CN111007489B - 一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达探测技术，具体涉及一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统及方法，该方法包括短波发射站向电离层预设区域辐射短波，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；短波发射站根据接收的浮标发射的探测信号对反射区电离层进行重构，并根据重构后的电离层进行目标探测。该方法可以矫正斜向返回探测信号的误差，相对于现有技术中仅利用斜向返回探测信号进行待探测目标的定位降低了定位误差，提高了待探测目标的定位精度。
Description
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统及方法。
背景技术
OTHR(Over-The-Horizon Radar，天波超视距雷达)工作在频率为3-30MHz的短波频段，其工作原理是利用电离层对雷达电波的折射和返回散射来实现对视距外飞机、导弹和舰船等待探测目标的探测，具有抗低空突防、抗隐身、抗反辐射导弹、抗电子干扰的特点，而且，天波超视距雷达作用距离远达1000-4000千米，监测面积达几百万平方千米，是现阶段技术条件下实现远程战略预警最为经济有效的手段。
但是，在使用天波超视距雷达进行远程战略预警时，受反射电离层的实时状态影响很大，如果反射电离层当前状态不佳，可能会使待探测目标探测误差达到50km，为了实现精度较高的待探测目标探测，现有的天波超视距雷达通常使用斜向返回探测技术进行反射电离层的探测。当发射端发射的无线电波倾斜投射到电离层时，经电离层反射到达远方的地球表面，因地球表面的不平坦和电气不均匀特性而产生散射作用，使一部分电波能量循原入射路径再经电离层反射而返回到发射点，被与发射机处于同一位置的接收机所收到。利用这个机制进行探测的方法称为电离层斜向返回探测，又称为天波后向散射探测或地面后向散射探测。天波超视距雷达的接收机可以通过测量信号往返一次的传播时延来获得大面积范围内频率-时延特征和电离层短波传播参数，进而进行反射电离层的反演，得到较为准确的电离层结构参数，进而实现待探测目标探测。
但是，在实际应用中，受电离层状态的影响，根据斜返信号进行电离层结构的误差较大，导致根据该方法重构出的电离层进行待探测目标定位的精度不高。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统，以提高待探测目标的定位精度。
本发明的另一目的是提供一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统，包括锚泊及回收系统、位于照射区域内的浮标、数据传输系统和短波发射站；锚泊及回收系统包括声学释放器、系留锚索和回收浮体；
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
浮标上设有应答机和数据传输系统，应答机包括：短波模拟接收机、GPS时间-频率同步板卡、嵌入式扫频应答模块、小功率短波发射机、短波收发天线、电离层测量设备、数字射频接收机；短波模拟接收机用于通过短波收发天线接收短波发射站发射的短波；GPS时间-频率同步板卡用于生成时序控制脉冲，协调其他部件同步工作；嵌入式扫频应答模块用于信号处理流程控制以及信号处理；小功率短波发射机用于将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波由短波收发天线发射至短波发射站；电离层测量设备用于向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；数字射频接收机用于对收发信号进行数字处理；数据传输系统，用于使用CDMA通讯终端模块或者利用卫星通讯终端模块将采集的数据传输至短波发射站。
在上述的浮标式电离层双程斜向返回探测系统中，浮标采用外形尺寸为10m×8m×5m的船型结构，浮标上承载第一升降支架，第一升降支架的顶端设有第一平衡转不平衡变阻器；第一平衡转不平衡变阻器上分别固定有呈倒V型连接的第一辐射臂和第二辐射臂的一端，第一辐射臂、第二辐射臂的另一端固定设置在浮标上。
在上述的浮标式电离层双程斜向返回探测系统中，浮标包括第一主浮体以及第一、第二、第三、第四子浮体，其中，
第一主浮体上承载有第二升降支架，第二升降支架的顶端设有第二平衡转不平衡变阻器；第二平衡转不平衡变阻器上分别固定呈倒V型连接的第三辐射臂和第四辐射臂的一端，第三辐射臂、第四辐射臂的另一端分别设置于第一、第二子浮体上；
第一子浮体、第一主浮体与第二子浮体共线于第一直线；第三子浮体、第一主浮体与第四子浮体共线于第二直线，第一直线与第二直线相互垂直；第四子浮体与第一主浮体的间距为6m，第三子浮体、第一子浮体以及第二子浮体与第一主浮体的间距均为3m。
在上述的浮标式电离层双程斜向返回探测系统中，浮标包括第二主浮体和第七、第八、第九、第十子浮体，其中，
第七子浮体、第二主浮体与第八子浮体共线于第三直线；第九子浮体、第二主浮体与第十子浮体共线于第四直线，第三直线与第四直线相互垂直；第十子浮体与第二主浮体的间距为6m，第九子浮体、第七子浮体以及第八子浮体与第二主浮体的间距均为3m；第七、第八、第九、第十子浮体与第二主浮体之间通过刚性连接架连接，且第十子浮体上垂直设置有发射天线，第二主浮体上垂直设置有接收天线。
一种基于浮标式电离层双程斜向返回探测系统的探测方法，包括以下步骤：
步骤1、短波发射站向电离层预设区域辐射短波，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
步骤2、浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
步骤3、短波发射站根据接收的浮标发射的探测信号对反射区电离层进行重构，并根据重构后的电离层进行目标探测。
在上述的浮标式电离层双程斜向返回探测系统的探测方法中，浮标将自身的坐标调制到短波中并发射至短波发射站；浮标调制到短波发射站的发射频点对应波长的短波中并发射至短波发射站；待探测目标位于以浮标为中心，半径为200km的圆形区域内，短波发射站与浮标中的应答机组成全相参体系；浮标以扫频的方式发送电离层探测信号。
在上述的浮标式电离层双程斜向返回探测系统的探测方法中，探测方法还包括：
S1.浮标将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射至短波发射站；
S2.短波发射站在接收到浮标发射的调制的短波后，对短波进行解析，得到浮标的坐标，并根据浮标的坐标对待探测目标大圆距离进行修正，根据修正后的大圆距离对待探测目标进行探测。
在上述的浮标式电离层双程斜向返回探测系统的探测方法中，通过射线追踪技术来完成PD的转换，同时求得电波反射虚高h'；再根据探测目标的大圆距离D，雷达获取的目标回波信号的群路径P，电离层反射虚高h'以及地球半径R之间的关系计算式：
D＝2Rcos-1[(R2+(R+h')2-P2/4)/(2R(R+h'))]计算大圆距离，其中，D为大圆距离，R为地球半径，h'为反射虚高，P为雷达探测的目标回波的群路径。
本发明的有益效果：本发明在短波发射站发射信号达到浮标时，浮标发射电离层探测信号，短波发射站根据电离层反射的探测信号可以矫正斜向返回探测信号的误差，相对于现有技术中仅利用斜向返回探测信号进行待探测目标的定位降低了定位误差，提高了待探测目标的定位精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法的脉冲结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法中大圆修正示意图；
图4为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机数据传输系统设置方式示意图；
图6为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标的第一种结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机的辐射臂的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标的第二种结构俯向示意图；
图9为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机的各模块连接方式示意图；
图10为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的短波模拟接收机整体架构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的GPS时间-频率同步板卡整体架构示意图；
图12为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的嵌入式扫频应答模块整体架构示意图；
图13为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的数字射频接收机整体架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统，包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标。
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
浮标上设有应答机，应答机包括：短波模拟接收机、GPS时间-频率同步板卡、嵌入式扫频应答模块、小功率短波发射机、短波收发天线、电离层测量设备、数字射频接收机。
短波模拟接收机用于通过短波收发天线接收短波发射站发射的短波；
GPS时间-频率同步板卡用于生成时序控制脉冲，协调其他部件同步工作；
嵌入式扫频应答模块用于信号处理流程控制以及信号处理；
小功率短波发射机用于将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波由短波收发天线发射至短波发射站；
电离层测量设备用于向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
数字射频接收机用于对收发信号进行数字处理。
并且，浮标上还设有数据传输系统，用于使用CDMA通讯终端模块或者利用卫星通讯终端模块将采集的数据传输至短波发射站。
并且，浮标的第一种结构包括第一主浮体以及第一、第二、第三、第四子浮体，其中，
第一主浮体上承载有升降支架，升降支架的顶端设有平衡转不平衡变阻器；平衡转不平衡变阻器上分别固定呈倒V型连接的第一辐射臂和第二辐射臂的一端，第一辐射臂、第二辐射臂的另一端分别设置于第一、第二子浮体上；
第一子浮体、第一主浮体与第二子浮体共线于第一直线；第三子浮体、第一主浮体与第四子浮体共线于第二直线，第一直线与第二直线相互垂直；第四子浮体与第一主浮体的间距为6m，第三子浮体、第一子浮体以及第二子浮体与第一主浮体的间距均为3m。
并且，浮标的第二种结构包括包括第二主浮体和第七、第八、第九、第十子浮体，其中，
第七子浮体、第二主浮体与第八子浮体共线于第三直线；第九子浮体、第二主浮体与第十子浮体共线于第四直线，第三直线与第四直线相互垂直；第十子浮体与第二主浮体的间距为6m，第九子浮体、第七子浮体以及第八子浮体与第二主浮体的间距均为3m；第七、第八、第九、第十子浮体与第二主浮体之间通过刚性连接架连接，且第十子浮体上垂直设置有发射天线，第二主浮体上垂直设置有接收天线。
并且，浮标还可以采用外形尺寸为10m×8m×5m的船型结构，浮标上承载升降支架，升降支架的顶端设有平衡转不平衡变阻器；平衡转不平衡变阻器上分别固定有呈倒V型连接的第五辐射臂和第六辐射臂的一端，第五辐射臂、第六辐射臂的另一端固定设置在浮标上。
本实施例还提供了一种基于浮标式电离层双程斜向返回探测系统的探测方法，应用于双程斜向返回探测系统，系统包括：短波发射站、位于照射区域内的浮标，方法包括：
一、短波发射站向电离层预设区域辐射短波，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
二、浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
三、短波发射站根据接收的由浮标发射的探测信号对反射区电离层进行重构，并根据重构后的电离层进行目标探测。
而且，浮标将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射至短波发射站；
而且，短波发射站在接收到浮标发射的调制后的短波后，对短波进行解析，得到浮标的坐标，并根据浮标的坐标进行待探测目标大圆距离进行修正，并根据修正后的大圆距离对待探测目标进行探测。
而且，浮标将自身的坐标调制到短波中并发射至短波发射站。包括：
浮标调制到短波发射站的发射频点对应波长的短波中并发射至短波发射站。短波发射站与浮标中的应答机组成全相参体系。待探测目标位于以浮标为中心，半径为200km的圆形区域内。浮标以扫频的方式发送电离层探测信号。
具体实施时，图1为本实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
S101：短波发射站向电离层预设区域辐射短波，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
待探测目标位于以浮标为中心，半径为200km的圆形区域内。短波发射站与浮标中的应答机组成全相参体系。
例如，相位编码脉冲压缩体制的波形下的二相编码信号为u(t)，载波频率为f0，初始相位为0，那么发射信号可表示为：
其中，j为虚部。
S102：浮标上设有接收天线以及与接收天线通信连接的应答机，在应答机接收到短波发射站发射的短波后，向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
应答机与短波发射站斜探测系统为全相参体制，采用同一波形设计。浮标在接收到短波发射站的信号后，以扫频的方式发送电离层探测信号。
1)、图2为本实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法的脉冲结构示意图，如图2所示，m序列的周期自相关函数，其中L表示m序列的长度。本实施例使用的伪随机信号的自相关函数具有类似δ函数的性质，比如m序列和FH序列。对于一个n阶的m序列，一个周期内的码元个数L为2n-1。如果每个码元的宽度为Te，则码周期Tc为(2n-1)Te。该序列的自相关函数在一个码周期Tc内与δ函数很接近。因此，用这种伪随机序列作为发射载波的调制信号，就可以利用下面的方法直接得到双时响应函数。
短波发射机接收来自浮标的扫频信号，以其中一个频率的信号为例，经过解调和低通滤波之后，接收信号rd(t)可表示为：
rd(t)为接收信号；
为不定积分；h(t,τ)为双时响应函数；τ为相对时延；R为探测范围；u(t-τ)为预先设定的发射信号；t为信号被发射的时刻。
2)、把短波发射机的发射信号e(t)和接收信号rd(t)做互相关运算，可得互相关运算结果
进而可以利用公式，
计算双时响应函数，其中，
h(tc,tp)为双时响应函数；δ(tp)为δ函数；tc为信号被发射出去的时刻；tp为信号被接收的时刻。
为了便于理解双时响应函数计算公式的推导过程，互相关运算结果为：
其中，T0为相关时间；u(t-tp)为事先预订的信号；h(t,τ)为电离层双时响应函数。
通常情况下，T0小于电离层信道的稳定时间，那么电离层信道可认为是一个线性时不变系统。
因此，h(t,tp)≈h(tc,tp)，h(t,tp)为电离层双时响应函数。
进而，
由于调制信号的自相关函数具有Dirac形状，那么：Cu,u(tp)＝δ(tp)因此有：
对于线性时变系统，用变量t代替tc，就可以获得双时响应函数。因此，只要采用这种具有良好自相关性的伪随机序列对发射载波进行调制，每次测量就可直接得到特定时间t的电离层信道的一次单频全路径“回波～距离函数”。
在使用窄带雷达时，一次探测只能在全路径上观测到一个频点的回波信息，若要获得反映回波多普勒信息的散射函数或不同探测频率下的p'-f曲线图，必须通过在不同的频点上经过多次测量才能完成。对于测量散射函数，仅需要在单频点上完成多次测量，再沿时间轴对记录的信道脉冲响应数据作快速付利叶运算。对于测量p'-f函数，每次测量相对于相邻的测量要按一定的步进增加或减少探测频率。
通过电离层散射函数可以获得回波在时域和频域的分布特征，从而确定回波的时延、多径、多普勒频移和展宽信息。而p'-f曲线则可以用于确定跳距以及在不同地球物理条件下跳距随时间的变化，也可以获得电离层结构信息和高频信道特征信息，根据p'-f曲线获得电离层结构信息和高频信道特征信息的过程为现有技术。
本实施例，可以提供相关区域实际的电离层传播模式信息和多普勒信息，对雷达电波的电离层传播效应进行有效的评估修正，进而提升电离层重构能力，提升远区定位精度，进而提高天波雷达效能。
S103：短波发射站根据接收的由浮标发射的探测信号对反射区电离层进行重构，并根据重构后的电离层进行目标探测。
短波发射站根据S102步骤中得到的相关参数，进而得到了更加精确的电离层信息，进而可以更加准确的进行目标的探测。
进行电离层重构是指，将电离层反射的浮标发射的扫频信号作为现有技术中的斜向返回信号进行电离层的重构，其重构过程与现有的电离层重构过程相同，这里不再赘述。
现有技术中进行斜返探测时，短波发射站发射的探测信号被电离层反射时对应的电离层状态与斜返信号被电离层反射时对应的电离层状态可能存在区别，进而导致重构后的电离层与实际的电离层存在误差，而采用本实施例的方法，在短波发射站发射信号达到浮标时，浮标发射电离层探测信号，短波发射站接受的反射的探测信号仅经过一次反射，误差更小，因此，短波发射站根据电离层反射的探测信号可以矫正斜向返回探测信号的误差，相对于现有技术中仅利用斜向返回探测信号进行待探测目标的定位降低了定位误差。
另外，本实施例，当应答接收机放置在远海浮标上时，不仅可以得到浮标点位置信息，用以修正距离误差，且在短波发射站上可以获取相应区域电离层信息，从而为评估修正雷达电波电离层效应，有效提高天波雷达远海待探测目标定位精度提供依据。
通常情况下，短波发射站也被称为主站。
在本实施例方法还包括：浮标将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射至短波发射站；短波发射站在接收到浮标发射的调制后的短波后，对短波进行解析，得到浮标的坐标，并根据浮标的坐标进行待探测目标大圆距离进行修正，并根据修正后的大圆距离对待探测目标进行探测。
在本实施例的另一种具体实施方式中，浮标调制到短波发射站的发射频点对应波长的短波中并发射至短波发射站。
例如，短波发射站发射的信号的频点为20MHz，浮标接收到该频点的信号后，从休眠状态转换到激活状态，在向电离层发射扫频信号时，还利用自身携带的GPS(GlobalPosition System，全球定位系统)设备或者北斗定位设备读取自身的坐标，并将该坐标调制到任一一个短波发射站可以接收的频点上的短波上进行发射。为了便于短波发射站进行信号的识别，通常会将浮标的坐标调制到20MHz对应的短波中进行发射。
图3为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测方法中大圆修正示意图，如图3所示，首先，S102步骤中可以获取反射区域精确的电离层结构信息，则可以通过射线追踪技术来完成PD的转换，同时可求得电波反射虚高h′。
然后，根据探测目标的大圆距离D，雷达获取的目标回波信号的群路径P，电离层反射虚高h′以及地球半径R之间的关系：
D＝2Rcos-1[(R2+(R+h')2-P2/4)/(2R(R+h'))]，计算大圆距离，其中，
D为大圆距离；R为地球半径；h'为反射虚高；P为雷达探测的目标回波的群路径。
应用本发明实施例，应答机转发时需要在回波信号中加入特定信息，如多普勒频移信息或时延，以便天波雷达系统能够识别出该回波信号。
本实施例还提供了一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统。
图4为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标系统的结构示意图，如图4所示，系统具体包括：锚泊及回收系统、浮标、数据传输及岸站系统，其中，浮标位于照射区域内的，其中，锚泊及回收系统包括声学释放器、系留锚索和回收浮体；数据传输及岸站系统包括短波发射站及数据传输系统。
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，其中，所述电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
图5为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标上应答机的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标的第一种结构示意图；如图5和图6所示，本实施例使用船型浮标，该浮标具有流线型较好、抗风浪能力较强、不易倾覆、易于运输等特点。参考国内外相关浮标的成熟产品以及发展趋势的基础上，通过对浮标进行动态分析与优化后，最终确定浮标的主浮体外形尺寸为：10m×8m×5m的船型结构。如图7所示，为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机的辐射臂的结构示意图，浮标上承载第一升降支架，第一升降支架的顶端设有第一平衡转不平衡变阻器；第一辐射臂的一端固定连接在平衡转不平衡变阻器上，第一辐射臂的另一端固定设置在浮标上；第二辐射臂的一端固定连接在平衡转不平衡变阻器，第二辐射臂的另一端固定设置在浮标上；第一辐射臂与第二辐射臂连接呈倒V型。
图8为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中浮标的第二种结构俯向示意图；如图8所示，浮标还包括：第一主浮体以及第一、第二、第三、第四子浮体，其中，第一主浮体对应图8中的大圆；第一、第二、第三、第四子浮体对应图8中的内有黑点的小圆。在第一主浮体上承载第二升降支架，第二升降支架的顶端设有第二平衡转不平衡变阻器；第三辐射臂的一端固定连接在第二平衡转不平衡变阻器上，第三辐射臂的另一端固定设置在第一子浮体上；第四辐射臂的一端固定连接在第二平衡转不平衡变阻器，第四辐射臂的另一端固定设置在第二子浮体上；第三辐射臂与第四辐射臂连接呈倒V型；第一、第二、第三、第四子浮体均远离第二主浮体设置，子浮体中第一子浮体、第一主浮体与第二子浮体共线于第一直线；第三子浮体、第二主浮体与第四子浮体共线于第二直线，第一直线与第二直线相互垂直；第四子浮体与第一主浮体的间距为6m；第一子浮体、第二子浮体和第三子浮体与第一主浮体的间距均为3m。第四子浮体距离第二主浮体距离较远，可以形成更长的力臂，第四子浮体在洋流的作用下可以起到舵面的作用，进而使第一直线垂直于洋流的方向，提高稳定性。
在另一种实施方式中，第二主浮体与第七、第八、第九、第十子浮体之间通过刚性连接架连接。第七子浮体、第二主浮体与第八子浮体共线于第三直线；第九子浮体、第二主浮体与第十子浮体共线于第四直线，第三直线与第四直线相互垂直；第十子浮体与第二主浮体的间距为6m，第九子浮体、第七子浮体以及第八子浮体与第二主浮体的间距均为3m；距离第二主浮体6m的第十子浮体上垂直设有发射天线，接收天线垂直设置在第二主浮体上；本实施例结构，可以避免接收天线与发射天线之间相互影响。
图9为本发明实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机各模块连接关系示意图，如图9所示，浮标上设有应答机，应答机包括：短波模拟接收机、GPS时间-频率同步板卡、嵌入式扫频应答模块、小功率短波发射机、短波收发天线、电离层测量设备、数字射频接收机。
上电后，CR3000通过数据转接卡和数据转发卡的配合使用从串行接口1读取小功率应答系统、温度记录仪、电子罗盘等模块或子系统测量到的数据，从模拟置换口获得大气压力传感器、铂电阻、浸水传感器测量到的数据，经过分析整理，将需要的数据存入CF卡或大容量存储器中，并通过北斗卫星通讯终端模块或CDMA通讯终端模块将其发给岸站通讯系统，最终显示在岸站系统界面上。
应答机的综合控制中心负责对系统电源的控制，根据需要为浮标式小功率应答系统、附属传感器网络、数据通信系统顺序上电，并对附属传感器进行数据的采样，控制数据通信系统在预定时刻将其发送给短波发射站。应答机还设有磁罗盘，以用于测量浮标的姿态，包括俯仰角，方位角、旋转角，进而解算得到大地坐标系中浮标的姿态角，给浮标式小功率应答系统提供修正补偿参数。
浮标上还能够根据需要加装多种传感器设备，如常规风速风向仪、波浪传感器、ADCP等，完成其他需求的测量要求。
图10为本实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的短波模拟接收机整体架构示意图，如图10所示，用超外差体制，将接收天线接收到的不同频率的射频信号与本机的振荡电路产生的对应频率的本振信号经过两次混频与滤波后得到中频信号，然后中频信号再次经过放大处理以及A/D采样后得到数字中频信号，数字中频信号经过正交解调和数字下变频等软件无线电数字信号处理过程后得到数字基带信号。
图11为本实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的GPS时间-频率同步板卡整体架构示意图；如图11所示，GPS(Global Positioning System，全球定位系统)时钟、频钟装置和同步控制装置是浮标式双程斜测系统同步工作的关键设备，由环球卫星网络操作的全球定位系统为系统提供同步的频率源和时钟源，使得分布在各个不同地区的“各自为战”的分系统，成为一个整体的探测系统。同步控制电路产生按设计要求的时序控制脉冲，协调每一部分雷达系统中的各个部件同步工作。振荡器直接和GPS接收环球卫星提供的时钟和频钟信号进行比较，突破了传统GPS时钟只能达到物理极限的精确度，而达到接近理论上的极限精确度。FPGA依据设计要求的时序参数和GPS提供的时钟/频钟同步源，产生出雷达所需的各种同步信号。
图12为本实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的嵌入式扫频应答模块整体架构示意图，如图12所示，嵌入式扫频应答模块用于信号处理流程控制以及信号处理；
小功率短波发射机用于将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波由短波收发天线发射至短波发射站；
电离层测量设备用于向电离层发射探测信号，以使探测信号经过电离层的反射达到短波发射站；
图13为本实施例提供的一种浮标式电离层双程斜向返回探测系统中应答机中的数字射频接收机整体架构示意图，如图13所示，数字射频接收机过数字化通技术措施，尽可能减少频率源及其衍生干扰，降低接收机噪声，全面提高接收机灵敏度、动态范围、信噪比等一系列关键指标。
初步方案：射频接收前端采用12-20MHz宽开带通可控增益放大电路，增益在0-30dB间可数控调节；高速A/D转换采用双路65MHzA/D转换器，量化分辨率为14bit，信噪比≥73dB，无杂散动态范围≥82dB；数字相参接收采用数字滤波、数字下变频处理等方法，形成数字I、Q正交信号输出。。
在本实施例的一种具体实施方式中，浮标上还设有数据传输系统，用于使用CDMA通讯终端模块或者利用卫星通讯终端模块将采集的数据传输至短波发射站。
通常情况下，数据传输在沿岸20～30km以内，只要有CDMA信号，可以利用手机移动通信基站发送数据；在较远的海上，可以通过卫星传输数据。例如可以采用Iridium(铱星)系统，其传输速率在经过数据压缩后可提升至每秒9600位，能满足数据传输要求。但是，用铱星传输数据存在保密问题，可以采取加密的方式。还可以采用模型同化技术，只需传输几个参数，极大的减轻了数据传输压力。
在主浮体壳体内部装有浮标综合控制系统，控制系统按需求记录各个传感器测量的数据，并按预设的方案将数据通过浮标数据传输系统传给岸上的短波发射站。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (9)
1.基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统，其特征是，包括短波发射站和位于照射区域内的浮标；
短波发射站，用于向电离层预设区域辐射短波，接收浮标返回的坐标信息并根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角度进行修正，其中，电离层预设区域为能将短波辐射至待探测目标所在区域的电离层区域；
浮标上设有应答机，应答机用于在接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站，并将测量的短波的多普勒频移误差和/或短波时延信息调制到接收的短波中，然后将调制后的短波发射至短波发射站；短波发射站在接收到浮标发射的调制后的短波后，对短波进行解析，得到浮标的坐标，并根据浮标的坐标对待探测目标大圆距离进行修正，并根据修正后的大圆距离对待探测目标进行探测；包括：
利用公式，
对电离层的倾斜角度进行修正，其中，θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度；ΔR为浮标的接收仰角；ΔT为发射仰角；
还包括：
利用公式，
计算电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，其中，Dc-D为电离层发生径向倾斜时的地面距离误差；θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度；ΔR为接收仰角。
2.如权利要求1所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统，其特征是，浮标包括浮体，浮体上方设置有馈源以及至少两个振子的天线；每个振子呈倒V型设置，各振子的顶端与馈源电磁耦合连接；馈源设置于天线的顶部，馈源与应答机电连接。
3.如权利要求2所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统，其特征是，浮体的底部通过连接杆连接有重物，用于防止浮体倾覆；浮体的顶面上设有多棱凸台，多棱凸台的每一个侧棱面上设有太阳能电板，为浮标提供电力；多棱凸台的顶面上设有竖直支架，竖直支架的顶部设有顶部平台，馈源固定设置于顶部平台的上方；每个振子的底端固定在顶部平台上，每个振子之间呈倒V型设置，且每个振子的顶端与馈源电磁耦合连接，馈源设置于天线的顶部。
4.如权利要求2所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统，其特征是，浮体的底部通过连接杆连接有重物，用于防止浮体倾覆；浮体的顶面上设有多棱凸台，多棱凸台的每一个侧棱面上设有太阳能电板，为浮标提供电力；多棱凸台的顶面上设有竖直支架，竖直支架的顶端设有顶部平台，顶部平台上至少固定有两根立柱，每个振子分别固定在各立柱的顶端，且每个振子呈倒V型设置；每个振子的顶端分别与馈源电磁耦合连接，每个振子的底端分别朝向斜下方延伸至顶部平台以下且高于海面；各立柱的顶端分别与每个振子靠近顶端的三分之一处固定。
5.如权利要求3或4所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统，其特征是，浮体为饼形。
6.如权利要求1-4任一项权利要求所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、短波发射站向电离层预设区域辐射短波，已将短波经电离层反射后照射到浮标上；
步骤2、应答机接收到短波发射站发射的短波后，将浮标自身的地理坐标调制到短波中并发射至短波发射站；
步骤3、短波发射站根据自身的坐标以所接收的浮标坐标之间的相对位置关系对电离层的倾斜角度进行修正。
7.如权利要求6所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，步骤1的实现包括以下步骤：
步骤1.1、首先，远海区域内间隔设有浮标，浮标可以间隔200km或者400km阵列设置；
步骤1.2、然后，确定出需要进行探测的远海区域，并计算出对该区域进行探测时对应的用于反射短波的电离层区域；
步骤1.3、通过位于陆地上的短波发射站对步骤1.2所述电离层区域进行探测，得到电离层区域的初步结构参数，并根据该初步结构参数向该区域的电离层辐射短波。
8.如权利要求6所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，步骤2的实现包括以下步骤：
步骤2.1、浮标在接收到短波发射站的信号后，利用自身携带的GPS接收机或者北斗系统的接收机测算自身的地理坐标，并将接收电离层所反射短波的仰角调制到短波中；
步骤2.2、将调制后的短波沿着浮标接收短波的方向发射出去，使电离层将调制后的短波反射至短波发射站。
9.如权利要求6所述的基于浮标式双程斜返探测的电离层倾斜修正系统的修正方法，其特征是，步骤3的实现包括：
步骤3.1、当电离层在短波波矢量切线方向发生倾斜时，电离层会将短波主站发射的短波反射至偏离短波主站发射短波所在的竖直面；
步骤3.1.1、利用公式θT＝αR-αT，计算第一跳时电离层的方位角误差，并根据计算所得方位角误差对短波发射测量的电离层倾斜角度进行修正；公式中θT为电离层在短波波矢量切线方向的倾斜角度，αR为浮标接收的短波发射站发射的短波的方位角，αT为短波发射站发射短波的方位角；
步骤3.1.2、当短波传播过程中出现两次电离层反射时，利用公式
计算下一跳时对应的电离层的方位角误差，并根据计算所得方位角误差对短波发射测量的下一跳时的电离层倾斜角度进行修正；公式中δα1为下一跳时对应的电离层的方位角误差，h为电离层反射虚高，θT为第一跳时电离层的方位角误差D为发射线对应的地面距离；
步骤3.2、当电离层在短波波矢量法线方向上发生倾斜时，利用公式
对电离层的倾斜角度进行修正；公式中θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度，ΔR为浮标的接收仰角，ΔT为发射仰角；
步骤3.3、在电离层薄层假设条件下，电离层发生径向倾斜时的地面距离误差利用公式
计算电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，公式中D为存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离，Dc为不存在短波波矢量法线方向上发生倾斜时地面距离，Dc-D为电离层发生径向倾斜时的地面距离误差，θL为电离层在短波波矢量法线方向上的倾斜角度，ΔR为接收仰角。
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