一种基于雷达回波的电离层电子密度探测方法

摘要

本发明公开了一种基于雷达回波的电离层电子密度探测方法，其实现步骤如下：（1）原始数据的采集和存储；（2）电离层非相干散射回波提取；（3）电离层电子密度计算。本发明所公开的基于雷达回波的电离层电子密度探测方法，对提升我国的雷达电波环境自适应能力和空间环境监测预警能力具有重要意义：与目前的专用电离层电子密度探测方法相比，目前的专用电离层电子密度探测方法相比，本发明所公开的方法通过提取空间监视雷达的电离层非相干散射回波进而计算电离层电子密度，具有简单、经济的突出优点。本发明所公开的方法兼容性高、可移植性好，适用于绝大多数空间监视雷达，只需后者提供原始回波信号、发射脉冲信号、主脉冲信号和采样时钟等信号接口即可。

说明书

技术领域

本发明涉及空间环境监测预警领域，尤其涉及一种基于雷达回波的电离层电子密度探测方法。

背景技术

电离层是地面60公里以上到约1000公里的空间区域，在那里存在着大量的自由电子，对无线电系统的电波传播特性有重要影响，其中电离层电子密度的时空分布是电离层电波传播关心的主要参数。比如，短波远距离通信系统就是靠电离层对短波信号的反射实现的，电离层电子密度分布直接决定着短波通信链路的可用频段。再比如空间监视雷达的无线电信号穿过电离层传播，电离层电子密度导致雷达无线电信号的延时和电波射线弯曲，带来距离、角度、速度的测量误差。因此开展电离层电子密度的探测和研究具有重要科学意义和工程应用价值。目前的电离层电子密度探测主要是采用专门的电离层探测仪器设备(比如地基电离层垂直探测仪)，它们通过接收电离层反射、散射的回波，进而探测与反演电离层电子密度。

近年来，随着空间环境监测预警技术的不断发展，国内外陆续建设了大量的地基空间监视雷达和天基对地监视雷达，这些雷达的电波信号都将穿越电离层，雷达回波中既包含空间目标信息，也包含电离层信息，如图1所示。在提取空间目标特征的同时，充分利用雷达回波中包含的电离层环境信息，提取电离层电子密度参数，一方面可实现一种新的电离层探测方法，另一方面，通过雷达环境自适应技术，补偿或消除电离层对雷达无线电信号传播的影响，有可能提高空间监视雷达探测精度。

研究表明，对于VHF-S频段的空间监视雷达，其波长大于电离层等离子体德拜长度，当无线电信号穿过电离层传播时，将与电离层等离子体发生微弱的非相干散射。当雷达发射功率足够大(一般为MW量级)，接收系统灵敏度足够高(天线增益一般为30dB以上，系统噪声温度一般小于200K)时，雷达接收的原始回波中将既包含空间目标散射信息，也包括电离层非相干散射信息。由于空间目标和电离层的目标特性相差显著，因此有可能从空间监视雷达回波中提取电离层非相干散射回波，进而反演电离层电子密度等参数。

由于空间监视雷达系统一定程度上属于军事敏感话题，国内外相关文献报道较少。俄罗斯和乌克兰曾利用退役的军用空间监视雷达，重新研制了数据采集、信号处理与数据分析系统，实现了电离层参数的探测能力。国内中国电子科技集团公司第二十二研究所于上世纪80年代初利用原7010空间目标监视雷达，通过专门研制独立的信号处理终端，实现了对电离层非相干散射回波的提取和电离层电子密度等参数的反演，初步验证了基于雷达回波的电离层反演技术的可行性，但是受限于当时的雷达、信号处理和计算等技术限制，该技术的时间分辨率(需积累约10分钟才能反演一个电子密度剖面，并且事后分析)、空间分辨率(数十km)、测量精度等都很低，无法满足实际应用需求。

随着我国空间监视雷达技术的不断发展，充分利用雷达回波数据，挖掘更多的空间目标和空间环境信息，不断提升雷达的空间目标探测能力和电离层环境自适应能力，日益成为紧迫需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对我国空间监视雷达的电离层环境自适应能力不足的现状，基于电离层非相干散射探测原理，提供一种基于空间监视雷达原始回波的电离层电子密度探测方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于雷达回波的电离层电子密度探测方法，其实现步骤如下：

(1)原始数据的采集和预处理

需从空间监视雷达接收机系统采集空间散射回波原始数据，包括每个脉冲重复周期内的空间散射回波信号和发射脉冲信号；然后将原始采样数据以文件形式存储，如果无法采集发射脉冲信号，亦可以模拟发射脉冲，用于下一步的电离层回波提取；

(2)电离层非相干散射回波提取

设雷达回波采样数据为s_j(t)，发射脉冲为m_j(t)，则单个脉冲的电离层非相干散射回波电平为：

$V_{ij}=m\otimes s_{ij}$

这里表示卷积运算，将100‐900km的高度区域对应的距离划分为若干距离门，i表示距离门的序号，j表示积累的脉冲数，1000≤j≤30000，积累后的电离层非相干散射回波功率p_i为：

$P_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{c}_j\{{\left|V_{ij}\right|}^2-P_{nj}\}$

P_nj为第j的脉冲对应的噪声功率，c_j为第j次脉冲的积累系数；

(3)电离层电子密度计算

电离层非相干散射雷达方程可表示为：

$P_r=\frac{G^2{P}_t{\lambda }^{2}c\tau }{{\left(8\pi \right)}^2{L}_s{R}^2}\frac{N_e}{(1+{\alpha }^2)}{\sigma }_0{\theta }_{0.5}{\psi }_{0.5}$

其中G为天线增益，P_t为发射峰值功率，λ为雷达波长，c为光速，τ为脉冲宽度，R为距离，N_e为R处的电子密度，L_s为系统损耗，θ_0.5和ψ_0.5分别为天线方位和俯仰的波束宽度，α为电离层等离子体德拜长度与雷达波长之比，由于α一般小于0.1可忽略，因此可以进一步简化为：

$P_r=k\frac{N_e}{R^2}$

k为与雷达系统参数等有关的综合性系数，则第i个距离门的电离层电子密度可表示为：

$N_{ei}=\frac{R_i^2{P}_{ri}}{k}.$

进一步的，在步骤(1)中，采用背景噪声作为门限，超过门限且持续时间为一个脉冲宽度则视为空间目标回波，超过门限且持续时间随机则为强干扰信号，用插值法替换空间目标或干扰信号对应的数据，用于电离层非相干散射回波提取。

进一步的，在步骤(2)中，若脉冲重复周期为12ms，对应的脉冲重复周期数目一般最大为25000次，则相干积累时间为5分钟。

进一步的，在步骤(2)中，空间目标散射、各种干扰和噪声都对电离层非相干散射回波提取产生影响，需要结合空间目标信息和干扰特征，消除这些不利影响，上述的空间目标信息包括但不限于距离。

进一步的，在步骤(2)中，对巴克码可视为常数，具体与雷达编码和相干积累方法有关。

进一步的，在步骤(3)中，由于雷达系统参数众多，可以采用其他专用电离层探测设备，例如机动式电离层垂直探测仪，探测的电离层最大反射频率f_oF₂或最大电子密度N_mF₂进行标校，其中，

N_mF＝1.24·f_oF²·10¹⁰

$k=\frac{N_m{F}_2}{max(R^2·P_r)}.$

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的基于雷达回波的电离层电子密度探测方法，对提升我国的雷达电波环境自适应和空间环境监测预警能力具有重要意义。具体的说：

(1)与目前的专用电离层电子密度探测方法相比，本发明所公开的方法通过提取空间监视雷达的电离层非相干散射回波进而计算电离层电子密度，具有简单、经济的突出优点。

(2)本发明所公开的方法兼容性高、可移植性好，适用于绝大多数空间监视雷达，只需后者提供原始回波信号、发射脉冲信号、主脉冲信号和采样时钟等信号接口即可。

(3)本发明所公开的方法为提高空间监视雷达的电离层电波环境自适应能力提供了一条新的技术途径。

附图说明

图1是同时含有空间目标和电离层信息的空间监视雷达回波数据；

图2是本发明实施例1所公开的电离层电子密度探测方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例1所公开的雷达波束扫描区域划分示意图；

图4是本发明实施例1所公开的在某空间环境探测雷达上进行试验时获得的该雷达的原始回波数据剖面图；

图5是本发明实施例1所公开的在某空间环境探测雷达上进行试验时积累2000个脉冲重复周期获得的电离层非相干散射回波功率剖面图；

图6是本发明实施例1所公开的在某空间环境探测雷达上进行试验时积累2000个脉冲重复周期获得的电离层电子密度剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图2所示，本实施例公开了一种基于雷达回波的电离层电子密度探测方法，其实现步骤如下：

(1)原始数据的采集和预处理

首先应采集与存储所需的数据，包括每个脉冲重复周期内的电离层散射回波信号、发射脉冲信号、采样时钟、同步脉冲信号等；然后将采样数据以数据文件形式存储。注意需要消除空间目标、干扰对空间散射回波数据的影响。

(2)电离层非相干散射回波提取

由于电离层非相干散射非常微弱(低于背景噪声10dB以上，与电离层电子密度等有关)，一般采取相干积累的方式，积累至少1000次以上，因此至少采集1000次以上脉冲重复周期的数据，才能提取出电离层非相干散射回波。积累次数不可过多，否则电离层不再满足时间相关性并且时间分辨率偏低，一般不超过5分钟，若脉冲重复周期为12ms，则对应的脉冲重复周期数目最大为25000次。

电离层虽然满足一定的球面分层水平均匀性和空间相关性，但是由于空间监视雷达探测空间目标时，波束会随着空间目标快速运动而快速变化。随着波束仰角的快速变化，雷达波束将扫描很大的电离层区域，此时整个扫描区域的电离层不再满足球面分层水平均匀性和空间相关性，因此需要对雷达波束仰角扫描范围进行划分。如图3所示，一般分为4个区域，即10°-20°(表示为Z₄)、20°-40°(表示为Z₃)、40°-60°(表示为Z₂)、60°-90°(表示为Z₁)。由于各区域内的电离层空间相关性不同，对于高仰角的Z₁区其空间相关性最好，允许的相干积累时间更长。通过分区，认为只有在各分区内散射的雷达回波才满足相干性，这样可一定程度降低电离层水平不均匀性对相干积累的影响，提高电离层电子密度探测精度。如果雷达波束在各个区域的扫描持续时间(驻留时间)满足上文的电离层时间约束性条件，则读取此扫描区域内的雷达回波数据用于下一步的分析。

由于空间目标散射截面远大于电离层等离子体，并且电离层非相干散射回波为类似于随机噪声的微弱信号，因此应去除雷达回波数据中的空间目标和强干扰信号。采用背景噪声作为门限，超过门限且持续时间为一个脉冲宽度则视为空间目标回波，超过门限且持续时间随机则为干扰信号，用插值法替换空间目标或干扰信号对应的数据，用于下一步的电离层非相干散射回波提取。

设雷达回波采样数据为s_j(t)，发射脉冲为m_j(t)，则单个脉冲的电离层非相干散射回波电平为：

$V_{ij}=m\otimes s_{ij}---\left(1\right)$

这里表示卷积运算，i表示距离门(将100‐900km的高度区域对应的距离划分为若干距离门)的序号，j表示积累的脉冲数，1000≤j≤30000，积累后的电离层非相干散射回波功率p_i为：

$P_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{c}_j\{{\left|V_{ij}\right|}^2-P_{nj}\}---\left(2\right)$

P_nj为第j的脉冲对应的噪声功率，c_j为第j次脉冲的积累系数。

(3)电离层电子密度计算

电离层非相干散射雷达方程可表示为：

$P_r=\frac{G_t^2{P}_t{\lambda }^{2}c\tau }{{\left(8\pi \right)}^2{L}_s{R}^2}\frac{N_e}{(1+{\alpha }^2)}{\sigma }_0{\theta }_{0.5}{\psi }_{0.5}---\left(3\right)$

其中G为天线增益，P_t为发射峰值功率，λ为雷达波长，c为光速，τ为脉冲宽度，R为距离，N_e为R处的电子密度，L_s为系统损耗，R为距离，θ_0.5和ψ_0.5分别为天线方位和俯仰的波束宽度，α为电离层等离子体德拜长度与雷达波长之比(一般小于0.1，可忽略)，(3)式进一步简化为：

$P_r=k\frac{N_e}{R^2}---\left(4\right)$

这里k为与雷达系统参数等有关的综合性系数，则第i个距离门的电离层电子密度可表示为：

$N_{ei}=\frac{R_i^2{P}_{ri}}{k}---\left(5\right)$

需要注意的是，由于雷达系统参数众多，其精确测量和标校可能具有一定难度，可以采用其他专用电离层探测设备(如机动式电离层垂直探测仪)探测的电离层最大反射频率f_oF₂或最大电子密度N_mF₂进行标校。

N_mF＝1.24·f_oF²·10¹⁰(6)

$k=\frac{N_m{F}_2}{max(R^2·P_r)}---\left(7\right)$

将本实施例所公开的方法在某空间环境探测雷达上进行试验，该雷达的主要参数包括：工作频率为500MHz、发射峰值功率为2MW、最大占空比为5％、脉冲重复周期为12ms、脉冲宽度为390us、天线增益为41dB、系统噪声温度为150K。其具体实施步骤如下：

(1)首先，采集该雷达的空间散射回波数据。该雷达起始仰角85°，仰角扫描速度为1°/s，方位角固定为0°，波束仰角从85°逐渐降低至50°需耗时35s(对应的脉冲重复周期数为2916，其中第一区域内驻留时间为25s对应2083个脉冲重复周期，第二区域内驻留时间为10秒对应833个脉冲重复周期)，然后从55°扫描至85°，依次重复。数据采样率为6.25MHz，采样距离门为0.8-6.8ms(对应距离为120-1020km)，每个脉冲重复周期内的采样点数为37500，每个数据点2个字节，将每500个脉冲重复周期对应的采样数据保存一个数据文件，单个数据文件大小72MB，对应的脉冲积累时间为6s。该雷达的原始回波数据电平剖面如图4所示。

(2)读取雷达波束位于第一仰角区域内的数据，对数据文件进行快速扫描，去除每个重复周期内的原始数据中强的空间目标和干扰信号，并对数据进行插值处理。利用上文方法提取雷达波束位于第一仰角区域内的电离层非相干散射回波，并进行相干积累。图5给出了第一仰角区域内的积累2000次的电离层非相干散射回波功率剖面。

(3)利用上文方法公式(4)计算与电离层非相干散射回波功率剖面对应的电离层电子密度剖面，见图6。图6的电离层电子密度剖面曲线变化比较平滑，符合电离层的变化规律，表明本方法是基本可行的。