一种被动式在线电子密度辨识系统、方法及电子设备

摘要

本发明实施例提供一种被动式在线电子密度辨识系统、方法及电子设备，该系统包括：接收天线、耦合器和辨识接收机；其中，所述接收天线与既有发射天线错位布置在飞行器外壳的内侧，用于接收从发射天线辐射的透射信号；其中，所述耦合器将既有发射通路的信号耦合出来并发送给辨识接收机作为参考信号；其中，所述辨识接收机用于接收参考信号和透射信号，并根据所述参考信号和透射信号计算电子密度信息。本发明的透射信号是既有发射机(如遥测发射机等)经发射天线发出的信号在经过等离子体鞘套后得到的，从接收到的参考信号和透射信号中提取信号幅度、相位等信息变化，用于估计接收天线和发射天线之间区域的电子密度。

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种被动式在线电子密度辨识系统、方法及电子设备。

背景技术

通信黑障是再入飞行器，如载人飞船等，都会面临的技术难题，正确估计飞行器表面的等离子鞘套对飞行器测控通信体制的选择、目标特性的评估都有很重要的指导意义。而电子密度是等离子鞘套最核心的参数，在线精确估计实际应用意义重大。

现有技术中，电子密度估计方法主要有飞行器平装探针法、微波反射法、地面反演法。平装探针法测量范围只能局限于探针很小的区域；地面反演法只能事后估计且受天气、地面设备标定影响，由于地面站有限和误差环节过多，只能测量某些段落，并且误差无法解耦；微波反射法需要自带辐射源，安装收发天线，对空间的需求较大。

因此，如何更好的实现电子密度测量已经成为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种被动式在线电子密度辨识系统、方法及电子设备，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种被动式在线电子密度辨识系统，包括：接收天线、耦合器和辨识接收机；

其中，所述接收天线与既有发射天线错位布置在飞行器外壳的内侧，用于接收从发射天线辐射的透射信号；

其中，所述耦合器将既有发射通路的信号耦合出来并发送给辨识接收机作为参考信号；

其中，所述辨识接收机用于接收既有发射机通过有线通道发送的参考信号和通过无线通道发送的透射信号，并根据所述参考信号和透射信号计算电子密度信息。

更具体的，所述辨识接收机具体包括：射频前端模块、中频处理模块和数字处理模块；

其中，所述射频前端模块用于将参考信号和透射信号滤波、放大、并变频至中频，然后将参考信号的中频信号和透射信号的中频信号输出给中频处理模块；

所述中频处理模块用于将参考信号的中频信号和透射信号的中频信号数字化正交下变频至基带，并输出给数字处理模块；

所述数字处理模块用于从参考信号的数字化正交下变频信号恢复出参考信号的瞬时幅度和参考信号的瞬时相位信息，从透射信号的数字化正交下变频信号中恢复出透射信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时相位信息；根据参考信号的瞬时幅度、参考信号的瞬时相位信息、透射信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时相位信息计算电子密度信息。

更具体的，所述数字处理模块具体用于：

根据参考信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时幅度确定信号衰减信息；

根据参考信号的瞬时相位信息和透射信号的瞬时相位信息确定信号相位差信息；

根据所述信号衰减信息确定第一平均电子密度，根据所述信号相位差信息确定第二平均电子密度；

将所述第一平均电子密度和所述第二平均电子密度进行加权平均，得到电子密度信息。

更具体的，所述被动系统还会利用：既有发射机和发射天线；

其中，所述既有发射机用于产生源信号。

第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面被动式在线电子密度辨识系统的电子密度辨识方法，包括：

获取发射天线发送的透射信号和发射通道耦合出来的参考信号；

根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息；

通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度。

更具体的，根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息的步骤，具体包括：

将参考信号和透射信号进行数据化及下变频至零中频，得到参考信号的数字化正交下变频信号和透射信号的数字化正交下变频信号；

从参考信号的数字化正交下变频信号恢复出参考信号的瞬时幅度和参考信号的瞬时相位信息，从透射信号的数字化正交下变频信号中恢复出透射信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时相位信息；

根据参考信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时幅度确定信号衰减信息，根据参考信号的瞬时相位信息和透射信号的瞬时相位信息确定信号相位差信息。

更具体的，所述通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度的步骤，具体包括：

根据所述信号衰减信息确定第一平均电子密度，根据所述信号相位差信息确定第二平均电子密度；

将所述第一平均电子密度和所述第二平均电子密度进行加权平均，得到电子密度信息。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述电子密度辨识方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述电子密度辨识方法的步骤。

本发明实施例提供的一种被动式在线电子密度辨识系统、方法及电子设备，通过布设接收天线和耦合器，保证辨识接收机能够同时接收到参考信号和透射信号，透射信号是既有发射天线发出信号在经过等离子体鞘套后得到的，从接收到的透射信号中提取的信号幅度、相位等信息的变化，估计接收和发射之间区域的电子密度。本发明利用了飞行器上既有测控通信系统等辐射源，相对探针测量局部点的电子密度，本发明实施例可以估计的是区域的平均电子密度，更具实用价值，且不会产生由于探针和飞行器表面材料不匹配导致的局部驻点；与现有微波反射法相比，本发明利用既有的辐射源(如测控通信系统)，无需增加发射设备或通道，降低电磁不兼容的风险，节省飞行器内部安装空间；跟地面事后反演法相比，虽然同为无线电信号估计，但本发明实施例信号传输的环节少，可最大程度降低空间环境、设备标定的影响，且可实现全程在线测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中所描述的被动式在线电子密度辨识系统结构示意图；

图2为本发明一实施例所描述的被动式在线电子密度辨识方法流程示意图；

图3为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例中所描述的被动式在线电子密度辨识系统结构示意图，如图1所示，包括：接收天线110、耦合器130和辨识接收机140，该系统工作时还会利用既有发射天线120和既有发射机150；

其中，所述接收天线110和既有发射天线120和错位布置在飞行器外壳的内侧，用于接收从发射天线辐射的透射信号；

其中，所述耦合器130将既有发射通路的信号耦合出来并发送辨识接收机140作为参考信号；

其中，所述辨识接收机140用于接收耦合器130产生的参考信号和接收天线110的透射信号，并根据所述参考信号和透射信号计算电子密度信息。

本发明实施例所描述的耦合器130会从发射通道感应出参考信号并通过通道Ch0发送给辨识接收机140，既有发射机150通过向既有发射天线120发射信号，信号经过等离子鞘套后，被接收天线110接收得到透射信号并通过通道Ch1发送给辨识接收机140。

本发明实施例中所描述的接收天线和发射天线错位布主要是为了保证电磁信号能够在等离子鞘套中穿行一定距离。

将透射信号和参考信号均数字化下变频至零中频，获得各自的正交信号X

从辨识接收机中透射信号和参考信号的数字化正交下变频信号中恢复出瞬时幅度信号

根据未经过等离子体鞘套的参考信号和经过等离子鞘套的透射信号的数据进行标校，得到透射信号的衰减信息Att和信号相位差信息Φ

假设发射天线和接收天线距离为D，收发天线之间等离子体短时平稳且均匀，则信号穿过等离子体中的衰减方程为

Att≈8.68αD

式中，α为等离子鞘套内电磁信号的衰减系数，ω为电磁波工作角频率，ω＝2πF

在信号带宽内将中心频点偏移F

根据经验公式，通过相位偏移也可求得第二平均电子密度

通过对第一平均电子密度和第二平均电子密度进行加权平均，此处取权值相等，得到最终的电子密度

本发明实施例通过设置接收天线和耦合器，保证辨识接收机能够同时接收到参考信号和透射信号，透射信号是发射天线发出的参考信号在经过等离子体鞘套后得到的，从接收到的透射信号中提取的信号幅度、相位等信息的变化，估计接收和发射之间区域的电子密度，相对探针测量局部点的电子密度，本发明实施例可以估计的是区域的平均电子密度，且不会产生由于探针和飞行器表面材料不匹配导致的局部驻点，与现有微波反射法相比，可以减少辐射源设备，节省飞行器内部安装空间，跟地面反演法相比，虽然同为无线电信号估计，但本发明实施例信号传输的环节少，可最大程度降低空间环境的影响，且可实现全程测量。

在上述实施例的基础上，所述辨识接收机具体包括：射频前端模块、中频处理模块和数字处理模块；

其中，所述射频前端模块用于将参考信号和透射信号滤波、放大、并变频至中频，然后将参考信号的中频信号和透射信号的中频信号输出给中频处理模块；

所述中频处理模块用于将参考信号的中频信号和透射信号的中频信号数字化正交下变频至基带，并输出给数字处理模块；

所述数字处理模块用于从参考信号的数字化正交下变频信号恢复出参考信号的瞬时幅度和参考信号的瞬时相位信息，从透射信号的数字化正交下变频信号中恢复出透射信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时相位信息；根据参考信号的瞬时幅度、参考信号的瞬时相位信息、透射信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时相位信息计算电子密度信息。

本发明实施例中所描述的辨识接收机以超外差结构的宽带软件无线电平台作为硬件平台，射频前端模块、中频处理模块和数字处理模块。

射频前端模块和中频处理模块用于将参考信号和透射信号进行数据化及下变频至零中频，得到参考信号的数字化正交下变频信号和透射信号的数字化正交下变频信号，X

在上述实施例的基础上，所述数字处理模块具体用于：

从辨识接收机中透射信号和参考信号的数字化正交下变频信号中恢复出瞬时幅度信号

根据参考信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时幅度确定信号衰减信息；

根据参考信号的瞬时相位信息和透射信号的瞬时相位信息确定信号相位差信息；

根据所述信号衰减信息确定第一平均电子密度，根据所述信号相位差信息确定第二平均电子密度；

将所述第一平均电子密度和所述第二平均电子密度进行加权平均，得到电子密度信息。

将参考信号的瞬时相位信息和透射信号的瞬时相位信息进行求差，得到信号相位差信息Φ

假设发射天线和接收天线距离为D，收发天线之间等离子体短时平稳且均匀，则信号穿过等离子体中的衰减方程为

Att≈8.68αD

式中，α为等离子鞘套内电磁信号的衰减系数，ω为电磁波工作角频率，ω＝2πF

在信号带宽内将中心频点偏移F

根据经验公式，通过相位偏移也可求得第二平均电子密度

通过对第一平均电子密度和第二平均电子密度进行加权平均，此处取权值相等，得到最终的电子密度

在上述实施例的基础上，所述被动系统在工作过程中还会利用既有发射机和既有发射天线；

其中，所述既有发射机用于产生源信号。

通过布设接收天线和耦合器，保证辨识接收机能够同时接收到参考信号和透射信号，透射信号是既有发射天线发出信号在经过等离子体鞘套后得到的，从接收到的透射信号中提取的信号幅度、相位等信息的变化，估计接收和发射之间区域的电子密度。本发明利用了飞行器上既有测控通信系统等辐射源，相对探针测量局部点的电子密度，本发明实施例可以估计的是区域的平均电子密度，且不会产生由于探针和飞行器表面材料不匹配导致的局部驻点；与现有微波反射法相比，本发明利用既有的辐射源(如测控通信系统)，无需增加发射设备或通道，降低电磁不兼容的风险，节省飞行器内部安装空间；跟地面事后反演法相比，虽然同为无线电信号估计，但本发明实施例信号传输的环节少，可最大程度降低空间环境、设备标定的影响，且可实现全程在线测量。

图2为本发明一实施例所描述的被动式在线电子密度辨识方法流程示意图，如图2所示，包括：

步骤S1，辨识接收机获取透射信号和参考信号；

步骤S2，根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息；

步骤S3，通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度。

在上述实施例的基础上，所述根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息的步骤，具体包括：

将参考信号和透射信号进行数据化及下变频至零中频，得到参考信号的数字化正交下变频信号和透射信号的数字化正交下变频信号；

从参考信号的数字化正交下变频信号恢复出参考信号的瞬时幅度和参考信号的瞬时相位信息，从透射信号的数字化正交下变频信号中恢复出透射信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时相位信息；

根据参考信号的瞬时幅度和透射信号的瞬时幅度确定信号衰减信息，根据参考信号的瞬时相位信息和透射信号的瞬时相位信息确定信号相位差信息。

在上述实施例的基础上，所述通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度的步骤，具体包括：

根据所述信号衰减信息确定第一平均电子密度，根据所述信号相位差信息确定第二平均电子密度；

将所述第一平均电子密度和所述第二平均电子密度进行加权平均，得到电子密度信息。

具体的，本发明实施例中所描述的透射信号是指，既有发射机经发射天线发射的基准信号在等离子鞘套中穿行一段距离之后，被接收天线所接收的信号。

本发明实施例中根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息的具体方法和上述实施例中的手段一致，请参照上述实施例，本实施例不再赘述。

通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度具体是根据信号衰减信息和信号相位差信息确定信号衰减信息和信号相位差信息，根据所述信号衰减信息确定第一平均电子密度，根据所述信号相位差信息确定第二平均电子密度，然后将第一平均电子密度和所述第二平均电子密度进行加权平均，且预设其权值相等，得到电子密度信息。

本发明实施例通过布设接收天线和耦合器，保证辨识接收机能够同时接收到参考信号和透射信号，透射信号是既有发射天线发出信号在经过等离子体鞘套后得到的，从接收到的透射信号中提取的信号幅度、相位等信息的变化，估计接收和发射之间区域的电子密度。本发明利用了飞行器上既有测控通信系统等辐射源，相对探针测量局部点的电子密度，本发明实施例可以估计的是区域的平均电子密度，且不会产生由于探针和飞行器表面材料不匹配导致的局部驻点；与现有微波反射法相比，本发明利用既有的辐射源(如测控通信系统)，无需增加发射设备或通道，降低电磁不兼容的风险，节省飞行器内部安装空间；跟地面事后反演法相比，虽然同为无线电信号估计，但本发明实施例信号传输的环节少，可最大程度降低空间环境、设备标定的影响，且可实现全程在线测量。

图3为本发明一实施例所描述的电子设备是指辨识接收机，结构示意图如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(Communications Interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行如下方法：获取透射信号和参考信号；根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息；通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度。

此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取透射信号和参考信号；根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息；通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：获取透射信号和参考信号；根据所述透射信号和参考信号确定信号衰减信息和信号相位差信息；通过信号衰减信息和信号相位差信息确定电子密度。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。