CN106342214B - 一种电离层侧向散射探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离层侧向散射探测方法，包括：在发射站与已知目标探测区域连线的两侧布设接收站；发射站发出无线电信号，经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射后被接收站接收；通过分析接收站的接收信号多普勒谱图确定出含有侧向散射信号信息。本发明提供了一种新的电离层探测手段，为电离层的组网探测奠定基础。本发明可以为天波超视距雷达组网探测电离层诊断方面提供技术支撑，使天波超视距雷达组网探测发挥更大的优势，且大大缩短天波超视距雷达组网系统的研制周期。

Description

一种电离层侧向散射探测方法

技术领域

本发明涉及电离层探测技术领域，尤其涉及一种电离层侧向散射探测方法。

背景技术

天波超视距雷达(Over-the-Horizon Radar，简称OTHR)工作在3MHz～30MHz的短波波段，它利用电磁波在电离层中的折射、反射，实现对地平线以下超远程目标的探测，具有较强的抗低空突防、抗隐身飞行器、抗反辐射导弹等突出功能。它主要用于战略预警及远程战术警戒情报雷达系统，实现国境外远距离目标的早期预警，使国土防空(海)预警时间达到小时量级。

飞机、舰船等目标的雷达散射截面积(Radar Cross Section，简称RCS)对于雷达视角的变化非常灵敏，利用相距一定间隔的多个发射站从不同方位对目标进行照射，再利用相距一定间隔的接收站可以从不同角度接收目标信号，从而可以充分利用目标散射雷达波信号的空间特征，接收目标后向、侧向散射雷达波信号，达到提高检测概率的目的。因此，天波超视距雷达组网探测必然是天波超视距雷达的发展趋势。

澳大利亚和美国的天波超视距雷达已经组网，组网后的优势主要体现在：对空中及海面目标进行更广域的监视，特别是在共同覆盖区，可分别利用不同的工作频率通过不同的电离层信道，对数据综合处理以提高探测及跟踪效果，改善目标定位精度和分辨性能。而我国目前还只是部署了一部监视台海区域的天波超视距雷达，在信息化战争时代，我国电子信息技术领域压倒性任务之一，就是尽快地建立适合我国国情、国力的，可适应信息化战争时代的预警、探测、控制信息栅格。我国这个预警、探测、控制信息栅格，要能对东北亚区域、南海区域、东南亚区域获取有效信息，为我军威胁性攻击手段(武器)提供精确的作战情报，建立我国周边区域天波超视距雷达网势在必行。

然而，作为传输媒介的电离层，它是不均匀、各向异性、色散的随机介质，各层的电子浓度不规则的随机变化，电离层的这种不稳定性，给雷达回波信号带来更多的吸收损耗，这必然会严重影响雷达的性能。无论从天波超视距雷达的系统设计还是系统实际工作过程中都离不开对电离层的深入理解，电离层的实时诊断对于天波超视距雷达组网而言是必不可少的关键部分。

目前，常用的电离层探测技术主要有：垂直探测、斜向探测和返回散射探测。进行电离层返回散射探测时，发射站和接收站布设的很近，如图1所示，可以看成是均位于发射点处，在无线电波发生返回散射的过程中，发射站发出的无线电波先斜向投射到电离层，被反射到远方包含地(海)面的目标探测区域，地(海)面的起伏不平及电特性不均匀使电波向四面八方散射，有一部分电波将沿着原来的或其他可能的路径再次经电离层反射回到发射点，被那里的接收站接收。然而，当无线电波经地(海)面散射时，亦可能偏离来时的大圆路径，发生非返回散射的“侧向”传播，这样的传播过程称为侧向散射传播。那么，怎样利用无线电波的侧向散射传播进行电离层信道信息的获取，这是一种尚未见报道的新的电离层探测技术，称之为电离层侧向散射探测技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种电离层侧向散射探测方法，利用电波的侧向散射传播过程获取电离层的信息。

本发明采用的技术方案是，所述电离层侧向散射探测方法，包括：

步骤一、在发射站与已知目标探测区域连线的两侧布设接收站；

步骤二、发射站发出无线电信号，经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射后被接收站接收；

步骤三、通过分析接收站的接收信号多普勒谱图确定出含有侧向散射信号信息。

进一步的，所述步骤一，具体包括：

在发射站与已知目标探测区域连线的两侧且在所述目标探测区域之外、距离发射站400公里～2000公里的范围内布设接收站，所述接收站天线主波束指向与发射站天线主波束指向之间的夹角在20度到180度之间。

进一步的，所述步骤二中发射站以扫频或者定频的形式发出无线电信号，经过电离层反射、所述目标探测区域散射后被接收站接收。

进一步的，所述接收站上设有多个具有不同主波束指向的接收天线，在所述步骤二中，所述接收站从同一地点的不同的角度接收发射站发出并经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射的无线电信号。

进一步的，所述接收站为多个，在所述步骤二中，多个所述接收站从不同地点接收发射站发出并经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射的无线电信号。

进一步的，所述无线电信号，包括：线性调频脉冲信号(LinearlyFrequency-Modulated Pulse，简称LMF)、调频连续波(Frequency ModulatedContinous Wave，简称FMCW)或者伪随机码调相波。

进一步的，当步骤二中发射站以定频的形式发出无线电信号时，所述步骤三具体包括：

当接收站接收到的接收信号多普勒谱图中含有与已知目标探测区域的地理环境特征相符合的地杂波和/或海杂波时，则接收站收到了侧向散射信号。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

1)本发明所述电离层侧向散射探测方法，可以为天波超视距雷达组网探测电离层诊断方面提供技术支撑，使天波超视距雷达组网探测发挥更大的优势，且大大缩短天波超视距雷达组网系统的研制周期；

2)本发明提供了一种新的电离层探测手段，为电离层的组网探测奠定基础；

3)本发明如果进行多点接收，那么，在短时间内可完成对大区域电离层的探测，并且能够同时获得该电离层区域的不同角度的返回散射探测结果、侧向散射探测结果，实现电离层多角度探测，从而可以更精确地获取电离层状态信息。

附图说明

图1为现有技术中进行返回散射探测时的发射站和接收站布设示意图；

图2为本发明第一实施例所述电离层侧向散射探测方法流程图；

图3为本发明第一实施例进行侧向散射探测时的发射站和接收站布设示意图；

图4为本发明第二实施例中整个侧向散射试验平台的发射站和接收站的主天线波束指向示意图；

图5为本发明第二实施例中发射站设备基本组成示意图；

图6为本发明第二实施例中接收站设备基本组成示意图；

图7为本发明第二实施例中5#天线采用扫频工作方式时得到的三维扫频电离图；

图8为本发明第二实施例中采用定频探测得到的1#天线～8#天线接收信号的多普勒谱图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明第一实施例，如图2所示，一种电离层侧向散射探测方法，包括以下具体步骤：

步骤S101，在发射站与已知目标探测区域连线的两侧布设接收站。

具体的，在发射站与已知目标探测区域连线的两侧且在所述目标探测区域之外、距离发射站400公里～2000公里的范围内布设接收站，所述接收站天线主波束与发射站天线主波束之间的夹角在20度到180度之间。所述接收站布设的位置如图3所示。

步骤S102，发射站以扫频或者定频的形式发出无线电信号，经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射后被接收站接收。

具体的，当接收站上设有多个具有不同主波束指向的接收天线的情况下，所述接收站从同一地点的不同的角度接收发射站发出并经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射的无线电信号。

当接收站为多个的情况下，多个所述接收站从不同地点接收发射站发出并经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射的无线电信号。

实际中，经过所述目标探测区域散射的无线电信号可能不再经过电离层反射而被接收站接收，也可能再次经过电离层反射后被接收站接收。这与接收站布设的与目标探测区域远近有关。

另外，发射站发出的无线电信号，可以为：线性调频脉冲信号、调频连续波或者伪随机码调相波。优选的，无线电信号为线性调频脉冲信号。

选用的定频探测信号频率可以在3～30M的短波段范围内选择，带宽为5～40kHz，脉冲宽度为2～8ms，脉冲重复周期为30～200ms。

步骤S103，通过分析接收站的接收信号多普勒谱图确定出含有侧向散射信号信息。

具体的，当步骤S103中发射站以定频的形式发出无线电信号时，当接收站接收到的接收信号多普勒谱图中含有与已知目标探测区域的地理环境特征相符合的地杂波和/或海杂波，则证明接收站收到了侧向散射信号。

进一步的，对接收站得到的含有侧向散射信号的接收信号多普勒谱图进行分析，能够借助侧向散射接收信号携带的信息，了解电离层侧向散射传播信道信息。

本发明第二实施例，在第一实施例介绍的技术方案的基础上，介绍一个电离层侧向散射探测的实例，过程如下：

1)试验系统布局

搭建的试验系统，接收站与发射站相距约1187km。发射站在接收站北偏东约50°方向上。

发射站天线主波束3dB宽度约为60°。为了探测不同角度的侧向散射信号，接收站采用8通道接收，分别连接8副定向天线，可同时接收来自不同方向的侧向散射信号，接收站每副天线主波束3dB宽度约为20°。以发射天线主波束指向为基准，顺时针旋转为正的情况下，1#～8#接收天线主波束指向依次为：-70°、-50°、-30°、-10°、10°、30°、50°、70°。整个侧向散射试验平台中的发射站和接收站的主波束天线指向如图4所示。

2)设备组成

发射站设备主要包括发射天线、发射机、探测信号产生模块、发射控制模块和时统系统等，时统系统产生的时钟信号输入到发射控制模块，发射控制模块根据需要对时钟信号进行分频得到用于控制探测信号产生模块和发射机的控制信号，探测信号产生模块产生的探测信号通过发射机和发射天线发射出去。发射站设备的基本组成框图如图5所示。

接收站设备主要包括1#～8#接收天线、模拟和数字接收机、信号处理模块、结果显示模块、接收控制模块和时统系统等，时统系统产生的时钟信号输入到接收控制模块，接收控制模块根据需要对时钟信号进行分频得到用于控制模拟和数字接收机的控制信号，多路模拟接收机在控制信号的作用下将8路接收天线接收到的无线电信号转换为中频信号输入数字接收机，数字接收机在控制信号的作用下将中频信号转换成正交的I、Q数字信号后交由信号处理模块进行处理后显示在结果显示模块中。接收站设备的基本组成框图如图6所示。接收站和发射站之间采用GPS同步。接收站和发射站的设备组成是本领域公知的技术，故此处不详述。

3)信号波形及工作参数

由于距离分辨率和探测信号的带宽成反比，因此，为了提高距离分辨率，要求信号具有较大的带宽，然而由于电离层的影响，再加上短波段的干扰比较严重，这就限制了信号的带宽，本实例选用的探测信号频率为20.528MHz，带宽为10kHz。另一方面，考虑到强信号旁瓣对弱信号的影响，本实例选用探测信号的脉冲宽度为4ms，脉冲重复周期为50ms。上述是定频探测的工作方式。试验系统还可以采用扫频探测的工作方式。扫频探测时，本实例采用的频率范围为5MHz～25MHz，频率步进为100kHz，每个频点的驻留时间为0.2s。

定频探测时，采用相干积累，积累时间为12.8s，多普勒分辨率为0.078Hz。为了尽量减小斜测信号旁瓣的影响，在作定频探测时将采用较高频率作为工作频率。

4)探测结果

图7是利用该试验平台扫频探测5#天线接收信号得到的三维扫频电离图，其中横坐标为工作频率，纵坐标为群距离，即从发射站发出到接收站收到无线电波传播的群时延与光速的乘积，图中色度由黑到白或者说由深到浅表示接收信号的强度由强到弱。

由图中可以看出，电离图上同时包含了发射站到接收站的斜测信号(在群距离1220km左右，是Es层斜测传播模式信号，F2层O波和X波的混合描迹也清晰可见)和广延的地面或者海面的散射信号。对于斜测信号，纵坐标上显示的群距离指的是从发射站经电离层反射到接收站的无线电波传播的距离；对于散射信号，纵坐标上显示的群距离指的是从发射站到散射点即目标探测区域的无线电波传播的距离与从散射点到接收站的无线电波传播的距离之和。

由图中可以看出，尽管短波段低频端吸收损耗要强于高频端，试验平台收发天线的增益也是高频端较大，但低频端散射信号的能量要比高频端强，原因可能有两点：①低频端电波传播群距离比较小，自由空间损耗比较小；②低频端是两种传播模式(Es层和F层传播模式)信号能量的叠加。

图8同时给出了利用该试验平台采用定频探测得到的1#天线～8#天线接收信号的多普勒谱图，横坐标是多普勒频率，纵坐标是群距离，定频工作频率为20.528MHz，时间为9：23。由图中可见，不同接收天线收到了清晰的不同特征的地、海杂波信号，且均符合目标探测区域的实际地理环境特征，证明了试验平台成功获得了广延地面或海面的侧向散射信号。具体的，因为已知接收站的天线主波束指向、发射站到接收站接收侧向散射信号的群距离范围，在图8中查看接收散射信号在某些群距离上具有与海杂波信号和低杂波信号相符的信号特征，且与已知的目标探测区域地理环境特征相符，则证明接收站成功收到了侧向散射信号，后续，可以根据含有侧向散射信号的电离图或者多普勒谱图进一步研究电离层的各项参数。

另外，在上述方法的基础上结合现有的各种探测技术进行天波超视距雷达组网，能够大大缩短天波超视距雷达组网系统的研制周期。

天波超视距雷达组网探测，分布在不同位置的多个接收站接收到的信号包含了目标、地海的返回散射信号和侧向散射信号。在返回散射传播过程中，通常假设，发射站到散射点和散射点到接收站电波经历了相同的传播路径，而对于侧向散射传播，由于收发站位置不同以及电离层的不均匀性，发射站到散射点和散射点到接收站电波必定经历了不同的传播路径，甚至以不同的电离层模式进行传播，因此，电离层侧向散射传播信道非常复杂，而传统的电离层探测手段无法获得如此复杂情况下电离层的信道信息，而利用本发明的技术方案，可以获得复杂的电离层侧向散射传播信道信息。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (7)

1.一种电离层侧向散射探测方法，其特征在于，包括：

步骤一、在发射站与已知目标探测区域连线的两侧布设接收站；

步骤二、发射站发出无线电信号，经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射后被接收站接收；

步骤三、通过分析接收站的接收信号多普勒谱图确定出含有侧向散射信号信息。

2.根据权利要求1所述的电离层侧向散射探测方法，其特征在于，所述步骤一，具体包括：

在发射站与已知目标探测区域连线的两侧且在所述目标探测区域之外、距离发射站400公里～2000公里的范围内布设接收站，所述接收站天线主波束指向与发射站天线主波束指向之间的夹角在20度到180度之间。

3.根据权利要求1所述的电离层侧向散射探测方法，其特征在于，所述步骤二中发射站以扫频或者定频的形式发出无线电信号，经过电离层反射、所述目标探测区域散射后被接收站接收。

4.根据权利要求1所述的电离层侧向散射探测方法，其特征在于，所述接收站上设有多个具有不同主波束指向的接收天线，在所述步骤二中，所述接收站从同一地点的不同的角度接收发射站发出并经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射的无线电信号。

5.根据权利要求1所述的电离层侧向散射探测方法，其特征在于，所述接收站为多个，在所述步骤二中，多个所述接收站从不同地点接收发射站发出并经过电离层反射、以及所述目标探测区域散射的无线电信号。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电离层侧向散射探测方法，其特征在于，所述无线电信号，包括：线性调频脉冲信号、调频连续波或者伪随机码调相波。

7.根据权利要求3所述的电离层侧向散射探测方法，其特征在于，当步骤二中发射站以定频的形式发出无线电信号时，所述步骤三具体包括：

当接收站接收到的接收信号多普勒谱图中含有与已知目标探测区域的地理环境特征相符合的地杂波和/或海杂波时，则接收站收到了侧向散射信号。