CN104391279B - 基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法 - Google Patents

Abstract

基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，属于雷达信号处理技术领域。本发明解决了现有的电离层相径扰动抑制方法从信号处理角度对电离层相径扰动抑制时，抑制作用很有限、甚至失效的问题。技术方案为：通过对国际参考电离层模型和多准抛物线模型进行混合建模得到电离层空间反射时变参数模型；以上述模型的电子浓度剖面为基础，利用射线追踪方法推导MQP模型的相位路径计算解析式，并在不同时刻多次运行后获得相位路径随时间的变化值；利用最小二乘法拟合得到的相位扰动补偿曲线对受电离层相径扰动的回波谱进行抑制，最终得到抑制后的电离层回波谱。本发明适用于处理高频天波雷达下受电离层相径扰动的展宽海杂波谱。

Description

基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法

技术领域

本发明涉及高频天波雷达的电离层相径扰动抑制方法，特别涉及一种基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，属于雷达信号处理技术领域。

背景技术

天波超视距雷达(OTHR)工作在高频短波波段，利用电离层作为其主要传输媒质折射来完成远距离通信、超视距检测、大范围导航活动，其探测距离不受地球曲率的限制，探测距离远，覆盖面积大。但是，电离层本身又是一种各向异性、非均匀、动态时变等复杂特性的传播媒质，这种分层结构和非平稳特性使得在其中传播的短波信号相位路径产生线性、非线性变化以及多模多径效应，进而引起海杂波频谱发生频移和展宽现象。而杂波的频谱展宽非常容易淹没舰船等慢速目标，从而影响雷达对舰船目标的探测性能。多模多径效应通常可以通过频率监视系统实时选择单模传输工作频率来解决；而电离层对信号产生的相径扰动则一般不可测，对信号的污染程度也不尽相同。

电离层相径扰动导致杂波频谱展宽，如果能从展宽的杂波中提取相径扰动函数，便可以构造出所需的校正函数。利用获得的校正函数对雷达回波信号进行校正，可以使回波谱锐化，提高雷达的目标探测性能。目前已有很多方法被提出用来从展宽的杂波中提取电离层相径扰动信息，如最大熵谱估计法、伪维纳分布法(PWVD)、基于特征分解的扰动抑制方法以及合成孔径雷达中用于解决相位污染的相位梯度法(PGA)和最小熵搜索法等。虽然电离层扰动抑制算法层出不穷，但较多算法都是基于一定的假设，实际应用时补偿作用很有限、甚至失效，主要原因是该问题的解决单纯从信号处理角度很难突破。电离层相径扰动的实质是电子浓度时变，导致相位路径产生时变，从而引起频谱展宽。因此，有必要深入研究电离层电波传播的污染机理，建立电离层时变模型，从根本上对电离层相径扰动进行抑制。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，以解决目前现有的电离层相径扰动抑制方法从信号处理角度对电离层相径扰动抑制时，抑制作用很有限、甚至失效的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的一种基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、计算电波在电离层的反射点坐标；

步骤二、电离层空间反射时变模型的建立；

步骤三、获取相干积累时间内各调制周期点处的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的参数值；

步骤四、利用解析射线追踪方法建立连续的相位扰动补偿函数；

步骤五、利用步骤四建立的相位扰动补偿函数φ_i(t)一次抑制受电离层相径扰动影响的回波谱；

步骤六、基于相位梯度法二次抑制受电离层相径扰动影响的回波谱，具体为：对步骤五的补偿结果，采用相位梯度法(PGA)对残余相径扰动进一步抑制。

本发明的有益效果：

1、本法明从电离层传播特性角度探索相径扰动解决方法，对不同的相径扰动模型均适用，适用条件更加宽泛；

2、本发明以电离层时变空间反射模型为基础，利用精度较高的射线追踪技术计算并提取随时间变化的相位扰动函数对展宽的海杂波回波谱进行补偿，对电离层相径扰动进行抑制，抑制作用明显，不会出现失效的情况。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的仿真验证中，五层MQP和IRI-2012混合建模电子浓度模型(时间为11时52分)示意图；

图3为本发明的仿真验证中，三层MQP和IRI-2012混合建模电子浓度模型；

图4为本发明的仿真验证中，电波传播相位路径变化曲线(时间为11时52分)示意图，其中(a)为电波传播相位路径变化曲线示意图，(b)为基于最小二乘多项式拟合后的相位扰动示意图；

图5为本发明的仿真验证中，电波传播相位路径变化曲线(时间为17时52分)示意图，其中(a)为电波传播相位路径变化曲线示意图，(b)为基于最小二乘多项式拟合后的相位扰动示意图；

图6为本发明的仿真验证中，原来的受电离层相径扰动的海杂波谱和经过本发明抑制后的海杂波谱(时间为11时52分)对比示意图；

图7为本发明的仿真验证中，原来的受电离层相径扰动的海杂波谱和经过本发明抑制后的海杂波谱(时间为17时52分)对比示意图。

具体实施方式

结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、计算电波在电离层的反射点坐标；

步骤二、电离层空间反射时变模型的建立；

为了解决单纯利用IRI模型精度低和MQP模型获取参数不便的问题，通过对国际参考电离层模型(IRI-2012)和多准抛物线模型(MQP)进行混合建模得到电离层空间反射时变模型，即由IRI-2012模型计算出当时的反射区电离层各层的实时变化参数临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m)代入到MQP模型中，建立起电离层空间反射时变模型。

电离层层状结构是天地波雷达实现探测的基础，而各参数的变化特征是电磁波传播路径变化的依据。目前可用于实时建模的电离层模型主要包括三种：准抛物线模型(QP)、修正的B/D模型，以及多准抛物线模型(MQP)。另外还有著名的国际参考电离层模型(IRI)模型。MQP模型较好表征了各层电子浓度分布特性，其仿真值与我国中纬地区实测值更为接近，但在使用该模型进行射线追踪时，必须获得反射区域电离层基本参数。本发明采用IRI-2012模型来获得电离层各层参数，代入MQP模型中进行射线追踪来定量描述相径扰动的产生机理。另外，由于本发明考虑的是电离层的实时建模，需要模型参数能细致描绘电离层状态，考虑到电离层结构的日变化特性，使用三层MQP模型来描述不存在F1层时的电离层结构；使用五层MQP模型描述白天出现E层、F1层和F2层时的电离层结构。

IRI模型又称为国际参考电离层模型，由国际空间委员会和国际无线电科学联合会共同推进，是一种基于大量观测数据的半经验式模型。同时，我们可以从国际宇航局网站上下载IRI模型的计算软件，通过输入时间、经纬度等参数可以获取当时电离层各状态参数。但是在我国中纬度地区使用该模型进行电波传播路径计算精度较低，不适用于超视距雷达对计算精度高的场合，MQP模型利用解析式的方法表征电离层电子浓度分布，只需要知道各层的特征参数(底高、层半厚度、临界频率)就可以建立起模型，而这些参数需要电离层探测设备来直接获取，在不具备的情况下很难完成准确的建模。而IRI模型可以允许用户通过简单输入时间、经纬度相应参数后来获取MQP模型所需的层参数，方便而且准确。

20世纪90年代，Baker和Lambert，Dyson和Bennett分别提出多抛物线电离层模型用于电离层传播计算。修正抛物线层为准抛物线层，则多抛物线模型修正为多准抛物线(Multiple Quasi-Parabolic，简写为MQP)模型。此模型不计入电离碰撞以及地磁场影响。

MQP模型很好的表征电离层分层结构，假设电离层有E层、F1层和F2层三个常规层，中间还有P1层和P2层两个过渡层，这五层电子浓度表达式如下：

第一层：E层为

第二层：P1层为

第三层：F1层为

第四层：P2层为

第五层：F2层为

其中，N_e表示距离地心高度为r处的电子浓度值，r_mE,r_mF1,r_mF2,r_mP1,r_mP2为相应层的电子浓度峰值高度，y_mE,y_mF1,y_mF2,r_mP1,r_mP2为相应层的半厚度，r_bE,r_bF1,r_bF2,r_bP1,r_bP2为相应层的底部高度，N_mE,N_mF1,N_mF2为相应层的电子浓度最大值，N_mP1,N_mP2分别为两个翻转层的电子浓度最小值。

过渡层P1层和P2层为两个连接层，连接上下两个常规层，它们通常很薄，其相应参数由其上个常规层和下个常规层的参数计算获得，其过渡高度r_t2和半层厚度y_m2如下：

b＝r_m3

其中，N_m3、r_m3和y_m3为翻转准抛物线层上方的准抛物线层的最大电子浓度、最大电子浓度所在高度和半层厚度；N_m1和r_m1为翻转准抛物线层下方的准抛物线层的最大电子浓度与最大电子浓度所在高度。

步骤三、获取相干积累时间内各调制周期点处的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的参数值；

步骤四、利用解析射线追踪方法建立连续的相位扰动补偿函数；

解析射线追踪技术具有更高的计算精度，在MQP模型下应用解析射线追踪技术也较为普遍。但在推导过程中未考虑电波信号在电离层中传播时的群路径和相位路径的差别，而未完成相位路径公式的推导。本发明创新点之一就是重点推导了电离层不同分层情况下MQP模型下相位路径的解析计算公式。

首先，在MQP模型下相位路径和地面距离的表达式为：

其中，r为电磁波传播前沿到地心的距离，μ为r处的电磁波折射率，β为r处电磁波的入射余角(与入射角互余)，r₀为地球半径，β₀为发射仰角。

在MQP模型下，距地心r处电磁波折射率的表达式：

其中，N_e为r处的电离层电子浓度值，F＝f/f_c，f为工作频率，f_c为相应电离层处的临界频率，r_b为电离层所在层的底高，r_b＝r_m-y_m，r_m为电离层所在层的峰值高度，y_m为电离层所在层的半厚度。

其中，

由于MQP模型根据F1层的存在与否，可能有五层或三层，用A_i，B_i，C_i(其中i＝1～5)表示为每一层的A，B，C值。这里五层出现时的电离层各层分别用E层、P1层、F1层、P2层和F2层表示，其中P1层为连接E层和F1层的翻转层，P2为连接F1层和F2层的翻转层。

根据步骤一中输入的相应参数以及上述公式的推导，我们可以判断天波雷达发射的电波在电离层的哪一层反射，判定方法为下式：

如果则在第i层反射(其中i＝1～5)；进而求出电离层反射点高度r_t，为方程A_ir_t ²+B_ir_t+C_i＝0的较小的解。

在不同层反射条件下，由于每一层的电离层参数都不同，根据实际电波传播情况需要首先判断电波反射点的位置，进而计算每一层的传播路径(包括相位路径和地面距离)，最后通过层层相加获得从电波反射点到电波反射点的总传播路径。这里我们假设电波发射点到反射点路径之间的双向传播路径是对称的。

由之前的MQP模型下相位路径和地面距离的表达式可知，相位路径的计算要比地面距离的计算要复杂的多，因此我们可以通过先推导地面距离的公式，进而通过地面距离与相位路径的关系来得到相位路径的解析表达式。

地面距离D的解析计算公式如下：

在E层反射时，D＝D₀+d₁，其中D₀为未进入电离层部分传播路径，d₁为进入E层中传播路径，解析表达式如下。

在P1层反射时，D＝D₀+D₁+d₂，其中D₁为穿透E层传播路径，d₂为进入E层中传播路径，解析表达式如下。

在F1层反射时，D＝D₀+D₁+D₂+d₃，其中D₂为穿透P1层传播路径，d₃为进入F1层中传播路径，解析表达式如下。

在P2层反射时，D＝D₀+D₁+D₂+D₃+d₄，其中D₃为穿透F1层传播路径，d₄为进入P2层中传播路径。

在F2层反射时，D＝D₀+D₁+D₂+D₃+D₄+d₅，其中D₄为穿透P2层传播路径，d₅为进入F2层中传播路径。

根据相位路径和地面距离的关系，进而得出相位路径的解析计算公式：

其中，H(r)的解析表达式如下：

利用上述公式求出相位路径P，进而计算出一个积累周期T内不同时刻点的相位路径。其中第i个时刻的相位路径记为P(i)，利用下式将相位路径转化为相位值(其中λ为工作波长)：

因此利用上式获得的φ(i)通过基于最小二乘法的多项式相位建模法来模拟相位扰动曲线φ_i(t)。由于相位φ_i(t)具有周期性，因此需要提取φ_i(t)在主值区间[0,2π]内的值，利用下式完成。

步骤五、利用步骤四建立的相位扰动补偿函数φ_i(t)一次抑制受电离层相径扰动影响的回波谱；

在步骤四中，通过基于电离层空间反射模型和射线追踪技术获得了连续的随时间变化的相径扰动函数。因此，在步骤五中，利用步骤四获得的相径扰动函数来校正待处理的OTHR时域数据。利用基于电离层传播特性获得的相径扰动曲线后对待处理的OTHR时域数据进行补偿，则抑制相径扰动后的OTHR回波信号可由下式表示：

其中R_corr为相位补偿后的天波雷达回波的时域数据。

步骤六、基于相位梯度法二次抑制受电离层相径扰动影响的回波谱，具体为：对步骤五的补偿结果，采用相位梯度法(PGA)对残余相径扰动进一步抑制，提高最后的抑制性能，也就是二次相径扰动抑制。

基于电离层传播特性后的相径扰动抑制方法虽然在一定程度上大大锐化了展宽的海杂波谱，但仍存在残余的相径扰动。我们滤出其中一个Bragg峰信号，采用相位梯度法(PGA)来对一次校正后的残余相位扰动进行校正，提高最后的校正性能，也就是二次相径扰动校正。

基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法应用的前提是获取准确的电离层电子浓度分布，则可利用射线追踪技术实现相位路径的计算，从而实现相径扰动抑制。显然，该方法对于任何情况下的相径扰动均能实现较好的抑制，但该方法面临的电子浓度剖面准确获取，即电离层电子浓度精细结构研究，以及高精度的射线追踪技术或其它获取高精度相径扰动曲线方法研究是其面临的巨大难题。通过IRI-2012模型获得的各层电离层参数与实际情况下的电离层参数肯定有一定的误差，而且MQP模型能够较好地描述当前地区的电离层结构，但与当前情况下的电离层结构也会存在一定的误差。因此，基于电离层传播特性后的相径扰动抑制方法虽然在一定程度上大大锐化了展宽的海杂波谱，但仍存在残余的相径扰动。尽管如此，由于校正使得回波谱的Bragg峰展宽被极大地压缩，我们很容易分离这两个一阶Bragg峰信号。因此，我们可以滤出其中一个Bragg峰信号，估计其中的残余相径扰动，提高最后的校正性能，也就是二次校正方法。这里采用相位梯度法(PGA)来对一次校正后的残余相位扰动进行校正。由于一次校正后，展宽海杂波谱已经大大锐化，采用PGA算法再次校正后可进一步锐化展宽的海杂波谱。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的反射点坐标的计算过程为：

根据发射机坐标和探测区域中心坐标，由如下公式计算出反射点坐标：

其中，N_lon和N_lat分别是反射点经纬度，T_lon和T_lat分别是发射机经纬度，R_lon和R_lat分别是探测区域中心坐标。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述的反射时变模型的建立过程为：

依据天波雷达具体的系统布局和参数要求，向IRI-2012模型中输入工作时间、工作频率、发射仰角、发射方位角、反射点坐标，并通过IRI-2012模型来获得电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m后传递给MQP模型，其中m为电离层的层数，从而完成MQP和IRI-2012的混合建模，得到电离层空间反射时变模型。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三所述的获取过程为：

完成步骤二后，由于IRI-2012模型提供不了相径调制周期级别的电离层参数数据，根据设定的相干积累时间T和相径调制周期t，计算调制周期数为：

N＝T/t

通过IRI-2012模型获得两探测时间点(t₀,t_n)范围内对应的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的变化范围：

f_m0～f_mn、r_m0～r_mn、y_m0～y_mn

其中t₀表示探测起始时间，t_n表示探测终止时间，m0表示第m层的探测起始时间，mn表示第m层的探测终止时间；

通过线性插值方法计算每个调制周期点处的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的参数值：

...f_mn、r_mn、y_mn；其中，下角标m0,m1,m2,…,mn中的0、1、2……n，表示第m层的探测时刻点。

由于OTHR雷达的相径调制周期为毫秒级别，IRI-2012模型提供不了这样小的时间间隔的数据，因此，我们需要对获得的各层参数数据进行线性插值，这样既满足了不改变各层的整体趋势，同时又增大了数据频率，满足了仿真和实际应用的需要。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四所述的连续的相位扰动补偿函数的建立过程为：

利用步骤三获得的相干积累时间内各调制周期点处的电离层各层的参数值，通过解析射线追踪方法和MQP模型推导得到相位路径的解析射线追踪公式：

其中，P为电波传播的相位路径，r为电波射线传播路径的变量，λ为波长，r₀为地球半径，r_t为射线反射顶点到地心的距离，β₀为发射仰角，D为地面距离，r_b为电离层的底部高度(相对地心)，F＝f/f_c，f为天波雷达的工作频率，f_c为电离层相应层的临界频率；

通过上述公式获得相位路径的离散值P(i)，其中0≤i≤n，并通过如下公式：

将P(i)转化为离散的相位扰动补偿函数φ(i)，并通过最小二乘法拟合成连续的相位扰动补偿函数φ_i(t)，即整个相干积累时间T内的相位扰动补偿函数。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤五所述的一次抑制过程为：

假设受到电离层相径扰动后的天波雷达的回波信号定义如下：

S(t)＝A(t)e^{j[θ(t)+m(t)]}

其中，A(t)为电离层回波的幅度；θ(t)是电离层平稳时的回波相位；m(t)是真实的电离层扰动相位，j为虚数；

根据步骤四获得的连续的相位扰动补偿函数φ_i(t)，得到相位扰动补偿后的回波信号为：

从而抑制了受电离层相径扰动影响的回波谱。

本发明的仿真验证如下：

本发明从电离层传播角度探索相径扰动抑制办法，旨在从本质上较好地对电离层相径扰动进行抑制，适用条件更为宽泛。首先，通过对国际参考电离层模型(IRI-2012)和多准抛物线模型(MQP)进行混合建模得到电离层空间反射时变参数模型。这既解决了MQP模型需要实时获取参数不便的问题，同时避免了单纯使用IRI模型仿真精度低的问题；

然后，以上述建立的电离层空间反射模型的电子浓度剖面为基础，利用射线追踪方法推导MQP模型的相位路径计算解析式，并在不同时刻多次运行后获得相位路径随时间的变化值，然后利用最小二乘法拟合得到的相位扰动补偿曲线对受电离层相径扰动的回波谱进行抑制，最终得到抑制后的电离层回波谱；最后，利用实测数据验证了该方法的有效性。

验证步骤如下：

步骤一：首先，设定工作时间、工作频率、发射方位角、发射仰角、发射机坐标和探测区域中心坐标等参数。发射机的坐标为东经122.1度，北纬37.5度；目标探测区域坐标为东经124.3度,北纬46.2度。通过公式计算可得，反射点坐标为东经123.2度,北纬41.9度，待测时间为2011年7月22日11时52分和2011年7月22日17时52分，发射仰角范围为5-40度，工作频率为10MHz；

步骤二：在完成步骤一后，将工作时间、反射点坐标参数传递给IRI模型来获取相应时间的电离层各层参数(包括峰值高度、临界频率和层半厚度)，分别包括E层、F1层和F2层的参数，如果F1层不存在，则只包括E层和F2层的参数，表1和表2分别表示两个待测时间的电离层参数。

表1.2011年7月22日11时52分电离层参数表

表2.2011年7月22日17时52分电离层参数表

利用从IRI-2012模型获取的电离层各层参数将该参数传递给MQP模型，从而完成了IRI-2012和MQP模型的混合建模。图2和图3分别描述了两个不同工作时间的MQP和IRI-2012混合建模的电离层的电子浓度模型。

步骤三：由于步骤二获得的电离层各层参数数据时间间隔达不到相径调制周期级别，采用线性插值的方法来更新电离层参数序列，设定相干积累时间T和相径调制周期t，则调制周期数为N＝T/t，计算两探测时间点(t₀,t_n)范围内对应的电离层各层参数(临界频率、峰值高度、半厚度)的变化范围：f_m0～f_mn、r_m0～r_mn、y_m0～y_mn。然后计算每个调制周期点处的电离层参数值： ...f_mn、r_mn、y_mn。

步骤四：完成步骤三后，利用解析射线追踪技术计算MQP和IRI混合建模电子浓度模型下电波传播的相位路径，针对N个调制周期，共计算在相干积累时间T内的N个电波相位路径，利用公式和公式完成处理，获得最终抑制相径扰动补偿函数，图4和图5表示两个不同工作时间的电波相位路径变化曲线。

步骤五：高频天地波雷达与高频天波雷达工作在相同频段，电离层都是两者重要的传播媒质，因此，两者杂波谱结构类似，均受到电离层相径扰动的影响。因此可以采用天地波超视距雷达的数据来验证本发明方法的有效性。利用步骤四获得的相径扰动补偿函数对天地波超视距雷达回波存在相径扰动的时域数据进行补偿，并与补偿前受到相径扰动的回波谱进行对比，验证本方法的有效性。

图6和图7表示受电离层扰动的回波谱和抑制扰动后的回波谱的情况。

本发明从本质上抑制电离层相径扰动问题。同时，该方法对提升高频天波雷达低速目标检测能力、海态参数提取精度具有重要意义。

MQP模型采用准抛物线层与准翻转抛物线层组合保证了层间电子浓度梯度的连续，较好表征了各层电子浓度分布特性。相对于IRI模型，其仿真值与我国中纬地区实测值更为接近，但在使用该模型进行射线追踪时，必须获得反射区域电离层基本参数。因此，本发明首先采用IRI-2012模型来获得电离层各层参数，代入MQP模型中，建立起电离层空间反射模型。这既解决了MQP模型输入参数获取不便的难题，同时又提高了仿真估值的精度，避免了单纯使用IRI模型仿真结果精度低的问题。由于本文考虑的是电离层的实时建模，需要模型参数能细致描绘电离层状态，考虑到电离层结构的日变化特性，这里采用QP模型来描述夜间只有F2层的情况；使用三层MQP模型来描述白天早上和傍晚时刻不存在F1层时的电离层结构；使用五层MQP模型描述白天出现E层、F1层和F2层时的电离层结构；然后，依据建立的电离层空间反射模型，基于射线追踪技术推导电离层球面分层结构下的P-D(相位路径-地面覆盖距离)变换解析式；最后，依次分别计算积累时间内不同时刻点的相位路径值随时间的变化，利用计算的相径扰动曲线实时补偿相径扰动，从而达到锐化展宽海杂波的目的；最后，利用实测数据验证了该方法的有效性。

基于此，本发明从电离层传播特性角度探索相径扰动抑制办法，旨在从本质上较好地对电离层相径扰动进行抑制，适用条件更为宽泛。电离层层状结构是高频天波雷达实现探测的基础，而各参数的变化特征是电磁波传播路径变化的依据。目前电离层结构模型主要包括三种：准抛物线模型(QP)、修正的B/D模型以及多准抛物线模型(MQP)。另外还有著名的国际参考电离层模型(IRI)。MQP模型采用准抛物线层与准翻转抛物线层组合保证了层间电子浓度梯度的连续，较好表征了各层电子浓度分布特性。相对于IRI模型，其仿真值与我国中纬地区实测值更为接近，但在使用该模型进行射线追踪时，必须获得反射区域电离层基本参数。本发明首先采用IRI-2012模型来获得电离层各层参数，代入MQP模型中，建立起电离层空间反射模型。这既解决了MQP模型输入参数获取不便的难题，同时又提高了仿真估值的精度，避免了单纯使用IRI模型仿真结果精度低的问题；然后，依据建立的电离层空间反射模型，基于射线追踪技术推导电离层球面分层结构下的P-D(相位路径-地面覆盖距离)变换解析式；最后，依次分别计算积累时间内不同时刻点的相位路径值随时间的变化，利用计算的相径扰动曲线实时补偿相径扰动，从而达到锐化展宽海杂波的目的；最后，利用图6和图7实验数据验证了该方法的有效性。

本发明具有充分发挥计算机灵活、快速的优点，为天波雷达探测性能的评估提供了一个有效而经济的手段。

Claims (4)

1.一种基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算电波在电离层的反射点坐标；

根据发射机坐标和探测区域中心坐标，由如下公式计算出反射点坐标：

$N_{lon}=\frac{T_{lon}+R_{lon}}{2},N_{lat}=\frac{T_{lat}+R_{lat}}{2}$

其中，N_lon和N_lat分别是反射点经纬度，T_lon和T_lat分别是发射机经纬度，R_lon和R_lat分别是探测区域中心坐标；

步骤二、电离层空间反射时变模型的建立；

依据天波雷达具体的系统布局和参数要求，向IRI-2012模型中输入工作时间、工作频率、发射仰角、发射方位角、反射点坐标，并通过IRI-2012模型来获得电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m后传递给MQP模型，其中下角标m为电离层的层数，从而完成MQP和IRI-2012的混合建模，得到电离层空间反射时变模型；

步骤三、获取相干积累时间内各调制周期点处的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的参数值；

步骤四、利用解析射线追踪方法建立连续的相位扰动补偿函数；

步骤五、利用步骤四建立的相位扰动补偿函数φ_i(t)一次抑制受电离层相径扰动影响的回波谱；

步骤六、基于相位梯度法二次抑制受电离层相径扰动影响的回波谱，具体为：对步骤五的补偿结果，采用相位梯度法(PGA)对残余相径扰动进一步抑制。

2.根据权利要求1所述的基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，其特征在于步骤三所述的获取过程为：

根据设定的相干积累时间T和相径调制周期t，计算调制周期数为：

N＝T/t

通过IRI-2012模型获得两探测时间点(t₀,t_n)范围内对应的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的变化范围：

f_m0～f_mn、r_m0～r_mn、y_m0～y_mn

其中t₀表示探测起始时间，t_n表示探测终止时间，下角标m0表示第m层的探测起始时间，下角标mn表示第m层的探测终止时间；

通过线性插值方法计算每个调制周期点处的电离层各层的临界频率f_m、电子浓度峰值高度r_m和层半厚度y_m的参数值：

$f_{m1}=f_{m0}+\frac{1}{N}(f_{mn}-f_{m0}),r_{m1}=r_{m0}+\frac{1}{N}(r_{mn}-r_{m0}),y_{m1}=y_{m0}+\frac{1}{N}(y_{mn}-y_{m0});$

$f_{m2}=f_{m0}+\frac{2}{N}(f_{mn}-f_{m0}),r_{m2}=r_{m0}+\frac{2}{N}(r_{mn}-r_{m0}),y_{m2}=y_{m0}+\frac{2}{N}(y_{mn}-y_{m0}),...f_{mn},r_{mn},y_{mn};$

其中，下角标m0,m1,m2,…,mn中的0、1、2……n，表示第m层的探测时刻点。

3.根据权利要求2所述的基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，其特征在于步骤四所述的连续的相位扰动补偿函数的建立过程为：

利用步骤三获得的相干积累时间内各调制周期点处的电离层各层的参数值，通过解析射线追踪方法和MQP模型推导得到相位路径的解析射线追踪公式：

$P=2{\∫}_{r_0}^{r_t}\left(\frac{\sqrt{{\mathrm{Ar}}^2+Br+C}}{r}\right)dr+{\mathrm{cos\β}}_0\·D$

其中，P为电波传播的相位路径，r为电波射线传播路径的变量，r₀为地球半径，r_t为射线反射顶点到地心的距离，β₀为发射仰角，D为地面距离， r_b为电离层的底部高度，F＝f/f_c，f为天波雷达的工作频率，f_c为电离层相应层的临界频率；

通过上述公式获得相位路径的离散值P(i)，其中0≤i≤n，并通过如下公式：

$\mathrm{\φ}\left(i\right)=\frac{P\left(i\right)\·\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}$

将P(i)转化为离散的相位扰动补偿函数φ(i)，并通过最小二乘法拟合成连续的相位扰动补偿函数φ_i(t)，即整个相干积累时间T内的相位扰动补偿函数；λ为波长。

4.根据权利要求3所述的基于电离层传播特性的相径扰动抑制方法，其特征在于步骤五所述的一次抑制过程为：

假设受到电离层相径扰动后的天波雷达的回波信号定义如下：

S(t)＝A(t)e^{j[θ(t)+m(t)]}

其中，A(t)为电离层回波的幅度；θ(t)是电离层平稳时的回波相位；m(t)是真实的电离层扰动相位，j为虚数；

根据步骤四获得的连续的相位扰动补偿函数φ_i(t)，得到相位扰动补偿后的回波信号为：

$\begin{array}{c}{R}_{corr}=S\left(t\right)\·e^{-{\mathrm{j\φ}}_i\left(t\right)}\\ =A\left(t\right)e^{j\[\mathrm{\θ}\left(t\right)+m\left(t\right)\]}\·e^{-{\mathrm{j\φ}}_i\left(t\right)}\\ =A\left(t\right)e^{j\mathrm{\θ}\left(t\right)}\·e^{j\[m\left(t\right)-{\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)\]}\end{array}$

从而抑制了受电离层相径扰动影响的回波谱。