CN107632323A - 用于电离层f探测的雷达回波信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法，用以解决现有技术针对电离层F探测分辨率低的问题。其方案是：截取雷达回波信号对应电离层F的数据D；对数据D使用高斯滤波器滤波；对滤波后的结果求自相关D1；由雷达发射信号码型与设置该码型的分数阶p生成符号修正系数，对自相关D1进行第一次符号修正，并进行多周期积累；对积累后的结果进行第二次模糊修正，再对二次修正后的结果求高度‑频率二维功率谱密度；重复上述步骤，选取分数阶p，生成相应的符号修正系数，进行相应的处理，并对所得结果进行高度‑频率‑分数阶的三维功率谱合成。本发明能提高时延分辨率，降低高度分辨率，更好的实现对电离层F的有效探测。

Description

用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，特别涉及非相干散射雷达的信号处理方法，可用于对大气电离层F的探测。

背景技术

随着空间技术的发展，人类逐步认识到电离层空间天气对各项航天事业的影响。非相干散射雷达可探测电离层空间环境，获取电子密度、电子温度、离子温度、等离子体径向漂移速度等多个参数，为电离层空间天气特性研究与建模提供数据支持。自20世纪60年代初开始，美国和欧洲等发达国家在世界各地先后建设了十余部非相干散射雷达系统。我国也是亚洲首部非相干散射雷达于2012年在云南曲靖建成，并已获得了初步实验结果。

通常电离层距离地球表面约60～1000km，根据不同高度空气分子电离的情况不同，从低到高可将电离层分为D层、E层、F层和顶部电离层，F层又可分为F1层和F2层。D层分布在离地面大约60公里到90公里的高度范围内。E层分布在离地面大约90公里到150公里的高度范围内。F层大约在150公里以上，峰值高度一般在200公里到400公里的范围内。电离层各层的物理和化学变化与太阳辐射、粒子辐射、磁层扰动、地球磁场变化及高层大气的运动密切相关，所以电离层在不同时间和不同高度都有不同的特点。例如，F层随着高度的增高，靠近太阳，温度随之增高，导致等离子体更加活跃，接收到的回波信号随机性增强，其自相关函数变窄，相关时间变小。

非相干散射雷达针对大范围连续分布的电离层目标，其信号处理方法与传统雷达有着很大的不同。电离层的回波信号主要是由电子、离子等反射引起的非相干散射信号，是一种典型的随机信号。在几分钟的短时间内，电离层回波信号具有平稳性，可通过计算自相关函数和功率谱密度来表征信号的统计特性。电离层是典型的软目标，不同高度的雷达回波信号相互混叠，需要通过有效的信号编码设计和特殊的信号处理算法来消除距离模糊。

二相交替码作为一种标准的编码方式应用于非相干散射雷达信号处理中。它相较于传统的长脉冲编码，具有更好的高度分辨率与时延分辨率。由标准交替码信号处理方法计算等离子体自相关函数时，其高度分辨率等于时延分辨率，且都等于码元宽度。但是，在电离层F层区域，随着其等离子体自相关函数变窄、相关时间变小，所需的时延分辨率较高，高度分辨率较低。因此，标准交替码信号处理方法并不能很好地适用于电离层F层探测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有雷达信号处理方法的不足，提出一种用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法，以提高时延分辨率，降低高度分辨率，更好的实现对电离层F的有效探测。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)截取雷达完整探测N个周期回波数据所对应电离层F的数据D；

(2)设计高斯窗滤波器对数据D进行滤波，在每一个回波周期内，对滤波后的数据两两进行相关处理，得到自相关数据D1：

(3)将每个周期的自相关数据D1截断为多个子数据，截断长度为回波的脉冲宽度，每个截断子数据的起始时间对应于自相关数据D1在目标电离层的高度；

(4)由雷达发射信号的码型与分数阶p计算生成符号修正表，即将N组长度为L的雷达发射信号的每组编码平移n个码元；用平移后的N组编码分别与平移前对应的编码相乘，得到N组长度为L-n的编码符号，作为第n个时延处各组编码对应码元的修正符号，n＝1,2,3,...,L-1；

(5)对每组中所有子数据分别使用符号修正表进行第一次修正，并将不同组子数据的修正结果按不同高度分别进行求和，得到N组数据的第一次修正结果；

(6)截取下一个N周期回波数据，重复步骤(2)～(5)，直到电离层中信号的平稳时间结束，再将所有周期对应高度处得到的第一次修正结果进行求和，得到所有周期数据求和后的自相关结果；

(7)对所有周期数据求和后的自相关结果分别使用对应的模糊函数值进行第二次修正，得到最终的自相关结果，并对最终自相关结果进行傅立叶变换，得到电离层高度-频率二维功率谱；

(8)重复步骤(1)～(3)，在(4)中另选取不同的分数阶p，计算相应的符号修正表，利用相应的符号修正表对(3)中所得的N组全部子数据进行步骤(5)～(7)的处理，并对所得结果进行高度-频率-分数阶的三维功率谱合成，完成对雷达回波信号的处理。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明由于采用任意分数阶计算修正系数对回波信号进行修正计算得到相应功率谱，随着阶数p的减小，分析带宽随之增大，可以得到更宽频带范围内的功率谱密度的分布信息；相比标准信号处理方法具有较高的时延分辨率和相对较低的高度分辨率，非常适合于电离层探测F层的探测；

2、本发明采用高斯窗函数对回波数据进行滤波，与传统的盒型后检测滤波器相比，可有效降低旁瓣，抑制噪声和杂散信号；

3、本发明由任意阶数p计算多分辨率的功率谱密度，进而构成由高度-频率-分数阶构成的三维功率谱，保留了更加全面的电离层信息，有利于对电离层参数的精确反演。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是用本发明对1/2阶回波信号处理的二维功率谱仿真图；

图3是用本发明对1/4阶回波信号处理的二维功率谱仿真图；

图4是用本发明对任意分数阶回波信号处理的自相关仿真图；

图5是用本发明对任意分数阶回波信号处理的功率谱仿真图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

相关符号说明

N：雷达一次完整探测的周期数；

D：截取电离层F对应的数据；

D1：数据自相关结果；

p：分数阶；

L：发射信号的编码长度；

f1:幅度模糊函数值序列；

f2:距离模糊函数值序列；

f3:最终模糊函数值序列。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，截取雷达回波数据所对应电离层F的数据D。

根据实测中雷达一次完整的探测N＝2L个周期，截取雷达回波数据中N个周期对应电离层F的数据D。

步骤2，对数据D进行滤波。

设计高斯窗滤波器，其冲激响应的宽度等于码元宽度的p倍；使用高斯窗滤波器对数据D进行滤波处理，得到滤波后的N组数据D1。

步骤3，对滤波结果进行自相关。

对滤波后的N组数据D1进行相关处理，即先将滤波后的N组数据D1分别平移np个码元，再与平移前对应的N组数据相乘，分别得到N组第n个时延处的自相关，n＝1,2,3,...,L-1。

步骤4，将N个周期中的自相关截断为同一高度的子数据。

对步骤3中得到的N组自相关数据分别进行截取，截取长度为发射信号的脉冲宽度，截取信号的起始时间对应于该信号在目标电离层的高度，得到截断后的多个高度的子数据。

步骤5，对截断的一个高度的子数据进行第一次符号修正和累加。

(5a)由N组雷达发射信号编码和分数阶p的大小生成符号修正表，生成步骤如下：

(5a1)将N组长度为L的雷达发射信号每组编码平移np个码元，n＝1,2,3,...,L-1；

(5a2)用平移后的N组雷达发射信号编码分别与平移前对应的编码相乘，得到N组长度为L-n的编码符号，作为第n个时延处各组编码各码元的修正符号，生成N＝16时的符号修正表，如表1所示；

表1

时延n＝1的符号系数	时延n＝2的符号系数	时延n＝3的符号系数
			+－+－+－+－	+－－++－－+	++++－－－－
+－－++－－+	+－+－－+－+
			++－－－－++

(5b)对截断的一个高度的子数据进行符号修正，即用符号修正表中N组编码对应的第n个时延处各码元的修正符号分别乘以对应的第n个时延处各个码元位置的自相关点的值，得到N个子数据第一次修正符号后的自相关结果；

(5c)对第n个时延处N个子数据第一次修正符号后的自相关结果进行求和，得到N组的一个高度子数据求和结果。

步骤6，计算其它高度的自相关数据符号修正。

对下一个高度截取的子数据，即N个子数据，重复步骤(5)进行符号修正和累加，直到所有高度的子数据处理完毕。

步骤7，多周期积累。

重复步骤1至步骤6，接收下一个N周期的回波信号并处理，直至所有电离层信号的平稳时间结束，得到每N个周期不同高度处的第一次符号修正自相关结果，将所有周期对应高度处得到的第一次符号修正自相关结果分别进行累加，得到每个高度处累加后的自相关结果。

步骤8，模糊函数修正，计算功率谱密度。

(8a)根据雷达发射信号的编码计算模糊函数修正值：

(8a1)使用高斯滤波器对N组雷达发射信号的每组编码分别进行滤波，得到每组编码对应的幅度模糊函数值序列f1；

(8a2)将步骤(8a1)得到的N个幅度模糊函数值序列f1分别平移n个码元宽度，n＝1,2,3,...,L-1；再将平移后的N个序列分别与平移前对应的序列相乘，得到第n个时延处每组编码的距离模糊函数值序列f2；

(8a3)对每组编码第n个时延处的距离模糊函数值序列f2分别使用符号修正表第n个时延处对应的符号进行修正，并对N个修正后的距离模糊函数值序列求和，得到第n个时延处各码元最终的模糊函数值序列f3；

(8b)对步骤(7)中得到每个高度处累加后的自相关结果，分别用其第n个时延处的各个码元位置的自相关点的值除以第n个时延处各码元的对应f3中的模糊函数值，得到第二次模糊修正后的自相关结果；

(8c)对各个高度处最终的自相关结果分别进行傅立叶变换，得到电离层高度-频率二维功率谱。

步骤9，高度-频率-分数阶构成的三维功率谱合成。

重复步骤(1)～(4)，在(5)中另选取不同的分数阶p，生成相应的符号修正表，利用相应的符号修正表对(4)中所得的N组全部子数据进行步骤(6)～(8)的处理，并对所得结果进行高度-频率-分数阶的三维功率谱合成，完成对雷达回波信号的处理。

本发明效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：仿真使用的软件为MATLAB。

2.仿真环境：仿真在Windows 7环境下进行。

3.仿真内容：

仿真1，针对电离层F对应高度的回波数据，本发明采用分数阶为1/2来计算修正系数，并对回波信号进行修正计算得到相应高度-频率功率谱，并用MATLAB对功率谱进行仿真，仿真结果如图2所示。图2表明，处理后回波信号的能量主要分布于-20KHz～+20KHz，分析带宽为-33.2KHz～+33.2KHz。

仿真2，针对电离层F对应高度的回波数据，本发明采用分数阶为1/4来计算修正系数，并对回波信号进行修正计算得到相应高度-频率功率谱，并用MATLAB对功率谱进行仿真，仿真结果如图3所示。图3表明，处理后回波信号的能量主要分布于-20KHz～+20KHz，分析带宽为-66.4KHz～+66.4KHz

仿真3，针对电离层F中高度为350km的回波数据，本发明分别采用分数阶1/2,1/3,1/4来计算修正系数，并对回波信号进行修正计算得到相应的高度-时延-分数阶三维自相关切片再用MATLAB软件对自相关进行仿真，仿真结果如图4所示。图4表明，随着分数阶p的减小，自相关结果的相关性变化不明显，但是时延间隔减小，相关点数增多。

仿真4，针对电离层F中高度为350km的回波数据，本发明分别采用分数阶1/2,1/3,1/4来计算修正系数，并对回波信号进行修正计算得到相应的高度-频率-分数阶三维功率谱切片，再用MATLAB软件对自相关进行仿真，仿真结果图5所示。图5表明，随着分数阶p的减小，分析带宽增宽。

4.结果分析：

由图2与图3可以看出，随着分数阶p的减小，时延分辨率越高，相对的距离分辨率越低，分析带宽增宽，可以得到更宽频带范围内的功率谱密度的分布信息，能够更好的分析电离层F层的能量分布，说明本发明非常适用于电离层F回波信号的处理。

由图4和图5可以看出，采用高斯窗函数对回波数据进行滤波，可有效降低旁瓣，并抑制噪声和杂散信号。并且由高度-频率-分数阶构成的三维功率谱，保留了更加全面的电离层信息，有利于对电离层参数的精确反演。说明本发明非常适用于电离层F回波信号的处理。

Claims (8)

1.用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法，其特征在于，包括:

(1)截取雷达完整探测N个周期回波数据所对应电离层F的数据D；

(2)设计高斯窗滤波器对数据D进行滤波，在每一个回波周期内，对滤波后的数据两两进行相关处理，得到自相关数据D1：

(3)将每个周期的自相关数据D1截断为多个子数据，截断长度为回波的脉冲宽度，每个截断子数据的起始时间对应于自相关数据D1在目标电离层的高度；

(4)由雷达发射信号的码型与该码型的分数阶p计算生成符号修正表，即将N组长度为L的雷达发射信号的每组编码平移np个码元；用平移后的N组编码分别与平移前对应的编码相乘，得到N组长度为L-n的编码符号，作为第n个时延处各组编码对应码元的修正符号，n＝1,2,3,...,L-1；

(5)对每组中所有子数据分别使用符号修正表进行第一次修正，并将不同组子数据的修正结果按不同高度分别进行求和，得到N组数据的第一次修正结果；

(6)截取下一个N周期回波数据，重复步骤(2)～(5)，直到电离层中信号的平稳时间结束，再将所有周期对应高度处得到的第一次修正结果进行求和，得到所有周期数据求和后的自相关结果；

(7)对所有周期数据求和后的自相关结果分别使用对应的模糊函数值进行第二次修正，得到最终的自相关结果，并对最终自相关结果进行傅立叶变换，得到电离层高度-频率二维功率谱；

(8)重复步骤(1)～(3)，在(4)中另选取不同的分数阶p，计算相应的符号修正表，利用相应的符号修正表对(3)中所得的N组全部子数据进行步骤(5)～(7)的处理，并对所得结果进行高度-频率-分数阶的三维功率谱合成，完成对雷达回波信号的处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述的雷达完整探测N个周期回波数据，其周期数为雷达发射信号码元个数L的2倍，即N＝2L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中的对滤波后的数据两两进行相关处理，将滤波后的数据平移np个码元，与平移前对应的数据相乘，得到第n个时延处的自相关，n＝1,2,3,...,L-1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中设计的高斯窗滤波器，其冲击响应的宽度为发射信号码元宽度的p倍。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)中对每组中所有子数据分别使用符号修正表进行第一次修正，是用符号修正表中每组编码对应的各码元的修正符号分别乘以对应的各个码元位置的自相关点的值，得到每组中子数据符号修正后的自相关结果。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(6)中电离层中信号的平稳时间，设为2～3分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(7)中的模糊函数值，是通过雷达发射信号的码型计算得出的，计算步骤如下：

(7a)使用高斯滤波器对N组雷达发射信号的每组编码进行滤波，得到每组编码对应的幅度模糊函数值序列；

(7b)将步骤(7a)得到的N个幅度模糊函数值序列平移n个码元宽度，n＝1,2,3,...,L-1，再将平移后的序列分别与平移前对应的序列相乘，得到第n个时延处每组编码的距离模糊函数值序列；

(7c)对每组编码第n个时延处的距离模糊函数值序列分别使用符号修正表第n个时延处对应的符号进行修正，并对N个修正后的距离模糊函数值序列求和，得到第n个时延处各码元最终的模糊函数值序列。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(7)中对所有周期数据求和后的自相关结果分别使用对应的模糊函数值进行第二次修正，是分别用其第n个时延处的所有周期数据求和后各个码元位置的自相关点的值除以第n个时延处各码元的对应模糊函数值，得到最终的自相关结果。