CN103913723A - 一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法 - Google Patents

Abstract

一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法，在非相干散射雷达信号处理的基础上，结合巴克码，长脉冲编码以及交替码对回波信号进行处理，根据三者自相关函数表达式，利用MATlAB软件求得三种编码的自相关函数以及其功率谱。本发明的优点是：可探测到电离层多种参数，结合巴克码、长脉冲编码以及交替码的信号处理过程，利用MATLAB软件求出其自相关函数和功率谱。

Description

一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法

技术领域

本发明涉及一种波形设计方法，尤其涉及一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法。

背景技术

电离层对无线电通信、导航、测量以及人类空间活动等都有着非常重要的影响，从而对电离层的研究具有十分重要的意义，非相干散射雷达是探测电离层的强有力工具，是唯一能够测量整个电离层高度的设备，可覆盖从六十公里至两千公里左右的范围，从而探测到电离层多种参数，包括电子密度、电子温度、离子密度和离子温度等。由于非相干散射雷达的建造和运行费用都比较昂贵，所以并没有广泛运用，目前全世界大概只有十部非相干散射雷达，集中于美洲和北欧。我国于2008年开工建设的空间科学重大项目——子午工程，其中涉及了领头设备非相干散射雷达技术，本发明是一种处理非相干散射雷达回波信号的方法，具体给出了巴克码、长脉冲编码和交替码的信号处理算法。

探测电离层是指用直接或间接的探测方法，获得电离层物理参量及其变化规律的工作，之前就有用连续波法来进行探测，后来发明电离层垂直探测装置，直到戈登提出的电离层非相干散射探测理论，从此拉开了非相干散射雷达发展的序幕。之后人们开始研究一种新的电离层探测手段——非相干散射雷达，是目前测量空间大气环境参数最先进的手段。

研究非相干散射雷达的过程中，有两个问题需要解决，一是散射信号功率谱的计算，二是对等离子体散射谱进行建模分析并且反演得到电离层的参量。第一个就是涉及到信号处理的部分，在没有实测数据的情况下，可以在非相干散射雷达信号处理的基础上，结合巴克码，长脉冲编码以及交替码对回波信号进行处理，从而有了非相干散射雷达散射信号的波形设计方法。

在深刻理解非相干散射基本原理的基础上，熟悉回波信号处理的一般过程，研究基本雷达调制方式：巴克码，长脉冲编码以及交替码，根据其自相关函数表达式，利用MATlAB软件可求得三种编码的自相关函数以及其功率谱。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法，当我们探测电离层时，不同的编码方式和回波处理过程将会影响其探测谱的形状，为了消除这两方面所带来的不平衡性，所以需要对求得的功率谱进行修正，由此我们引入了模糊函数这一概念，在整个波形设计过程中，其核心就是模糊函数，包括幅度模糊函数、二维模糊函数、距离幅度模糊函数以及距离模糊函数。非相干散射雷达散射信号处理主要有巴克码、长脉冲编码以及交替码三种编码方式。

本发明是这样来实现的，其特征在于：在非相干散射雷达信号处理的基础上，结合巴克码，长脉冲编码以及交替码对回波信号进行处理，根据三者自相关函数表达式，利用MATlAB软件求得三种编码的自相关函数以及其功率谱。

本发明所述巴克码是一种相位调制，是二相编码信号的一种，在相位编码中，发射脉冲被划分为一系列单元，每个单元具有一个确定的相位，一般在实际处理中，相位有                                               和0，这种相位编码对应的两个包络值是-1和1或者0和1。巴克码是一种脉冲压缩编码波形，可获得较高的距离分辨率和最大可能探测距离；其特征在于：若一个n 位的巴克码{}，每个码元只可能取值+1或-1，则它必然满足条件：

             

在处理巴克码的过程中采用的是匹配滤波，使其输出信噪比最大，其滤波系数是巴克码包络的镜像函数，然后对经过滤波器卷积后的回波信号进行采样，得到一系列的数值，由上式可知，信号的自相关可以求出。但是在实际应用中，直接进行卷积会造成很大的计算量，其中卷积了很多不必要的点，在计算自相关函数很多点是没有用的。所以为了简化以及更加快速的计算，直接将滤波器系数和回波信号相乘，根据lag时延间隔的要求，对乘积结果进行相关求和，就可以得到自相关函数。对于巴克码编码信号的自相关函数就是其距离幅度模糊函数，并且在lag0处的中心有一个较大的峰值，较小的旁瓣，可以得到较高的距离分辨率，但是随着lag的增大，会导致旁瓣的增大以及距离分辨率的下降，所以一般是求得lag0处的自相关，即巴克码只能求某一高度电离层等离子体零时延处的自相关。巴克码的处理方式比较简单，匹配滤波后每个高度得到一个滤波结果，将其平方得到功率，有比较高的距离分辨率，但是只能求得每个高度上的功率剖面，含有较少的信息量，所以，一般在实际应用中，将其作为一种辅助手段结合其它编码进行探测实验。

本发明所述长脉冲编码调制是最简单的调制方式，尽管调制方式简单，但是数据采样和距离门的确定比较困难，脉冲宽度较长，其高度分辨率在10km~30km之间，因此通常适用于探测电离层F层或低仰角和低空间分辩率探测，而在E层等低电离层，因为各电离层参数的垂向梯度较大，需要较小的距离分辨率，这种调制方式不能满足探测要求。长脉冲的自相关函数可以表示为：

其中，i 表示第 i 个高度的距离门，n 是脉冲宽度与 lag 时延间隔。

本发明所述交替码是将单个长脉冲划分为一系列小单元，所有的单元之间可以进行相关操作，且单元之间不影响，可以分为强交替码和弱交替码，因为强交替码和弱交替码的工作原理是相同的，所以其工作原理可简单的由四位弱交替码给出。

本发明的优点是：可探测到电离层多种参数，结合巴克码、长脉冲编码以及交替码的信号处理过程，利用MATLAB软件求出其自相关函数和功率谱。

附图说明   

    图1为本发明巴克码编码回波信号功率谱图。

    图2为本发明长脉冲编码回波信号功率谱图。

    图3为本发明交替码编码回波信号功率谱图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，巴克码处采用的是匹配滤波，对于巴克码编码信号的自相关函数就是其距离幅度模糊函数，在处理巴克码调制的过程中运用了脉冲压缩和非相干累积，首先将发射信号经过13位巴克码编码调制，然后将其进行脉冲压缩得到回波信号的自相关函数，再做傅里叶变换得到功率谱。

如图2所示，长脉冲编码调制过程中，假设脉冲宽度是lag时延间隔的20倍，即n为20，阴影部分表示一个距离门，反映同一个高度的信息，每个单元格表示的是滤波点的乘积，将这些乘积沿对角线相加便可以得到相应时延的自相关。为了消除传统方法下的不平衡性，v的值是可以变动的，主要是使得所有 lag 求解涉及到的滤波点数尽量接近，可以有效的提高信噪比，这里假设v为3，根据自相关函数的表达式即可以得到其自相关函数，进而求得功率谱。

如图3所示，交替码调制过程中，求出其分延时的自相关函数，将其合并，可以得到回波信号的自相关函数，并求得功率谱。

Claims (4)

1.一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法，其特征在于：在非相干散射雷达信号处理的基础上，结合巴克码，长脉冲编码以及交替码对回波信号进行处理，根据三者自相关函数表达式，利用MATlAB软件求得三种编码的自相关函数以及其功率谱。

2.根据权利要求1所述的一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法，其特征在于：所述巴克码是一种相位调制，是二相编码信号的一种，若一个n 位的巴克码{                                               }，每个码元只可能取值+1或-1，则它满足条件：

               。

3.根据权利要求1所述的一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法，其特征在于：所述长脉冲编码调制通常适用于探测电离层F层或低仰角和低空间分辩率探测，长脉冲的自相关函数可以表示为：

其中，i 表示第 i 个高度的距离门，n 是脉冲宽度与 lag 时延间隔。

4.根据权利要求1所述的一种处理非相干散射雷达散射信号的波形设计方法，其特征在于：所述交替码是将单个长脉冲划分为一系列小单元，所有的单元之间可以进行相关操作，且单元之间不影响，可分为强交替码和弱交替码。