基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计的方法

摘要

基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计的方法，涉及一种电离层高度估计的方法。为了解决现有间接探测法复杂耗时的问题。包括：步骤一：根据高频地波雷达的静止目标回波信息，获得静止目标回波信息集合及匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合；步骤二：在静止目标回波信息集合中获取天波回波延迟序列，将确认岛屿目标地波回波信息集合中的延迟序列与匹配后的天波回波延迟序列组成成对延迟集合；步骤三：根据成对延迟集合，修正的天波回波路径距离；步骤四：根据修正的天波回波路径距离，获得高频地波雷达探测方向的电离层高度估计值。本发明用于直接估计电离层高度、高频地波雷达目标定位以及其他远海目标信息获取的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电离层高度估计的方法，属于高频地波雷达目标探测和电离层高度估计领域。

背景技术

电离层是现代通信中十分重要的环节，空间的短波通信、天波雷达等都是利用其对电磁波的反射作用才能够实现的。目前对于电离层高度估计的研究主要是通过探测器进行直接探测和间接探测。直接探测采用运载火箭或地球卫星，将电离层探测器放置到高空，对电离层参数进行实时监控；间接探测通过接收电离层反射的电磁波，分析其回波特性，进而得到电离层参数，现有的间接探测法非常复杂耗时。直接探测方式由于要用到火箭、卫星等飞行器携带至电离层中进行探测，因此费用十分昂贵。

目前，高频地波超视距雷达的发展为本发明提供了技术支持。高频地波超视距雷达是采用经过垂直极化方式的高频电波，可以沿着海面进行传播的原理，对视距以外的海面舰船、低空和超低空飞行的目标进行探测。但由于高频地波雷达垂直方向图的不理想特性，导致高频地波雷达接收的回波信号中既包含了目标的地波路径回波，也可能包含了目标的电离层反射路径回波，通过这两条路径信息，就可以对电离层高度信息进行估计。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有间接探测法复杂耗时的问题，本发明提供一种基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计的方法。

本发明的基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：从高频地波雷达的静止目标回波信息中提取静止目标延迟，获得静止目标回波信息集合，将静止目标回波信息集合与真实岛屿目标信息匹配，获得匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合；

步骤二：静止目标回波信息集合和确认岛屿目标地波回波信息集合进行延迟及角度匹配，将不匹配的确认岛屿目标排除，获得匹配后的天波回波延迟序列，确认岛屿目标地波回波信息集合中的延迟序列与匹配后的天波回波延迟序列组成成对延迟集合；

步骤三：根据步骤二的成对延迟集合，获取修正的天波回波路径距离；

步骤四：根据修正的天波回波路径距离，计算得到每一个岛屿目标所对应的电离层高度估计值序列，对同一岛屿目标的电离层高度估计值取均值，为此时高频地波雷达探测方向的电离层高度估计值。

优选的是，所述步骤一中：从高频地波雷达的静止目标回波信息中提取静止目标延迟，获得静止目标回波信息集合为：

高频地波雷达探测到的静止目标回波信息为其中n为经过目标检测后得到的第n个静止目标，n＝1，...，N，共有N个静止目标；k为观测数据批次；为第n个目标第k次观测的距离信息集合；为第n个目标第k次观测的多普勒信息集合；为第n个目标第k次观测的角度信息集合；

通过距离信息集合计算出对应于第n个静止目标的第k次观测所得到的静止目标回波延迟序列

${\tau }_n^k=\frac{2R_n^k}{c};$

其中c为光速；

进而获得静止目标回波信息集合

优选的是，所述步骤一中，将静止目标回波信息集合与真实岛屿目标信息匹配，获得匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合为：

通过静止目标回波信息集合中的距离信息和角度信息集合同时比对先验的真实岛屿目标的地理信息，得到静止目标回波信息与真实岛屿目标所匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合其中i为经过确认匹配的第i个真实岛屿目标，i＝1，...，I，共有I个岛屿目标，为确认岛屿目标的地波回波信息的延迟序列，为第i个岛屿目标第k次观测的多普勒信息集合，为第i个岛屿目标第k次观测的角度信息集合。

优选的是，所述步骤二包括：首先，在静止目标回波信息集合中排除不满足的静止目标回波信息，剩余的加入集合

其中，为排除确认岛屿目标后的第j个目标第k次观测的延迟信息，j＝1，...，N-I；Δτ_m为延迟判定门限，下标m为不同的电离层反射模式；

然后，在集合中排除不满足的静止目标回波信息，剩余的为匹配后的天波回波延迟序列；

其中，为排除确认岛屿目标后的第j个目标第k次观测的角度信息，Δθ为角度判定门限；

最后，根据确认岛屿目标地波回波信息集合和匹配后的天波回波延迟序列构成成对延迟集合

优选的是，

$\left\{{\mathrm{\Delta \tau }}_m\right\}=\frac{2\left\{h_m\right\}}{c};$

其中，{h_m}＝{h_mE，h_mF₁，h_mF₂}，分别代表E层、F₁层和F₂层电离层的峰值高度，c表示光速。

优选的是，

其中，λ为雷达发射波长，λ＝c/f，f为雷达发射频率；D为雷达阵列孔径。

优选的是，所述步骤三中，根据步骤二的成对延迟集合，获取修正的天波回波路径距离为：

根据成对延迟集合经过修正的天波回波路径距离序列

$R_j^k=\frac{c(2{\tau }_i^k-{\tau }_i^k)}{2};$

其中，为确认岛屿目标的地波回波信息的延迟序列，为配后的延迟序列。

优选的是，所述步骤四包括：

根据修正的天波回波路径距离得到每一个岛屿目标所对应的电离层高度估计值序列

$h_i^k=\sqrt{{\left(\frac{R_j^k}{2}\right)}^2-{[R_0·sin\left(\frac{r_i^k}{2R_0}\right)]}^2}-R_0·[1-cos\left(\frac{r_i^k}{2R_0}\right)]$

其中，为确认岛屿目标的地波回波路径距离；R₀为地球半径；

对同一岛屿目标的k次观测结果取平均值，得到该岛屿目标上空的电离层高度估计值为

$\overline{h_i}=\frac{1}{k}\underset{1}{\overset{k}{\Sigma }}{h}_i^k.$

本发明的有益效果在于，本发明能够从高频地波雷达回波信息中直接估计电离层高度，具有直接利用探测数据、实施简单方便、可实时计算等特点，也能够适用于高频地波雷达目标定位以及其他远海目标信息获取的场合。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的原理示意图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计的方法，包括：

步骤一：从高频地波雷达的静止目标回波信息中提取静止目标延迟，获得静止目标回波信息集合，将静止目标回波信息集合与真实岛屿目标信息匹配，获得匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合；

步骤二：静止目标回波信息集合和确认岛屿目标地波回波信息集合进行延迟及角度匹配，将不匹配的确认岛屿目标排除，获得匹配后的天波回波延迟序列，确认岛屿目标地波回波信息集合中的延迟序列与匹配后的天波回波延迟序列组成成对延迟集合；

步骤三：根据步骤二的成对延迟集合，获取修正的天波回波路径距离；

步骤四：根据修正的天波回波路径距离，计算得到每一个岛屿目标所对应的电离层高度估计值序列，对同一岛屿目标的电离层高度估计值取均值，为此时高频地波雷达探测方向的电离层高度估计值。

本实施方式中，匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合为目标的地波路径回波成对延迟集合为目标的电离层反射路径回波。

在优选的实施例中，步骤一具体包括：

设高频地波雷达探测到的静止目标回波信息为其中n为经过目标检测后得到的第n个静止目标，n＝1，...，N，共有N个静止目标；k为观测数据批次；为第n个目标第k次观测的距离信息集合，单位为km；为第n个目标第k次观测的多普勒信息集合，单位为Hz；为第n个目标第k次观测的角度信息集合，单位为度。

通过距离信息集合可以计算出对应于第n个静止目标的第k次观测所得到的静止目标回波延迟序列

${\tau }_n^k=\frac{2R_n^k}{c}$

其中c为光速，单位m/s。；

进而获得静止目标回波信息集合

通过静止目标回波信息中的距离信息和角度信息集合同时比对先验的真实岛屿目标地理信息，确定一组静止目标回波信息与某真实岛屿目标所匹配，该组静止目标回波信息如表1所示：

表1

批次距离/km速度/m/s角度/度时延/msk140.70290.006-8.266190.938k+1139.31160.017-20.53650.928k+2141.06590.001-0.946150.940k+3140.84780.007-10.32050.938k+4140.962-0.004-9.926260.939k+5141.3096-0.006-7.539860.942k+6141.1710.012-9.572350.941

本实施方式是将表1内的数据绘制在某真实岛屿目标的地图上，这些数据与该真实岛屿目标的地图的信息匹配，由此将该真实岛屿目标的地波路径回波信息作为该组静止目标回波信息与真实岛屿目标所匹配的确认岛屿目标地波回波信息集合进而获得确认岛屿目标的地波回波信息的延迟序列其中i为经过确认的第i个真实岛屿目标，i＝1，...，I，共有I个岛屿目标。

在优选的实施例中，步骤二具体包括：

首先，在静止目标回波信息集合中排除不满足的静止目标回波信息，剩余的加入集合

其中，为排除确认岛屿目标后的第j个目标第k次观测的延迟信息，j＝1，...，N-I；Δτ_m为延迟判定门限，下标m为不同的电离层反射模式，来自国际参考电离层模型IRI-2012预测的当地电离层典型高度所计算的延迟，由下式给出：

$\left\{{\mathrm{\Delta \tau }}_m\right\}=\frac{2\left\{h_m\right\}}{c}$

其中，{h_m}＝{h_mE，h_mF₁，h_mF₂}，分别代表E层、F₁层和F₂层电离层的峰值高度，作为分界面，来判断分层多径效应。

然后，在集合中排除不满足的静止目标回波信息，剩余的为匹配后的天波回波延迟序列；

其中，为排除确认岛屿目标后的第j个目标第k次观测的角度信息，Δθ为角度判定门限，单位度，来自雷达特性的波束宽度，由下式给出：

其中，λ为雷达发射波长，单位m，λ＝c/f，f为雷达发射频率；D为雷达阵列孔径，单位m；

最后，根据确认岛屿目标地波回波信息集合和匹配后的天波回波延迟序列构成成对延迟集合

本实施方式的匹配原则：

分别在时间延迟上和角度上，以确认的岛屿目标地波回波信息为参考，用静止目标回波信息与其做差，寻找差值满足匹配准则的静止目标地波回波信息集合作为与确认岛屿目标匹配的天波回波信息。

本实施方式中，通过国际参考电离层模型IRI-2012确定时延判定门限：

由IRI-2012模型计算，2015年7月18日11时的东经121.33°，北纬37.92°，渤海海域上空的电离层参数，E层峰值高度h_mE，F1层峰值高度h_mF₁，F2层峰值高度h_mF₂，如表2所示：

表2

电离层参数高度h_mE/km110.0h_mF₁/km182.2h_mF₂/km270.4

由此可以得到{h_m}＝{110，182.2，270.4}，由公式

$\left\{{\mathrm{\Delta \tau }}_m\right\}=\frac{2\left\{h_m\right\}}{c}$

得到{Δτ_m＝0.733，1.215，1.803}，单位ms。

确定角度判定门限，由公式

带入本次实验的参数，λ＝c/f，f＝4.13 MHz，D＝M·d，阵元数M＝8，阵列间隔d＝14.5m，由此可以计算得到Δθ＝31.81°。

根据获得的Δτ_m和Δθ，匹配后，得到成对延迟集合如表3所示：

表3

在优选的实施例中，步骤三包括：

对获得的成对延迟集合进行如下式所示计算：

$R_j^k=\frac{c(2{\tau }_j^k-{\tau }_i^k)}{2},$

得到经过修正的天波回波路径距离

本实施方式中，根据表3的数据，对天波路径时延进行天波距离修正，修正结果如表4所示：

表4

在优选的实施例中，步骤四包括：

将修正的天波回波路径距离代入下式中，得到每一个岛屿目标所对应的电离层高度估计值序列

其中，为确认岛屿目标的地波回波路径距离，单位km；R₀为地球半径，单位km。

对同一岛屿目标的k次观测结果取平均值，得到该岛屿目标上空的电离层高度估计值为

$\overline{h_i}=\frac{1}{k}\underset{1}{\overset{k}{\Sigma }}{h}_i^k.$

本实施方式中，根据表4的数据，得到该批次电离层高度估计值的平均值为

综上所述，本发明提出了基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计方法，本发明能够从高频地波雷达回波信息中直接估计电离层高度，具有直接利用探测数据、实施简单方便、可实时计算等特点，也能够适用于高频地波雷达目标定位以及其他远海目标信息获取的场合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。