CN109863422B - 软件定义的无线电地球大气成像器 - Google Patents

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Abstract

一种软件定义的无线电地球大气成像系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，被配置成发射天波、地波和第一时间信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器用于接收载波和所述地波以及发送第二时间信号；矢量网络分析器，其包括GNSS和至少一个同步时钟，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电发射器电连通，并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通，所述导线用于发送所述时间信号；软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信；以及计算设备，所述计算设备与所述矢量网络分析器进行电子通信。

Description

软件定义的无线电地球大气成像器
相关申请的交叉引用
本申请与于2016年6月14日提交的美国临时专利申请No.62349756有关并且要求其权益。将上述的优先权专利申请通过引用以它的全部内容并入到本文。
技术领域
本技术及其相关的成像方法涉及一种软件定义的无线电(Software-DefinedRadio，SDR)地球大气成像器。SDR地球大气成像器测量地球大气的特性例如它的功率、能量、运动方向、大气干扰的位置以及从地面到高层大气的地球折射率，通过使用无线电波测量地球电离层(ionization layer)即电离层(ionosphere)的表面上存在的波的振幅、频率和波矢量(wave vector，波矢)，来提供对大气的温度、压力和成分的测量。SDR地球成像器的应用包括监测受由于太阳、地磁和气象事件引起的大气干扰事件影响的地球大气，帮助预测局部到全球的日常天气，并帮助测量和监测气候变化。
背景技术
地球大气有几个电离层，被称为D层、E层、Fl和F2层，它们是由太阳以及太阳辐射产生的离子和电子形成的，所述离子和电子是由于地球大气上层区域中的低空气密度而缓慢地复合(The ARRL Antenna Book，Radio Wave Propagation，The American RadioRelay League(1991)23-1)。取决于一年中的季节、纬度、一天中的时间和太阳的亮度距地球表面约100公里至500公里的F2层是永久稳定的，即它贯穿一天全部24小时始终存在。D层和E层倾向于仅在地球大气的太阳辐射期间存在，即在夜间不存在。
近一个世纪以来，地球电离层的表面上存在的电磁波已从地球表面在单个点即零维地被测量并记录，产生电离层探测器数据(https://en.m.wikipedia.org/wiki/ Ionosonde)。
电离层上的检测到的表面波是由因太阳、地磁和气象事件而引起的大气干扰造成的，所述太阳、地磁和气象事件例如具有约11年的周期的太阳黑子活动、地球绕太阳的公转(yearly rotation)、地球的季节变化，以及更短频率的大的大气干扰事件，例如台风、火山、地震等。电离层表面上的大部分波被认为是由于气象事件引起的(图2，H.Rishbeth，“F-region links with the lower atmosphere？”J.Atmosphere and Solar-TerrestrialPhysics，Vol.68，Issue 3-5(2006)469-478。)。表面波好像有许多来源，是移动的并且具有宽范围的频率和振幅。
通过检测波束的振幅或相位来使用辐射束获得关于对象的信息，是众所周知用于科学目的的。辐射束，有时被称为载波，可以携带对象的信息。例如，穿过对象或从对象反射的波束的相位信息可以提供关于对象的温度、压力、成分、磁场或电场的信息，而振幅测量可以提供关于对象的不透明度或密度的信息。波束由辐射波组成，其中波Φ可以被描述为具有振幅A和相位θ，在数学上被描述为，
Φ＝Aexp(θ)1)
从该方法获得的信息取决于它是检测波束的波的振幅还是检测波束的波的振幅和相位这两者。如果该方法仅测量波束的振幅，则仅报告对象中的密度差异。这是该技术的局限，因为它不提供诸如对象的温度、压力、成分、磁场或电场之类的信息。如果该方法测量波束的相位，则可以揭示存在于对象表面上的诸如电磁波之类的对象信息。如果该方法使用包括无线电波接收器或天线的二维阵列的检测器，则可以揭示存在于对象表面——即电离层的表面——上的波的二维相位图像。根据相位图像内产生的相移，使得可以测量存在于电离层的表面上的波的振幅、频率和方向(所谓的波矢量)。
无线电波——通常从大约3兆赫兹(MHz)到大约7MHz，并且高达10MHz，当从地球表面被发射时被称为天波——可以反射离开地球的电离层并返回地球。无线电波反射离开电离层通常用于扩展无线电波用于传输和通信目的的范围(The ARRL Antenna Book，RadioWave Propagation，The American Radio Relay League(1991)23-1)。天波也被用于使用一个天线产生电离层探测器。该方法不能用于获取相位信息。
所需要的是一种系统，其能够准确地对电离层的一个或多个层的下表面上的波进行成像，以便跟踪大气干扰和状况，包括由气候的变化、火灾、火山等引起的大气干扰和状况。如果能够识别大气状况或干扰的位置，这将是有利的。如果有一种获得关于电离层的表面波的准确数据的方法，这将是更有利的。
发明内容
本技术是一种系统，其能够准确地对电离层的每层的表面上的波进行成像，以便跟踪大气干扰和状况，包括由气候的变化、火灾、火山等引起的大气干扰和状况。它可以提供大气状况或干扰的位置。还提供了一种获得关于电离层的表面波的准确数据的方法。
在一个实施方案中，提供了一种用于与计算设备一起使用的软件定义的无线电(SDR)地球大气成像系统。所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，被配置成发射天波信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器被配置成接收载波信号；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括全球导航卫星系统(GNSS)和至少一个计时器，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电波发射器电连通并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通，或者所述无线电波发射器被配置成在发射所述天波信号时向所述矢量网络分析器发射第一参考波，并且所述无线电波检测器被配置成在接收到所述载波信号时向所述矢量网络分析器发射第二参考波；以及软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信。
在该系统中，所述无线电波发射器和所述无线电波检测器可以分别经由第一导线和第二导线与所述矢量网络分析器通信。
在该系统中，所述无线电波检测器可以是二维阵列的无线电波接收器。
在该系统中，所述矢量网络分析器可以包括正交处理器。
在该系统中，其中所述成像器可以包括低通滤波器。
该系统还可以包括所述计算设备，所述计算设备与所述成像器的矢量网络分析器进行电子通信。
在该系统中，所述计算设备可以包括存储器和处理器，所述存储器包括用于计算相移的指令。
在该系统中，所述存储器还可以包括用于基于所述相移计算折射率的指令。
在该系统中，所述无线电波发射器可以被配置成发射地波，并且所述无线电波检测器被配置成检测所述地波。
在该系统中，可以存在至少两个成像器。
在该系统中，所述无线电波发射器可以被配置成在发射所述天波信号时向所述矢量网络分析器发射第一参考波，并且所述无线电波检测器被配置成在接收到所述载波信号时向所述矢量网络分析器发射第二参考波。
在另一个实施方案中，提供了一种检测一个位置处的大气干扰事件的方法，所述方法包括利用成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，被配置成发射天波信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器被配置成接收载波信号；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括GNSS和至少一个计时器，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电波发射器电连通并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通，或者所述无线电波发射器被配置成在发射所述天波信号时向所述矢量网络分析器发射第一参考波，并且所述无线电波检测器被配置成在接收到所述载波信号时向所述矢量网络分析器发射第二参考波；以及软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信，所述方法包括：从所述无线电发射器向电离层发射无线电波，同时发送第一时间信号；用容纳在所述无线电波检测器中的一维或二维阵列的无线电波接收器检测从所述电离层反射的载波，同时发送第二时间信号；确定所述第一时间信号和所述第二时间信号之间的时间差；基于所述时间差，利用所述矢量网络分析器确定发射的无线电波和所述载波之间的相位差。
该方法还可以包括在至少两个成像器之间使用三角测量来定位所述大气干扰事件。
该方法还可以包括分析相移以量化所述大气干扰事件。
该方法还可以包括报告所述大气干扰事件的位置。
在另一个实施方案中，提供了一种软件定义的无线电(SDR)地球大气成像系统，所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，被配置成发射天波信号和地波信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器被配置成接收载波信号；矢量网络分析器，包括GNSS和至少一个同步时钟，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电发射器电连通，并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通；软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信；以及计算设备，所述计算设备与所述矢量网络分析器进行电子通信。
该系统可以包括两个或更多个成像器。
在该系统中，所述矢量网络分析器还可以包括正交处理器。
在又一个实施方案中，提供了一种用于与计算设备一起使用的软件定义的无线电(SDR)地球大气成像系统，所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，被配置成发射天波信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器被配置成接收载波信号；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括GNSS和正交处理器，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电波发射器电连通，并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通；以及软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信。
在又一个实施方案中，提供了一种检测一个位置处的大气干扰事件的方法，该方法包括利用上面刚刚描述的成像系统。
附图说明
图1显示了由于地球大气干扰事件引起的SDR地球大气图像所产生的相位图像的模拟，该相位图像在数学上被处理成傅里叶图像，该傅里叶图像显示了两个傅里叶峰值及其波矢量(带箭头的+ve k和-ve k)，表示表面波的频率和波矢量。
图2是本技术的软件定义的无线电地球大气成像器。
图3是图1的软件定义的无线电地球大气成像器的替代实施方案。
图4是图1的软件定义的无线电地球大气成像器的另一个实施方案。
图5是图1的软件定义的无线电地球大气成像器的另一个实施方案。
图6是图1的软件定义的无线电地球大气成像器的替代方法的实施方案。
图7是图6的软件定义的无线电地球大气成像器的替代实施方案。
图8是图7的软件定义的无线电地球大气成像器的另一个实施方案。
图9是图7的软件定义的无线电地球大气成像器的另一个实施方案。
图10显示了由用于通过三角测量确定地球大气干扰事件的位置的两个SDR地球大气成像器产生的两个波矢量。
图11示出了使用应用于傅里叶图像的低通滤波器来获取用于确定地球大气的折射率的零相移信息。
图12是显示通过气象气球测量的2011年6月6日在哈迪港(Port Hardy)和奎拉尤特(Quillayute)上方的地球大气的折射率的图。
图13是示出了方程4中两个指数的应用的Log曲线图。
具体实施方式
除非另外明确地规定，以下解释规则适用于本说明书(文字说明书、权利要求书和附图)：(a)本文使用的所有词语均应被解释为具有视情况需要的这样的性或数目(单数或复数)；(b)除非上下文另有明确规定，如说明书和所附权利要求中使用的单数术语“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数个指代物；(c)应用于所陈述的范围或值的先行术语“约”表示根据测量方法在本领域已知或预期的所述范围或值的偏差内的近似；(d)除非另有指明，词语“本文(herein)”、“特此(hereby)”、“在本文中(hereof)”、“至此(hereto)”、“在上文(hereinbefore)”和“在下文(hereinafter)”以及具有类似含义的词语指本说明书的全部内容，而不是指任何特定段落、权利要求书或其他分部；(e)描述性标题仅为方便起见，并且不控制或影响说明书任何部分的涵义或构成；以及(f)“或(or)”及“任何(any)”并非排他的，并且“包括(include)”和“包括(including)”不是限制性的。此外，除非另有说明，术语“包含(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”和“含有(containing)”应被解释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)。在提供描述性支持所必要的程度上，所附权利要求的主题和/或文本通过引用整体并入本文。
除非本文另有说明，本文中对值范围的陈述仅旨在用作逐一地提及落入该范围内的每个单独的值的简写方法，并且每个单独的值被包括在本说明书中，如同其在本文中被单独地陈述一样。在提供值的特定范围的情况下，应该理解的是，在该范围的上限和下限之间的每个中间值——至下限的单位的十分之一，除非上下文另有明确规定——以及在该陈述的范围内的任何其他陈述的值或中间值被包括在其中。所有较小的子范围也被包括在内。这些较小范围的上限和下限也被包括在其中，受所陈述的范围内任何被特别排除的极限支配。
除非另外定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与相关领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。尽管也可以使用与本文描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料，现在描述可接受的方法和材料。
SDR地球大气成像器测量地球电离层的表面上存在的波的振幅(强度)和相位(频率和波矢量)，所述振幅和相位已见于电离图中(https://www.ngdc.noaa.gov/stp/iono/ionogram.html)。
电离层的每一层都有距离地球表面的不同高度。通过对每层(D层、E层和F[F1和F2]层)的下表面使用不同的反射无线电波频率，产生三个独立的方程，它们与下面的方程4相同，但是具有不同的常数。可以对这些方程求解以提供温度、压力和成分信息。注意，作为示例，图中示出了下层(白天的D层和夜间的E层)的下表面。可以测量任何层的下表面。
存在于电离层的表面上的波的振幅表示产生该波的大气干扰的大小或功率。波的频率表示大气干扰事件的能量。波矢量给出了由大气干扰事件产生的波的运动方向。通过两个或更多个分开的SDR地球大气成像器测量两个或更多个波矢量，可以用来使用球面投影(stereographic projection，立体投影)来确定地球大气干扰事件的位置。
如图1中所示，大气干扰事件200在电离层中产生表面波202。这些表面波可以表示电离层的大气干扰事件(由其引起)。大气干扰事件可以是风暴(诸如飓风、台风或龙卷风)。它还可以用来测量北极和南极的地球极光。表面波的振幅可以表示大气干扰事件的功率。表面波的频率可以表示此大气干扰事件的能量。波矢量可以表示大气干扰事件的传播方向。
总体被称为10的软件定义的无线电地球大气成像器在图2中示出。无线电波发射器12发射撞击电离层(ionization layer)或电离层(ionosphere)的天波信号14。天波信号14低至约0.3MHz，更常见地为约1MHz至约10MHz。天波信号14以载波信号16的形式被反射回地球。载波信号16被无线电波检测器20拦截，无线电波检测器20更具体地是具有二维阵列23的无线电波接收器或二维阵列的天线的二维阵列检测器20。矢量网络分析器22由软件定义的无线电设备25控制(https://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio#/media/File:SDR_et_WF.svg)(SDR)。SDR 25从矢量网络分析器获得数据，并控制其采集和数据操作。矢量网络分析器通过无线电波发射器12和矢量网络分析器22之间的第一导线30电连接到无线电波发射器12和检测器20，并且通过检测器20和矢量网络分析器22之间的第二导线32电连接到检测器20。矢量网络分析器22包括具有同步时钟的GNSS(全球定位系统)34，所述同步时钟诸如具有～10exp(-11)s的时间分辨率的原子钟36。矢量网络分析器22优选地与检测器20复用，因为检测器的每个天线需要进行由网络矢量分析器执行的相位和振幅测量。这可以快速地连续完成，但最好通过多路复用完成。
在图2中示出的一个实施方案中，矢量网络分析器22用于测量天波信号14的振幅和相位以及每个接收器21或天线处的载波信号16的振幅和相位。来自无线电波发射器12的信号通过第一导线30发送，并指示发送天波信号14的时间。来自无线电波检测器20的信号通过第二导线发送，并指示载波信号16何时到达。因此，这提供了时间基准，用于确定天波信号14到达检测器20的每个接收器21所花费的时间。
在图3中示出的替代实施方案中，矢量网络分析器22用于测量天波信号14的振幅和相位以及每个接收器21或天线处的载波信号16的振幅和相位。无线电波发射器12将地波信号26和天波信号14发送到检测器20，而不是使用第一导线30和第二导线32来确定时间基准。地波信号26是与通过天空传播的无线电波即天波信号14同时发射的，可用于确定从无线电波发射器12到检测器20的每个接收器21所花费的时间。地波信号26直接传播到检测器20，而天波信号14向上传播到电离层，然后向下传播返回到检测器20。使用GNSS 34获知地波信号26传播的距离，使得地波信号26能够被用作时间基准，用于确定天波信号14到达检测器20的每个接收器21所花费的时间。载波信号16到达检测器20的每个接收器21的时间差是每个接收器之间的相移或相位差。计算机50可以使用由所有接收器21测量的相移，来做出电离层的表面上的波的相位图像。
在图4中示出的又一个实施方案中，矢量网络分析器22用于测量天波信号14和地波信号26的振幅和相位以及每个接收器或天线处的载波信号16的振幅和相位。矢量网络分析器22包括正交处理器38，该正交处理器测量载波信号16和天波信号14的角旋转(angularrotation，角位移)。旋转差是相移的量度。同样，计算机50可以使用由所有接收器21测量的相移，来做出电离层的表面上的波的相位图像。相移信息被发送到与矢量网络分析器22进行电子通信的计算设备50。计算设备50记录和分析数据，以产生根据检测器20的接收器21的所有测量结果做出的相位图像。相位图像包含电离层的表面波的信息。如上所述，矢量网络分析器22包括GNSS 34和至少一个计时器36。它由软件定义的无线电设备25控制。
在也在图4中示出的又一个实施方案中，采用包括正交方法和时间方法的组合方法。矢量网络分析器22包括GNSS 34和至少一个计时器36。无线电波发射器12被配置成在发射天波信号14时，将包含发射时间和正交相位信息的第一参考电信号60发送到矢量网络分析器22，并且无线电波检测器20被配置成在接收到载波信号16时，将包含检测时间和正交相位信息的第二电信号62发送到矢量网络分析器22。软件定义的无线电设备25与矢量网络分析器22进行电子通信，并控制矢量网络分析器22。相位图像包含电离层的表面波的信息。
在图5中示出的又一个实施方案中，矢量网络分析器22用于测量天波信号14和地波信号26的振幅和相位以及每个接收器或天线处的载波信号16的振幅和相位。不使用导线30、32在矢量网络分析器22与无线电波发射器12和检测器20中的每个之间提供连接，而是使用无线电波。在该实施方案中，当发送天波信号14时，从无线电波发射器12向矢量网络分析器22发射第一参考无线电波40，从而指示发送天波信号14的时间，并且从无线电波检测器20向矢量网络分析器22发射第二参考无线电波42，从而指示载波信号16何时到达。矢量网络分析器22包括接收器44。因此，这提供了时间基准，用于确定天波信号14到达检测器20的每个接收器21所花费的时间。
使用成像软件的计算设备50产生包含电离层的表面波的信息的相位图像。相位图像提供关于电离层的表面波的信息，例如表面波的振幅、频率和波矢量。
由具有不同振幅、频率和波矢量的许多波源产生的许多波组成的相位图像的复杂性，通过将傅里叶变换(或科学和工程中已知的许多其他数学方法，例如自相关方法)应用于该相位图像——其产生傅里叶图像，来降低其复杂性。如图1中所示，傅里叶图像由根据波的频率和波矢量分布在傅里叶图像中的许多傅里叶峰(相位强度峰)组成。傅里叶峰的振幅表示波的功率。傅里叶峰的频率表示波的能量。傅里叶峰的波矢量表示波传播的方向。
载波信号16携带它们已经自其反射的电离层的信息。载波信号16携带的信息包括关于存在于电离层上的表面波的信息。电离层的表面波具有其自己的振幅和相位。通过使用检测器20，可以揭示存在于对象表面上的波的二维相位图像，使得能够测量它们的振幅、频率和波矢量。
在图6中示出的替代方法中，无线电波发射器112位于总体称为100的软件定义的无线电地球大气成像器中的检测器120处。无线电波发射器112发射撞击电离层(ionization layer)或电离层(ionosphere)的天波信号114。波以载波信号116的形式被反射回地球。载波信号116被无线电波检测器120拦截，无线电波检测器120更具体地是具有二维阵列123的无线电波接收器或二维阵列的天线的二维阵列检测器120。矢量网络分析器122由软件定义的无线电设备125控制(https://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio#/media/File:SDR_et_WF.svg)。SDR 125从矢量网络分析器获得数据，并且控制其采集和数据操作。矢量网络分析器通过在无线电波发射器112和矢量网络分析器122之间的第一导线130电连接到无线电波发射器112和检测器120，并且通过在检测器120和矢量网络分析器122之间的第二导线132电连接到检测器120。矢量网络分析器122包括具有同步时钟的GNSS(全球定位系统)134，所述同步时钟诸如具有～10exp(-11)s的时间分辨率的原子钟136。矢量网络分析器122用于测量该天波信号114的振幅和相位以及每个接收器121或天线处的载波信号116的振幅和相位。
在替代方法的一个实施方案中，矢量网络分析器122用于测量天波信号114的振幅和相位以及每个接收器121或天线处的载波信号116的振幅和相位。来自无线电波发射器112的信号通过第一导线130发送，并且指示发送天波信号114的时间。来自无线电波检测器120的信号通过第二导线发送，并指示载波信号116何时到达。因此，这提供了时间基准用于确定天波信号114到达检测器120的每个接收器121所花费的时间。
在图7中示出的替代方法的另一个实施方案中，矢量网络分析器122用于测量天波信号114的振幅和相位以及每个接收器121或天线处的载波信号116的振幅和相位。无线电波发射器112将地波信号126和天波信号114发送到检测器120，而不是使用第一导线130和第二导线132来确定时间基准。地波信号126与通过天空传播的无线电波即天波信号114同时发射，可用于确定从无线电波发射器112到检测器120的每个接收器121所花费的时间。地波信号126直接传播到检测器120，而天波信号114向上传播到电离层，并且然后向下传播返回到检测器120。使用GNSS134获知地波信号126传播的距离，使得地波信号126能够被用作时间基准，用于确定天波信号114到达检测器120的每个接收器121所花费的时间。载波信号116到达检测器120的每个接收器121的时间差是每个接收器之间的相移或相位差。计算机150可以使用由所有接收器121测量的相移，来做出电离层的表面上的波的相位图像。
在图8中示出的替代方法的又一个实施方案中，矢量网络分析器122用于测量天波信号114和地波信号126的振幅和相位以及每个接收器或天线处的载波信号116的振幅和相位。矢量网络分析器122包括正交处理器138，该正交处理器测量载波信号116和天波信号114的角旋转。旋转差是相移的量度。同样，计算机150可以使用由所有接收器121测量的相移，来做出电离层的表面上的波的相位图像。相移信息被发送到与矢量网络分析器122进行电子通信的计算设备150。计算设备150记录和分析数据以产生根据检测器120的接收器121的所有测量结果做出的相位图像。相位图像包含电离层的表面波的信息。
在图9中示出的替代方法的又一个实施方案中，矢量网络分析器122用于测量天波信号114和地波信号126的振幅和相位以及每个接收器或天线处的载波信号116的振幅和相位。不使用导线130、132在矢量网络分析器122与无线电波发射器112和检测器120中的每一个之间提供连接，而是使用无线电波。在该实施方案中，当发送天波信号114时，从无线电波发射器112向矢量网络分析器122发射第一参考无线电波140，从而指示发送天波信号114的时间，并且从无线电波检测器120发送第二参考无线电波142，从而指示载波信号116何时到达。矢量网络分析器122包括无线电接收器144。因此，这提供了时间基准用于确定天波信号114到达检测器120的每个接收器121所花费的时间的。
使用成像软件的计算设备150产生包含电离层的表面波的信息的相位图像，存在多个成像软件。该相位图像提供关于电离层的表面波的信息，例如表面波的振幅、频率和波矢量。
如上面参考图1所述，由具有不同振幅、频率和波矢量的许多波源产生的许多波组成的相位图像的复杂性，通过将傅里叶变换(或者在科学和工程学中已知的许多其他数学方法，如自相关方法)应用于该相位图像——其产生傅里叶图像，来降低其复杂性。
在一个替代实施方案中，在一维阵列检测器中使用一维阵列的无线电波接收器或一维阵列的无线电波天线。
如图10中所示，两个SDR地球大气成像器10发送并且接收提供关于大气干扰事件的信息的无线电波信号14、16、114、116。使用放置在两个分开的位置处的两个SRD地球大气成像器，可以根据到达这两个SRD地球大气成像器的相同表面波(由干扰在电离层中产生的波)的两个波矢量，通过使用所述波矢量的三角测量，来确定大气干扰事件的精确位置。同样，SRD地球大气成像器的第三放置会提供该大气干扰事件以及在前两个SRD地球大气成像器之间可能存在的任何大气干扰事件的更加精确的位置。因为电离表面上的大部分波是由于气象干扰事件引起的，因此SDR-地球大气成像器在多个地点的放置可以用来帮助监测大区域上的以及可能全球范围内的地球大气。
无线电波发射器发射天波信号14,114，该天波信号以载波信号16,116的形式被反射回来。矢量网络分析器22,122测量发射的天波信号14,114的相位以及在检测器20,120的每个接收器21,23处检测到的载波信号16,116的相位。载波信号16,116的相位相对于天波信号14,114到达检测器20,120的每个接收器21,23的相位的差，即每个接收器21,23之间的相移或相位差，用于产生如图1中所示的相位图像210。然后使用傅里叶变换212(以及通过科学和工程中已知的许多其他数学方法)对相位图像210进行数学分析，以获得这些表面波的特性。根据电离层上的表面上的波的振幅的平方，可以确定该波的功率。根据存在于电离层上的表面上的波的相位，可以确定存在于电离层的表面上的波的频率和波矢量。
天波信号14,114径直向上传播100km通过地球大气到电离层然后以载波信号16,116的形式径直向下反射回接收器21,23所花费的时间是～6.67x10exp(-4)s。使用GNSS计时器的SDR地球大气成像器10的时间测量分辨率为～10exp(-11)s。使用该能力，存在测量天波到达检测器20,120的每个接收器21,121的相位差或相移的优异的时间分辨率，以产生高分辨率相位图像。高分辨率相位使得存在于地球电离层的表面上的波——其似乎具有从～2Hz到～10Hz的频率，如在电离层探测器数据中所观察到的(https://www.ngdc.noaa.gov/stp/iono/ionogram.html)——能够以相位图像的形式被看到。SDR地球大气成像器10将使得能够在比使用现有技术可能的大得多的频率范围内看到这些波。
尽管SRD地球大气成像器是在局部进行测量，但是电离层的表面上的波可以来自区域性和全球性遥远的距离，提供远离局部测量发生的大气影响事件的信息。许多SRD地球大气成像器放置在世界各地的许多地方，使得能够对地球大气干扰事件进行全球测量。
如图11中所示，低通滤波器260允许使用零相移信息的强度或振幅来监测地球大气的折射率。低通滤波器会消除由于地球电离层的表面上的波引起的振幅和相位。在物理上，低相位滤波器是仅允许使用傅里叶图像内的0,0频点周围的相位信息用于分析目的的孔径。在数学上，使用汉明窗口或许多其他类型的图像滤波器之一，除了相位图像中的0,0点周围的振幅信息之外，消除所有强度。通过低通滤波器去除电离层的表面波信息，仅留下未被电离层上的波相移的信息。然后可以使用经低通滤波的信息(零相移信息)来监测地球大气的折射率的变化，地球大气的折射率取决于地球大气的温度、压力和成分。
例1：
如图12中所示，现有技术对地球大气折射率的确定表明，从地球表面向上到大于30,000米的高海拔它的值以指数下降的方式变化。从地面到～35,000米以指数方式变化的折射率已经并且仍然在使用大气气球每天测量，该大气气球一次提供在一个海拔高度一个位置处的一次测量。根据气球数据，地球大气的上层的折射率，即从大约12,000米到大约35,000米的折射率，是相对稳定的，在长时间段内保持恒定。地球大气的下层的折射率，即从0米到～12,000米的折射率，由于不断变化的地球大气干扰事件(例如不断变化的天气影响大气的温度、压力和成分)，随时间是不稳定的变化的。
为了确定地球大气的下层的折射率变化，需要知道该层上下的边界条件。根据大气气球数据，确定存在于下层地球大气的顶部(海拔大约12,000米)的边界条件。存在于下层地球大气的底部的边界条件易于从地球表面测得。
SDR地球大气成像器可以使用此气球数据来求解数学方程4中的一些常数，从而使得可以使用无线电波进行连续测量，并且因此监测由于天气和其他大气干扰事件(例如，一个城市的空气污染或森林火灾产生的烟雾)引起的下层大气的变化。SDR地球大气成像器通过使用图13中所示的方程4测量折射率对海拔高度的指数依赖性提供了另一种方法，使得可以“连续地”测量由于天气和大气干扰事件引起的折射率的小变化，该小变化是通过气球不能够连续测量的。因此，可以使用SRD测量作为海拔高度的函数的折射率和测量电离层上的表面波的信号。使用SRD，表面波的相位图像提供对表面波的振幅、频率和波矢量的测量。一旦形成相位图像，通过傅里叶变换对其进行的分析还提供关于未受表面波影响或相移的无线电波的信息。通过将低通滤波器用于傅里叶图像(图11)可以获得的这些未受影响的无线电波可以用于确定地球大气的折射率。检测器的所有天线都有助于产生经低通滤波的相位信息。当反射离开电离层时，通过孔径或低通滤波器的相位信息没有发生太大的移动，因此该信息保持接近傅里叶图像的中心即0,0点，但是，它被相移了一点点，从而提供大气折射率及其变化的所需信息。与无线电波有强相互作用的电离层表面上的波具有位于低通滤波器之外的其相移，因此不会被传输并且被从0,0点周围的相位信息的分析中移除。
折射率随海拔高度呈指数方式变化，因此可以用数学方法求解，得到方程4。
根据图12(折射率作为海拔高度的函数)，折射率从高海拔处的～1.00015变化到低海拔或地平面处的～1.00033。低海拔处折射率的波动在±0.00001的数量级上变化，其中一些较大的波动大到0.00005。这些波动表示大气的温度、压力和成分的变化。测量折射率的这些小波动的能力取决于我们测量折射率的能力或折射率测量的分辨率Δn，该分辨率由下式给出：
Δn＝(c/h)Δt
其中c是光速，h是传播距离，Δt是使用GNSS计时器测量的时间精度(10exp(-11)s)。对于h＝200,000米(向上到达电离层表面的100,000米以及向下返回地球表面的100,000米)、光速c＝3x 10exp(8)m/s和Δt＝10exp(-11)秒，测量折射率变化的分辨率为1.5×10exp(-8)或0.000000015，这使得能够测量折射率的小波动。
在本技术中，根据无线电波从地球表面传播到电离层(天波)并且再次反射回到地球表面(载波)的传播时间Δt，可以确定下层地球大气中的相移或折射率变化。其数学表达由以下三个方程给出。
其中，
Δt是无线电波的传播时间
x是光程长度
c是光速
n是折射率
n(L)是作为传播的距离或海拔高度的函数的折射率
L是传播的距离
h是电离层的海拔高度
h1是高层大气中的折射率相对恒定的海拔高度(～12,000m)
C1和C2是常数，表示根据大气气球数据确定的以指数方式变化的折射率的曲线
N0是地球表面处的折射率
k和m是根据SRD地球大气测量结果确定的常数
使用上述三个方程，对于从地面一直到h1的任何值，可以确定折射率n(L)，使得能够连续监测地球大气的变化——即由于天气的变化和其他大气干扰事件引起的。在图13中示出将方程4应用于以指数方式变化的折射率，当使用折射率的自然对数进行绘制时该折射率可以线性化。在图13中用图表表示，从0到h1的直线的斜率的变化表示地球大气的折射率的变化。
例2：
通过从发射器向电离层发射无线电波，用容纳在无线电波检测器中的一维或二维阵列的无线电波接收器检测从电离层反射的载波，利用包括同步计时器的矢量网络分析器确定发射的无线电波和载波之间的相位差并分析结果，来检测大气干扰事件，例如但不限于天气、森林火灾、火山和地震。使用矢量网络分析器和SDR通过正交方法或时间方法，产生包含由于大气干扰事件引起的波的图像的相位图像。使用处于地理上不同的位置的设置有GNSS的至少两个SDR地球大气成像器和三角测量，可以确定大气干扰事件的位置。可以根据相位图像中的波的振幅来计算干扰的功率。可以根据相位图像中的波的频率来计算干扰的能量。可以根据相位图像中的波的波矢量来确定波的移动方向。可以根据位于不同位置的两个或更多个SDR地球大气成像器拍摄的相位图像的两个或更多个波矢量来确定干扰的位置。
例3：
从太空中的星体和反射对象到达地球的光经受成像像差，这些像差通常表现为光的“闪烁”。SDR地球大气成像器可用于帮助校正不利地影响对星体的成像的像差。通过测量电离层的表面波来了解电离层的运动将有助于校正来自太空中的星体和反射对象的光以及来自当前使用的导星的光，以帮助校正由于地球大气和电离层引起的成像像差。
例4：
技术的影响：
·监测气候变化
·预测每日天气
·针对森林火灾和雷击监测大气
·监测地震和板块构造(警报警告)
·监测海啸(警报警告)
·监测空气状况(城市和工业污染)
·监测大风暴的强度和移动(天气、气候变化)
·监测喷射流(风力、气候变化)
·监测太阳天气/北极光(科学研究)
尽管已经结合目前被认为是可能最实用和/或合适的实施方案的示例来描述了示例实施方案，但应该理解的是，描述不限于所公开的实施方案，而是相反，旨在涵盖包括在示例实施方案的精神和范围内的各种修改和等同布置。例如，具有本技术的软件定义的无线电设备的性能的软件可以用在替代实施方案中。本领域技术人员将认识到，或者能够使用至多常规的实验确定，本文具体描述的具体示例实施方案的许多等同物。这些等同物旨在被包含在权利要求书的范围内，如果权利要求书被附于此或随后提交的话。

Claims (26)

1.一种用于与计算设备一起使用的软件定义的无线电地球大气成像系统，所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，所述无线电波发射器被配置成发射天波和第一时间信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括全球导航卫星系统GNSS和至少一个计时器；以及软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信，其中所述无线电波发射器用于在向所述矢量网络分析器发送第一时间信号时向电离层发射所述天波，在所述电离层处所述天波以载波的形式被反射回，所述无线电波检测器用于在接收到所述载波时向所述矢量网络分析器发送第二时间信号，并且所述软件定义的无线电设备用于控制所述矢量网络分析器。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述无线电波检测器是二维阵列的无线电波接收器。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述矢量网络分析器包括正交处理器。
4.如权利要求1或2所述的系统，其中，所述成像器包括低通滤波器。
5.如权利要求1或2所述的系统，包括多个成像器。
6.如权利要求5所述的系统，还包括计算设备，所述计算设备与所述成像器的每个矢量网络分析器进行电子通信。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述计算设备包括存储器和处理器，所述存储器包括用于计算相移的指令。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述存储器还包括用于基于所述相移计算折射率的指令。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述无线电波发射器被配置成发射地波，并且所述无线电波检测器被配置成检测所述地波。
10.一种检测一个位置处的大气干扰事件的方法，所述方法包括利用至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，所述无线电波发射器被配置成发射天波和第一时间信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括GNSS和至少一个计时器，所述矢量网络分析器与所述无线电波发射器和所述无线电波接收器中的每个进行电子通信；软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信；以及与所述矢量网络分析器进行电子通信的计算设备；所述方法包括：所述无线电波发射器向电离层发射无线电波，并且同时向所述矢量网络分析器发送所述第一时间信号；所述无线电波检测器检测从所述电离层反射的载波，并且同时向所述矢量网络分析器发送第二时间信号；确定所述第一时间信号和所述第二时间信号之间的时间差；以及基于所述时间差，确定发射的无线电波和所述载波之间的相位差。
11.如权利要求10所述的方法，还包括在至少两个成像器之间使用三角测量来定位所述大气干扰事件。
12.如权利要求11所述的方法，还包括分析相移以量化所述大气干扰事件。
13.如权利要求12所述的方法，还包括报告所述大气干扰事件的位置。
14.一种软件定义的无线电地球大气成像系统，所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，被配置成发射天波、地波和第一时间信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器用于接收载波和所述地波以及发送第二时间信号；矢量网络分析器，其包括GNSS和至少一个同步时钟，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电波发射器电连通，并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通，所述导线用于发送所述时间信号；软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信；以及计算设备，所述计算设备与所述矢量网络分析器进行电子通信。
15.如权利要求14所述的系统，包括两个或更多个成像器。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述矢量网络分析器还包括正交处理器。
17.一种用于与计算设备一起使用的软件定义的无线电地球大气成像系统，所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，用于发射天波和第一时间信号；无线电波检测器，所述无线电波检测器包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器用于接收载波以及发送第二时间信号；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括GNSS和正交处理器，所述矢量网络分析器经由第一导线与所述无线电波发射器电连通，并且经由第二导线与所述无线电波检测器电连通，所述导线用于发送所述时间信号；以及软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信。
18.一种检测一个位置处的大气干扰事件的方法，所述方法包括利用如权利要求17所述的成像系统。
19.一种用于与计算设备一起使用的软件定义的无线电地球大气成像系统，所述系统包括至少一个成像器，所述成像器包括：无线电波发射器，用于发射天波和第一时间信号；无线电波检测器，其包括一维阵列的无线电波接收器或二维阵列的无线电波接收器，所述无线电波检测器用于接收载波以及发送第二时间信号；矢量网络分析器，所述矢量网络分析器包括GNSS和至少一个计时器；第一导线和第二导线，用于将所述无线电波发射器和所述无线电波检测器中的每一个与所述矢量网络分析器连接，用于分别向所述矢量网络分析器发送所述第一时间信号和所述第二时间信号；以及软件定义的无线电设备，其与所述矢量网络分析器进行电子通信。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述无线电波检测器是二维阵列的无线电波接收器。
21.如权利要求19或20所述的系统，其中，所述矢量网络分析器包括正交处理器。
22.如权利要求19或20所述的系统，其中，所述成像器包括低通滤波器。
23.如权利要求19或20所述的系统，包括多个成像器。
24.如权利要求23所述的系统，还包括计算设备，所述计算设备与所述矢量网络分析器进行电子通信。
25.如权利要求24所述的系统，其中，所述计算设备包括存储器和处理器，所述存储器包括用于计算相移的指令。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述存储器还包括用于基于所述相移计算折射率的指令。
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