收天线5形成N个接收天线通道。

解调器6包括混频器和低通滤波器，通过接收天线通道的信号依次进入混频器和低通滤波器，进行混频和低通滤波处理，解调出载频f_i(i＝1，…，N)上的互补的两个信号。

脉冲压缩系统7对解调出的互补的两个信号进行匹配滤波，再叠加，实现脉冲压缩，脉冲压缩系统7具体包括匹配滤波器和求和器，匹配滤波器对解调出的互补的两个信号进行匹配滤波，求和器再进行叠加。

电子密度分布生成系统8测量每个通道脉冲压缩后信号的延迟时间t_i，i＝1，…，N，计算对应的虚高H_s表示卫星轨道高度，c表示真空中光速。再将每个通道的解调频率f_i换算成电子密度值Ne_i，Ne_i＝(f_i/9)²。这样，在一个序列对的脉冲重复周期T_prf里，得到N个电子密度值对应的虚高，生成电子密度随虚高的一维变化。综合多个脉冲重复周期的一维结果，得到电子密度随虚高和方位距离的二维变化，也就是二维电离图。方位分辨率为V_s·T_prf，也就是一个序列对的脉冲重复周期卫星飞行的距离，V_s表示卫星速度大小。

实施例：

根据表1所示参数，对系统进行了计算机仿真。仿真中完全互补序列的子脉冲码从{1，-1，j，-j}取值，其中j²＝-1。

表1仿真参数

仿真中将电离层电子密度分布N_e(h，x)近似看成垂直分布部分和水平扰动部分的乘积，假定垂直分布N_ver(h)满足Chapman模型，水平扰动部分F_hor(x)是高斯函数：

N_e(h，x)＝N_ver(h)·F_hor(x)    (5)

$>N_{\mathrm{ver}}\left(h\right)=N_0\exp \left\{0.5\right[1-\frac{{h-h}_0}{H}-\exp (-\frac{{h-h}_0}{H})\left]\right\}---\left(6\right)$>

$>F_{\mathrm{hor}}\left(x\right)=1+\exp [-\frac{{(x-\mu )}^2}{{\sigma }^2}]---\left(7\right)$>

式中，h和x分别代表高度和水平距离，N₀是电子密度峰值，h₀是电子密度峰值所在高度，H是标高，μ和σ分别表示高斯函数的中心和尺度。取N₀＝1×10¹²/m³，h₀＝350km，H＝50km，μ＝0，σ＝10km。图3为由式(5)直接生成的电子密度分布图，图3a为二维视图，图3b为三维视图。

仿真中的信号延迟时间由式(8)计算得到，式(8)表示的是频率为f_i的电磁波经电离层反射的双程延迟时间t_i：

$>t_i=\frac{{2f}_i}{c}{\int }_{H_s}^{h_i}\frac{\mathrm{dh}}{\sqrt{f_i^2-f_p^2}}---\left(8\right)$>

式中，H_s表示卫星轨道高度，h_i表示电磁波发生反射所在的高度，也就是电子密度为(f_i/9)²所在的高度，f_p表示截止频率

根据表1的参数，仿真中的方位分辨率高达0.28km，也就是卫星每飞行0.28km，即水平距离x每增加0.28km，系统生成一个电子密度随虚高的一维变化结果，综合水平距离x从-10km到10km的结果，得到电子密度二维分布——二维电离图，如图4所示，图4a为二维视图，图4b为三维视图。