CN110988884A - 一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法 - Google Patents

一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：根据高频地波雷达在FMPCW体制下回波RD谱，通过电离层不规则体回波功率与其电子浓度成正比的函数关系，结合IRI模型或垂测仪，实现对电离层不规则体电子浓度的估计；步骤二：根据对电离层不规则体的电子浓度估计，实现对电离层不规则体等离子体频率的估计；步骤三、根据高频地波雷达回波的RD谱，通过电离层不规则体等离子体频率估计值对其折射指数进行估计，然后对不规则多普勒频移进行修正，实现沿雷达径向的不规则体漂移速度的估计及方差估计。本发明为现有的高频地波雷达增添了电离层探测的功能，开辟了高频地波雷达应用新领域。

Description

一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法
技术领域
本发明属于高频地波雷达领域和电离层探测领域，涉及一种利用高频地波雷达对中纬度电离层进行探测的方法。
背景技术
高频地波雷达是一种利用高频段(3～30MHz)垂直极化电磁波沿海面绕射传播的物理机制而实现海态遥感与超视距目标探测的新体制雷达。高频地波雷达采用垂直极化发射，尽可能压低发射波束仰角，理想情况下电磁波应完全沿海面传播，然而由于复杂的地面特性、天线设计等实际工程因素，一部分电磁波向上空辐射到电离层，经反射、折射后沿多种传播路径返回雷达接收机，形成“电离层杂波”。电离层杂波不仅与雷达参数有关，还与电离层本身独有的分布特性有关。我国高频地波雷达几乎都部署在东南沿海，其上空的电离层处于电离层赤道异常北驼峰两侧(北纬5°～35°)，属于地理纬度与地磁纬度差别最大的中低纬度区域，其独特复杂的电离层结构分布和物理特性，使得高频地波雷达电离层杂波特性具有鲜明的地域特征。
常用的电离层探测装备有垂测仪、斜测仪、返回反射仪等，其中以垂测仪使用最为广泛。然而在万里海疆部署稠密的垂测仪观测站并不现实。因此，利用高频地波雷达电离层杂波信号对覆盖区域内的电离层环境实现实时探测，可为全球电离层分布特征研究、补充完善我国电离层观测网、高频天波超视距雷达及短波通信的最优工作选频、高频地波雷达电离层杂波抑制技术等提供重要的数据参考，具有一定的理论意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的在于利用高频地波雷达电离层杂波信号，提供一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，包括如下步骤：
步骤一：根据高频地波雷达在FMPCW(Frequency Modulated Pulsed ContinuousWave)体制下回波RD(Range-Doppler，距离-多普勒)谱，通过电离层不规则体回波功率与其电子浓度成正比的函数关系，结合IRI(International Reference Ionosphere)模型或垂测仪，实现对电离层不规则体电子浓度的估计。具体步骤如下：
(1)对高频地波雷达回波信号进行两次FFT(Fast Fourier Transform)获得距离-多普勒谱，将某一区域的电离层杂波所处的距离、多普勒单元范围分别记为[Rm,Rn]、[fu,fv]，单位分别为m，Hz，对应每个分辨单元的回波功率强度记为Pi,j，单位为dB，其中i,j分别代表多普勒单元和距离单元，则该区域电离层杂波总的回波功率为：
Figure BDA0002348345360000021
(2)根据中纬度地区电离层不规则体对高频电波的相干散射机理，电离层不规则体回波功率近似正比与其电子浓度的平方：
Figure BDA0002348345360000031
其中，Ne为不规则体对应的电子浓度，单位为m-3；
通过高频地波雷达电离层杂波在RD谱中的总功率PT，结合IRI模型或垂测仪，反演估计出对应的不规则体电子浓度Ne。
步骤二：根据步骤一对电离层不规则体的电子浓度估计，实现对电离层不规则体等离子体频率的估计。
本步骤中，根据Appleton-Hartree公式，对应的电离层不规则体等离子体频率fp也可估计，估计公式如下：
Figure BDA0002348345360000032
其中，fp为等离子体频率，单位为Hz。
步骤三、根据高频地波雷达回波的RD谱，通过步骤二电离层不规则体等离子体频率估计对其折射指数进行估计，然后对不规则体多普勒频移进行修正，实现沿雷达径向的不规则体漂移速度的估计及方差估计。
本步骤中，在获得电离层不规则体对应的等离子体频率估计值后，可求出其折射指数n：
Figure BDA0002348345360000033
其中，f0为雷达发射频率，单位为Hz。
本步骤中，修正后的电离层不规则体径向漂移平均速度一般表达式为：
Figure BDA0002348345360000034
其中，
Figure BDA0002348345360000044
为不规则体沿雷达波束径向漂移的平均速度，单位为m/s；λ0为雷达工作波长，单位为m；
Figure BDA0002348345360000041
为不规则体对应的平均多普勒频移，单位为Hz，具体表达式为：
Figure BDA0002348345360000042
其中，fi,j为该区域电离层杂波对应的多普勒频率，单位为Hz。
本步骤中，不规则体径向漂移速度估计的方差为：
Figure BDA0002348345360000043
其中，vi,j为该区域电离层杂波对应的径向漂移速度，单位为m/s。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明为现有的高频地波雷达增添了电离层探测的功能，从而开辟了高频地波雷达应用新领域。
2、本发明利用高频地波雷达电离层杂波信号，对中纬度电离层探测提供了一种新方法、新途径。
附图说明
图1为高频地波雷达电离层探测系统框图；
图2为高频地波雷达电离层RD谱示意图(横轴为多普勒频率，纵轴为距离)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供的电离层探测系统依托于高频地波雷达，如图1所示，主要部分包括发射天线系统、接收天线系统、信号激励机、信号与数据处理系统，电离层探测系统的简化示意图如图2所示。利用其进行中纬度电离层探测的方法如下：
第一步：获取高频地波雷达回波信号
高频地波雷达接收机将接收天线阵接收到的雷达回波信号与激励信号进行混频和滤波，并经A/D转换得到回波信号，然后对该信号进行脉压处理，再将距离数据按时间积累进行多普勒处理得到速度信息，即距离-多普勒谱。
第二步：雷达回波抑制干扰
电台干扰、海杂波、流星余迹等在距离-多普勒谱图上具有比较确定的距离及频域特征，可根据该类先验信息剔除。
第三步：将某一区域的电离层杂波所处的距离、多普勒单元范围分别记为[Rm,Rn]、[fu,fv]，单位分别为m，Hz，如图2所示。对应每个分辨单元的回波功率强度记为Pi,j，单位为dB，其中i,j分别代表多普勒单元和距离单元。则该区域电离层杂波总的回波功率为：
Figure BDA0002348345360000051
根据中纬度地区电离层不规则体对高频电波的相干散射机理，电离层不规则体回波功率近似正比与其电子浓度的平方：
Figure BDA0002348345360000061
其中，Ne为不规则体对应的电子浓度，单位为m-3。不妨假设比例常数为C，则有
Figure BDA0002348345360000062
如果当地设有垂测仪观测站，则可通过实时的垂测数据估计比例常数C。若没有垂测站，则可通过IRI模型进行估计。
因此，可通过高频地波雷达电离层不规则体在RD谱中的总功率PT，结合IRI模型或垂测仪，反演估计出对应的不规则体电子浓度Ne。
第四步：根据Appleton-Hartree公式，对应的电离层不规则体等离子体频率fp也可估计：
Figure BDA0002348345360000063
其中，fp为等离子体频率，单位为Hz。
第五步：在获得不规则体对应的等离子体频率估计值后，可求出其折射指数n：
Figure BDA0002348345360000064
其中，f0为雷达发射频率，单位为Hz。
修正后的电离层不规则体径向漂移平均速度一般表达式为：
Figure BDA0002348345360000065
其中，
Figure BDA0002348345360000066
为不规则体沿雷达波束径向漂移的平均速度，单位为m/s；λ0为雷达工作波长，单位为m；
Figure BDA0002348345360000067
为电离层对应的平均多普勒频移，单位为Hz，具体表达式为：
Figure BDA0002348345360000071
最后，不规则体径向漂移速度估计的方差为：
Figure BDA0002348345360000072
综上所述，借助于本发明的上述步骤，完成了高频地波雷达电离层探测，建立了高频地波雷达对覆盖区域内海面上空电离层实时空间状态环境的诊断。

Claims (7)

1.一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：根据高频地波雷达在FMPCW体制下回波RD谱，通过电离层不规则体回波功率与其电子浓度成正比的函数关系，结合IRI模型或垂测仪，实现对电离层不规则体电子浓度的估计；
步骤二：根据步骤一对电离层不规则体的电子浓度估计，实现对电离层不规则体等离子体频率的估计；
步骤三、根据高频地波雷达回波的RD谱，通过步骤二电离层不规则体等离子体频率估计值对其折射指数进行估计，然后对不规则体多普勒频移进行修正，实现沿雷达径向的不规则体漂移速度的估计及方差估计。
2.根据权利要求1所述的基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述步骤一的具体步骤如下：
(1)对高频地波雷达回波信号进行两次FFT获得距离-多普勒谱，将某一区域的电离层杂波所处的距离、多普勒单元范围分别记为[Rm,Rn]、[fu,fv]，对应每个分辨单元的回波功率强度记为Pi,j，其中i,j分别代表多普勒单元和距离单元，则该区域电离层杂波总的回波功率为：
Figure FDA0002348345350000011
(2)根据中纬度地区电离层不规则体对高频电波的相干散射机理，电离层不规则体回波功率近似正比与其电子浓度的平方：
Figure FDA0002348345350000021
其中，Ne为不规则体对应的电子浓度；
(3)通过高频地波雷达电离层杂波在RD谱中的总功率PT，结合IRI模型或垂测仪，反演估计出对应的不规则体电子浓度Ne。
3.根据权利要求1所述的基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述步骤二中，电离层不规则体等离子体频率的估计公式如下：
Figure FDA0002348345350000022
其中，fp为等离子体频率，Ne为不规则体对应的电子浓度。
4.根据权利要求1所述的基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述步骤三中，电离层不规则体的折射指数n的公式如下：
Figure FDA0002348345350000023
其中，fp为等离子体频率，f0为雷达发射频率。
5.根据权利要求1所述的基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述步骤三中，修正后的电离层不规则体不规则体漂移速度表达式为：
Figure FDA0002348345350000024
其中，
Figure FDA0002348345350000025
为不规则体沿雷达波束径向漂移的平均速度，λ0为雷达工作波长，
Figure FDA0002348345350000026
为不规则体对应的平均多普勒频移，n为电离层不规则体的折射指数。
6.根据权利要求5所述的基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述
Figure FDA0002348345350000031
的具体表达式为：
Figure FDA0002348345350000032
其中，[Rm,Rn]、[fu,fv]分别为某一区域的电离层杂波所处的距离、多普勒单元范围，Pi,j为对应每个分辨单元的回波功率强度，fi,j为该区域电离层杂波对应的多普勒频率。
7.根据权利要求1所述的基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法，其特在于所述步骤三中，不规则体径向漂移速度估计的方差为：
Figure FDA0002348345350000033
其中，[Rm,Rn]、[fu,fv]分别为某一区域的电离层杂波所处的距离、多普勒单元范围，Pi,j为对应每个分辨单元的回波功率强度，
Figure FDA0002348345350000034
为不规则体沿雷达波束径向漂移的平均速度，vi,j为该区域电离层杂波对应的径向漂移速度。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113406609A (zh) * 2021-06-04 2021-09-17 哈尔滨工业大学 一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法
CN113552563A (zh) * 2021-07-16 2021-10-26 哈尔滨工业大学 垂测信息和高频地波雷达杂波信息的对应性分析方法
CN113777603A (zh) * 2021-08-26 2021-12-10 哈尔滨工业大学（威海） 海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统
CN114089331A (zh) * 2021-11-04 2022-02-25 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103018721A (zh) * 2012-12-11 2013-04-03 电子科技大学 一种mimo-oth雷达波形的生成方法
CN103217177A (zh) * 2013-05-09 2013-07-24 中国电子科技集团公司第二十二研究所 一种电波折射修正方法、装置及系统
CN103969660A (zh) * 2014-05-16 2014-08-06 中国科学院光电研究院 电离层误差修正方法
CN104133198A (zh) * 2014-08-13 2014-11-05 武汉大学 一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法
CN105022045A (zh) * 2015-07-14 2015-11-04 华东交通大学 一种基于多源数据融合的三维电离层层析方法
CN107290745A (zh) * 2017-05-26 2017-10-24 南昌大学 一种电离层探测方法及系统
CN109884605A (zh) * 2019-02-02 2019-06-14 中国气象科学研究院 云雨对雷达信号的吸收衰减和米氏散射衰减的提取方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103018721A (zh) * 2012-12-11 2013-04-03 电子科技大学 一种mimo-oth雷达波形的生成方法
CN103217177A (zh) * 2013-05-09 2013-07-24 中国电子科技集团公司第二十二研究所 一种电波折射修正方法、装置及系统
CN103969660A (zh) * 2014-05-16 2014-08-06 中国科学院光电研究院 电离层误差修正方法
CN104133198A (zh) * 2014-08-13 2014-11-05 武汉大学 一种高频地波雷达中电离层干扰抑制方法
CN105022045A (zh) * 2015-07-14 2015-11-04 华东交通大学 一种基于多源数据融合的三维电离层层析方法
CN107290745A (zh) * 2017-05-26 2017-10-24 南昌大学 一种电离层探测方法及系统
CN109884605A (zh) * 2019-02-02 2019-06-14 中国气象科学研究院 云雨对雷达信号的吸收衰减和米氏散射衰减的提取方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
P. V. PONOMARENKO .ETL: "Refractive index effects on the scatter volume location and Doppler velocity estimates of ionospheric HF backscatter echoes", 《ANNALES GEOPHYSICAE》, pages 2 - 5 *
XUGUANG YANG: "The Vertical Ionosphere Parameters Inversion for High Frequency Surface Wave Radar", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF ANTENNAS AND PROPAGATION》, pages 2 - 6 *
尚尚 等: "高频地波雷达电离层杂波统计特性研究", 《电波科学学报》 *
尚尚等: "高频地波雷达中电离层杂波的检测与特性分析", 《遥测遥控》 *
杨旭光等: "高频地波雷达垂直向电离层电子浓度估计方法", 《电波科学学报》 *
王文生: "潮间带典型目标的计划散射特性与雷达遥感检测方法研究", 中国博士论文全文库基础科学辑, no. 2018 *
符路遥: "极区中层异常雷达回波加热模型的研究", 中国优秀硕士论文全文库信息科技辑, no. 2017 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113406609A (zh) * 2021-06-04 2021-09-17 哈尔滨工业大学 一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法
CN113406609B (zh) * 2021-06-04 2022-11-29 哈尔滨工业大学 一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法
CN113552563A (zh) * 2021-07-16 2021-10-26 哈尔滨工业大学 垂测信息和高频地波雷达杂波信息的对应性分析方法
CN113777603A (zh) * 2021-08-26 2021-12-10 哈尔滨工业大学（威海） 海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统
CN113777603B (zh) * 2021-08-26 2023-08-04 哈尔滨工业大学（威海） 海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统
CN114089331A (zh) * 2021-11-04 2022-02-25 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法
CN114089331B (zh) * 2021-11-04 2024-05-14 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法

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