CN113253233A - 基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统 - Google Patents

基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统 Download PDF

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CN113253233A CN202110619303.1A CN202110619303A CN113253233A CN 113253233 A CN113253233 A CN 113253233A CN 202110619303 A CN202110619303 A CN 202110619303A CN 113253233 A CN113253233 A CN 113253233A
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Abstract

本发明属于雷达技术领域,涉及一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统,旨在解决我国的全天空流星雷达分析处理不全面及时效性、准确性和分辨率有待提高的问题;本发明从全天空流星雷达探测的原始信号出发,以建立完善的全天空流星雷达分析处理系统和获取高分辨的背景大气参数为目标,考察雷达信号分析处理的主要流程和关键技术,实现全天空流星雷达的分析处理算法,获取全天空流星雷达探测的数据产品,促使我国自主的全天空流星雷达分析处理系统的建立;本发明建立了流星雷达信号预处理算法,实现了回波信号的相位校正、欠密流星事件的判定和筛选、流星尾迹的精密定位以及观测参数的反演,实现全天空流星雷达的分析处理。

Description

基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统
技术领域
本发明属于雷达技术领域,具体涉及一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统。
背景技术
流星尾迹是流星体进入地球高层大气产生的长而密的等离子体柱。它滞留在背景大气中,对无线电波有强的散射作用,可被雷达追踪,为中间层和低热层(MLT区域)这一探测盲区提供完美的天然示踪物。流星雷达就是以流星尾迹为观测对象的一种非常重要的MLT区域探测手段。因其设备简单,造价适中,可全天空全天候、长期稳定的观测,测量精度高等优点,成为MLT区域的常规观测手段之一,在MLT区域的大气研究中发挥着不可或缺的作用,探测的大气风场也可应用于服务空间飞行等宇航目的的空间环境保障。另外,流星雷达还可应用于流星天文和空间碎片等的研究,为航天器的生存和防护安全提供参考,具有重要的科学和实际应用价值。
流星雷达主要由硬件设备和软件系统两部分组成,硬件设备主要由空间分置的天线阵组成;软件系统主要包含控制部分和分析处理部分,控制部分控制信号的发射、接收和信号的采集、存储;分析处理部分实现原始信号的后续分析处理、数据产品的生成并可视化。其中,雷达分析处理系统及其中的数据处理技术(较为关键的分析过程包含实时流星事件的判定、流星尾迹的精确定位、观测参数的获取和背景大气参数的反演)至关重要,直接影响着流星雷达的探测能力和探测精度。
随着我国空间物理探测的发展,我国已布置10余台流星雷达;在不久的将来,拟建立的与现有的雷达将布置成链网状态,为我国的MLT区域大气提供全面有效的监测系统,但目前我国的流星雷达探测具有一定的局限性:目前引进的流星雷达(包含硬件设备和分析处理软件)皆为进口,且进口的分析处理软件常陷入去干扰的迭代循环中,时效性较差,另外,由于模糊度的影响干涉定位技术精确性有限,反演的背景大气风场时间分辨率较低,我国自主的流星雷达的硬件设备正在自主研发中,与之匹配的分析处理软件尚待开发;即缺乏我国自主研制的流星雷达尤其是针对原始观测分析并反演参数的雷达分析处理系统,分析处理中流星事件的判定、流星尾迹的精确定位和观测参数的获取流星事件所反映背景大气参数的反演等关键技术和核心算法尚待全面实现并完善,关键技术的时效性、精确性和分辨率有待提高;系统性的信号获取、分析、处理、产品输出及可视化尚未实现;这些问题如不解决,会制约流星雷达相关探测技术的发展和我们对中高层大气的认识。
因此,迫切需要打破零基础的局面开展相关研究。针对目前使用及将来可能发展的全天空流星雷达,自主发展和研制一种直接利用雷达原始观测信号实现流星尾迹的探测、精密定位和背景大气参数的精确反演的全天空流星雷达分析处理系统,来面向对MLT区域大气常规监测的迫切需求,在此基础上有效提高流星雷达的探测效率、能力、精度和时空分辨率,从而为我国MLT区域大气及其精细结构的监测提供有效而准确的保障。
综上所述,当前全天空流星雷达数据分析处理的不足之处有:1)与全天空流星雷达探测设备对接的分析处理系统尚待开发;2)分析处理系统中的流星事件的判定、流星尾迹的精确定位和观测参数的获取及背景大气参数的反演等关键技术和核心算法尚待全面实现并完善,关键技术时效性、处理精度和分辨率有待提高;3)系统性的信号获取、分析、处理、产品输出及可视化尚未实现。
发明内容
为了解决上述问题,即为了解决我国自主的全天空流星雷达分析处理系统尚待开发,关键技术时效性较差、处理精度和分辨率较低的问题,本发明提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统。
本发明的第一方面提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,该方法包括以下步骤:步骤S100,采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号,获取各通道的回波特征信息,形成RTI图,通过预处理方法去除干扰,获得第一信号。
步骤S200,基于所述第一信号,利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号确定流星雷达各天线的相位偏差值;校正相位偏差,获得准确的各通道的回波复信号,作为第二信号;对所述第二信号进行相位调整并合成,获得可综合描述流星回波的回波复信号,作为第三信号。
步骤S300,基于所述第三信号,结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则,获得终选流星事件。
步骤S400,基于所述终选流星事件,利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律,对候选流星事件进行精确定位,获取流星尾迹的位置信息。
步骤S500,基于所述终选流星事件,利用回波信号的相位变化率、回波信号的衰减演化规律,确定流星尾迹的运动、演化参数;同时基于所述流星尾迹的位置信息和运动、演化参数反演背景大气参数,以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。
在一些优选实施例中,步骤S100具体包括以下步骤:步骤S110,回波信号的获取以及信号的特征确定,具体为:基于雷达接收天线接收的回波信号,获取数字化后的原始信号,生成原始观测回波复信号,基于所述原始观测回波复信号提取回波信息的特征信息;所述原始信号包含同相分量和正交分量;所述特征信息包含功率、幅度、相位和RTI图。
步骤S120,去干扰具体为:对
Figure 451591DEST_PATH_IMAGE001
图中的图像进行灰度处理,进行边缘识别和检 测,识别出的横向、纵向或者斜向线条作为干扰信号以进行去除。
在一些优选实施例中,流星雷达第
Figure 920750DEST_PATH_IMAGE002
个通道、第
Figure 60744DEST_PATH_IMAGE003
个采样点的原始观测回波复信号 为
Figure 968657DEST_PATH_IMAGE004
Figure 900710DEST_PATH_IMAGE005
;其中,
Figure 603087DEST_PATH_IMAGE006
为虚数单位,
Figure 495957DEST_PATH_IMAGE007
Figure 348506DEST_PATH_IMAGE008
分别为通道
Figure 213694DEST_PATH_IMAGE009
收到信号的幅度和相位,
Figure 149289DEST_PATH_IMAGE010
为多普勒频移,
Figure 467138DEST_PATH_IMAGE011
为采样周期。
在一些优选实施例中,“相位偏差校正”具体为:确立两条基线上偏差的关系式
Figure 877040DEST_PATH_IMAGE012
,减少未知参数的个数,降低遍历维度,建立判定准则高效估计各 天线s相位偏差量并进行校正;其中,
Figure 659052DEST_PATH_IMAGE013
Figure 703231DEST_PATH_IMAGE014
为同一基线上两个外部天线
Figure 446059DEST_PATH_IMAGE015
的 相位偏差;
Figure 30624DEST_PATH_IMAGE016
为由外部天线
Figure 604825DEST_PATH_IMAGE017
估算的相位差与天线
Figure 6856DEST_PATH_IMAGE018
观测的相位差的差值;
Figure 830456DEST_PATH_IMAGE019
为 外部天线
Figure 421974DEST_PATH_IMAGE017
与中心天线
Figure 788365DEST_PATH_IMAGE020
的距离;
Figure 174347DEST_PATH_IMAGE021
为外部天线
Figure 750821DEST_PATH_IMAGE018
与中心天线
Figure 568867DEST_PATH_IMAGE020
的距离。
在一些优选实施例中,步骤S300具体包括:步骤S310,流星事件的预判,包括信号合成和流星事件的判定;其中,所述信号合成具体为:对回波信号进行分段筛选,在选取的时间窗口内,基于计算的不同天线、不同时延条件的互相关函数,确定外部天线与中心天线间的相位差,调整外部天线信号的相位差,再将调整后的各天线信号进行合成。
所述流星事件的判定具体为:基于流星事件的典型回波特征,确立从回波信号中筛选事件的判据,判定流星事件并确立事件的特征信息;所述典型回波特征包括在预设时间内的上升速率、在预设时间内突出于噪声水平、到达峰值后准指数下降、持续时间低于预设时间;判定的依据为:在划定的窗口内依据流星雷达的回波特点确定噪声水平,基于该噪声水平确立判定流星事件的阈值,若窗口内预处理后的回波信号的功率连续两个时刻高于阈值,则初步认定为流星事件回波,并标记为候选流星事件。
步骤S320,流星事件的核验;基于所述候选流星事件,排除其它回波信号,筛选出符合条件的欠密流星事件;所述其它回波信号包含电离层偶发E层、闪电和飞行物回波。
步骤S330,流星事件的终判;基于核验完的流星事件回波信号,确定基本的探测参数:在流星事件的特征时间内,重新调整各天线的相位差,合成不同通道的信号,重新判定流星事件,并确定流星事件的特征信息;所述流星事件的特征时间包括开始时刻、峰值时刻和结束时刻,所述开始时刻为信号功率高于阈值的第一个时刻,所述峰值时刻为功率最强时刻,所述结束时刻为信号功率高于阈值的最后一个时刻。
在一些优选实施例中,步骤S400中的流星尾迹的位置信息包括流星尾迹的方位和流星尾迹所处高度。
所述流星尾迹的方位包括流星尾迹的天顶角
Figure 852081DEST_PATH_IMAGE022
和流星尾迹的方位角
Figure 736860DEST_PATH_IMAGE023
Figure 410418DEST_PATH_IMAGE024
Figure 78160DEST_PATH_IMAGE025
,其中,
Figure 543776DEST_PATH_IMAGE026
Figure 458511DEST_PATH_IMAGE027
分别为基线
Figure 681682DEST_PATH_IMAGE028
、基线
Figure 481011DEST_PATH_IMAGE029
上的入射角。
流星尾迹所处高度为h:
Figure 738817DEST_PATH_IMAGE030
;其中,
Figure 309607DEST_PATH_IMAGE031
为地球半径,
Figure 347970DEST_PATH_IMAGE032
为 流星尾迹的距离。
在一些优选实施例中,步骤S500中的流星尾迹的演化参数:双级扩散系数
Figure 623094DEST_PATH_IMAGE033
和衰 减时间
Figure 155313DEST_PATH_IMAGE034
Figure 552796DEST_PATH_IMAGE035
Figure 750559DEST_PATH_IMAGE036
Figure 501477DEST_PATH_IMAGE037
;其中,
Figure 812504DEST_PATH_IMAGE038
为流星事件回波的幅度,
Figure 115310DEST_PATH_IMAGE039
表示流星事件的初始回波幅 度,
Figure 3631DEST_PATH_IMAGE040
为自流星尾迹形成的时间,
Figure 807508DEST_PATH_IMAGE041
为雷达波数,
Figure 894413DEST_PATH_IMAGE042
是雷达波长。
所述背景大气参数包括温度
Figure 368119DEST_PATH_IMAGE043
和密度
Figure 212579DEST_PATH_IMAGE044
Figure 633196DEST_PATH_IMAGE045
其中,
Figure 636924DEST_PATH_IMAGE046
为压强,
Figure 484794DEST_PATH_IMAGE047
为单位电荷电量,
Figure 847509DEST_PATH_IMAGE048
为标准大气中的离子迁移率,
Figure 602976DEST_PATH_IMAGE049
为标准大 气的气压,
Figure 664473DEST_PATH_IMAGE050
为标准大气的温度,
Figure 620927DEST_PATH_IMAGE051
为玻尔兹曼常数,
Figure 299033DEST_PATH_IMAGE052
为气体常数。
本发明的第二方面提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理系统,该系统包括:接收和预处理模块、相位偏差校正模块、流星事件判定模块、流星尾迹精确定位模块、观测参数反演模块、输出显示模块。
所述接收和预处理模块,配置为将各天线阵的接收信号相干积累处理为
Figure 61453DEST_PATH_IMAGE053
数字 信号,并对各通道的
Figure 164407DEST_PATH_IMAGE053
数字信号进行预处理,去除干扰。
所述相位偏差校正模块,配置为获取各天线阵的相位偏差,基于雷达系统的分析处理系统进行日常校正,以保证全天空流星雷达的定位的精准运行。
所述流星事件判定模块,配置为基于各通道的
Figure 150818DEST_PATH_IMAGE053
数字信号,结合不同接收天线的 信息,合成不同天线的信号;基于流星事件的典型回波特征,确立从噪声中筛选事件的判 据,判定候选流星事件并确立事件的特征信息,初步确定候选流星事件和其特征参数。基于 候选流星事件,排除其它回波信号,筛选欠密流星事件。
所述流星尾迹精确定位模块,配置为基于校正后的相位差信息,基于接收天线间的空间几何关系,获取流星尾迹的位置信息。
所述观测参数反演模块,配置为利用回波信号的相位变化率,确定流星尾迹的运动速度;建立流星尾迹观测参数反演子模块,基于获取的流星尾迹的位置和运动速度,反演背景大气的三维风场信息;基于回波信号的衰减演化规律,确定流星尾迹的双极扩散系数,建立扩散系数和背景大气的温度和密度的关系式,获取背景大气的温度和密度。
所述输出显示模块,配置为进行各个模块的集成和产品展示与输出,将流星事件的信号、流星事件的观测参数、背景大气参量反演结果保存到数据文件中。
本发明的第三方面提供了一种电子设备,包括:至少一个处理器;以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器;其中,所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令,所述指令用于被所述处理器执行以实现上面任一项所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法。
本发明的第四方面提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机指令,所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上面任一项所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法。
本发明从全天空流星雷达探测的原始信号出发,以建立完善的全天空流星雷达分析处理系统和获取背景大气参数为目标,考察雷达信号分析处理的主要流程和关键技术,实现全天空流星雷达的分析处理算法,获取全天空流星雷达探测的数据产品,促使我国自主的全天空流星雷达分析处理系统的建立;通过本发明公开的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,1)建立并实现了全天空流星雷达信号预处理算法;2)实现了影响流星尾迹精确定位的关键技术——相位校正;3)实现了流星事件的判定、实现欠密流星尾迹的筛选、建立流星事件的评价体系;4)实现了流星尾迹的精密定位和观测参数的反演;5)实现了背景大气参数的反演;6)明晰了全天空流星雷达探测分析处理的全流程;7)首次自主研制建立全天空流星雷达分析处理系统。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明中的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法的一种具体实施例的流程示意图。
图2是本发明中基于全天空流星雷达的信号处理方法的流程示意图。
图3是本发明中的基于全天空流星雷达的信号处理方法的详细流程示意图。
图4是本发明中的基于全天空流星雷达信号的分析处理系统的一种具体实施例的框架示意图。
图5是本发明判定的典型欠密流星事件的回波示例图。
图6是本发明反演的背景大气风场示例图。
图7是本发明反演的背景大气温度示例图。
图8是用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显,下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的第一方面提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,该方法包括以下步骤:步骤S100,采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号,获取各通道的回波特征信息,形成RTI图,通过预处理方法去除干扰,获得第一信号;步骤S200,基于第一信号,利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号确定流星雷达各天线的相位偏差值;校正相位偏差,获得准确的各通道的回波复信号,作为第二信号;对第二信号进行相位调整并合成,获得可综合描述流星回波的回波复信号,作为第三信号;步骤S300,基于第三信号,结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则,获得终选流星事件;步骤S400,基于终选流星事件,利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律,对候选流星事件进行精确定位,获取流星尾迹的位置信息;步骤S500,基于终选流星事件,利用回波信号的相位变化率、回波信号的衰减演化规律,确定流星尾迹的运动、演化参数;同时基于所述流星尾迹的位置信息反演背景大气参数,以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。
本发明从全天空流星雷达探测的原始信号出发,以建立完善的全天空流星雷达分析处理系统和获取背景大气参数为目标,考察雷达信号分析处理的主要流程和关键技术,实现全天空流星雷达的分析处理算法,获取全天空流星雷达探测的数据产品,促使我国自主的全天空流星雷达分析处理系统的建立;通过本发明公开的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,1)建立并实现了全天空流星雷达信号预处理算法;2)实现了影响流星尾迹精确定位的关键技术——相位校正;3)实现了流星事件的判定、实现欠密流星尾迹的筛选、建立流星事件的评价体系;4)实现了流星尾迹的精密定位和观测参数的反演;5)实现了背景大气参数的反演;6)明晰了全天空流星雷达探测分析处理的全流程;7)首次自主研制建立全天空流星雷达分析处理系统。
以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。
参照附图1至附图3,本发明的第一方面提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,该方法包括以下步骤:步骤S100,采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号,获取各通道的回波特征信息,形成RTI(Range-Time-Internsity)图,通过预处理方法去除干扰,获得第一信号。
步骤S100具体包括以下步骤:步骤S110,获取回波信号并确定信号的特征,具体为:基于雷达接收天线接收的回波信号,获取数字化后的原始信号,生成原始观测回波复信号,基于生成的原始观测回波复信号提取回波信息的特征信息;其中,原始信号包含同相分量和正交分量,特征信息包含功率、幅度、相位和RTI图等。
在流星雷达的接收回波当中,某些非流星事件的干扰会产生强信号,在流星事件判定前若不去除,容易在判定的过程中被误判为流星事件或消耗大量分析处理时间,因此有必要去除干扰;进一步地,干扰的主要特征:在RTI图中,干扰表现为在所有的距离门上都有很强的信号或强信号持续时间很长。
步骤S120,去干扰具体为:对RTI图中的图像进行灰度处理,进行边缘识别和检测,识别出的横向、纵向或者斜向线条作为干扰信号以进行去除,仅保留非干扰信号留作后续处理。通常的去干扰方法为对同一距离门所有时段或者同一时间所有距离门上的信号强度开展循环判断并进行迭代处理,耗时较长,甚至观测参数无法实时给出,通过本发明提出的采用图像识别的方式,将RTI图上所有时间和距离门作为一个图像上的像素点进行整体处理,提高了干扰去除的速度,有利于实时解算观测参数。
进一步地,流星雷达第
Figure 785061DEST_PATH_IMAGE002
个通道、第
Figure 757697DEST_PATH_IMAGE003
个采样点的原始观测回波复信号为
Figure 590523DEST_PATH_IMAGE004
Figure 951098DEST_PATH_IMAGE005
(1);
其中,
Figure 495474DEST_PATH_IMAGE006
为虚数单位,
Figure 396434DEST_PATH_IMAGE007
Figure 287029DEST_PATH_IMAGE008
分别为第
Figure 756188DEST_PATH_IMAGE054
个通道信号的幅度和相位,
Figure 896182DEST_PATH_IMAGE010
为多普勒频 移,
Figure 538516DEST_PATH_IMAGE011
为采样周期。
步骤S200,基于第一信号,即基于去除干扰后的信号,利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号本身确定流星雷达各天线的相位偏差值;通过相位偏差的校正,获得准确的各通道的回波复信号,作为第二信号;对第二信号进行相位调整并合成,获得可综合描述流星回波的回波复信号,作为第三信号。
“相位偏差校正”具体为:确立两条基线上偏差的关系式
Figure 470569DEST_PATH_IMAGE012
;减少未知参数的个数,降低遍历维度,建立判定准则高效估计各天线相位偏差量并进行校 正。其中,
Figure 969683DEST_PATH_IMAGE013
Figure 223072DEST_PATH_IMAGE014
为同一基线上两个外部天线
Figure 357513DEST_PATH_IMAGE015
的相位偏差;
Figure 691542DEST_PATH_IMAGE016
为由外部天 线
Figure 95979DEST_PATH_IMAGE017
估算的相位差与天线
Figure 69620DEST_PATH_IMAGE018
观测的相位差的差值;
Figure 381652DEST_PATH_IMAGE019
为外部天线
Figure 101347DEST_PATH_IMAGE017
与中心天线
Figure 817630DEST_PATH_IMAGE020
的距离;
Figure 419513DEST_PATH_IMAGE021
为外部天线
Figure 207340DEST_PATH_IMAGE018
与中心天线
Figure 195588DEST_PATH_IMAGE020
的距离。
全天空流星雷达采用多个接收天线,利用空间干涉法确定探测目标的位置(方位和距离)。接收天线阵的相位偏差会导致解算得到的探测目标的方位中包含误差,会直接影响目标的定位和后续参数的反演,从而严重影响雷达的定位精度和探测能力。因此流星雷达系统的相位偏差估计和校正技术对于提高流星雷达的观测和数据处理精确度和可靠性至关重要。
全天空流星雷达的相位偏差一般可分为两个部分,一部分为较为固定的部分,由雷达的软硬件系统改变、天线耦合等产生。这部分相位偏差,一般会在全天空流星雷达建设之初,以天线补偿方式确定。常用的方法是在接收天线的馈线处注入测试信号,并在系统数据采集端入口处测量、记录不同天线的相位延迟值,供在随后的分析处理中消去。在日常的观测中,由于雷达天线系统、环境或人为因素(天线老化、逐日温差等)的影响会导致相位偏差,这部分相位偏差为变化部分,在流星雷达的数据处理中同样不可忽略,对该部分的偏差量进行日常校正非常必要。本发明中描述的相位校正方法即为这一变化部分偏差量的校正。
全天空流星雷达系统的相位校正主要有两类方法,一类是利用雷达外的信号源(飞行器、自然天体、E层不均匀体以及人工信号源)的已知空间方位作为参考来获取雷达系统的相位偏差量,这类方法依赖于外源,较为复杂存在较大的局限性,且不可持续进行。第二类方法是利用干涉式雷达系统接收的回波信号本身进行校正,这种方法较为简单高效,且可以简便的融入雷达系统的分析处理软件系统中常规运行。第二类方法中,通常通过遍历全部天线通道的偏差求取最优解的方式,并由于计算机的限制随机抽取流星事件来解算相位偏差。本发明利用同一基线上相位差、相位偏差的关系,减少遍历求解的维度并综合全部流星事件,提高了相位偏差校正的运算效率和准确性。具体原理和步骤如下。
流星雷达典型的接收天线阵一般由五个空间分置的接收天线
Figure 472986DEST_PATH_IMAGE020
Figure 765427DEST_PATH_IMAGE055
Figure 763470DEST_PATH_IMAGE056
Figure 520073DEST_PATH_IMAGE057
Figure 906055DEST_PATH_IMAGE058
组成,五个接收天线形成两条基线(基线
Figure 341585DEST_PATH_IMAGE059
和基线
Figure 533531DEST_PATH_IMAGE060
),两基线在中心天线
Figure 754428DEST_PATH_IMAGE020
处交叉 垂直成十字型排列(本发明针对的天线阵类型),外部天线
Figure 311312DEST_PATH_IMAGE055
Figure 375083DEST_PATH_IMAGE056
Figure 308403DEST_PATH_IMAGE057
Figure 134539DEST_PATH_IMAGE058
按某一方向 依次排列。
假设流星事件回波的波前先后到达同一基线上的各接收天线(如依次到达基线
Figure 924641DEST_PATH_IMAGE028
上的
Figure 413391DEST_PATH_IMAGE057
Figure 88086DEST_PATH_IMAGE020
Figure 345892DEST_PATH_IMAGE055
),回波到达各接收天线的时间延迟很小,很难区分,但外部天线与中心 天线间的相位差(相位延迟)不同,可由空间分置的天线阵区分。
Figure 306895DEST_PATH_IMAGE061
(
Figure 282941DEST_PATH_IMAGE062
);
其中,
Figure 745015DEST_PATH_IMAGE063
为Rx j
Figure 654065DEST_PATH_IMAGE020
的相位差(后简称Rx j 的相位差),
Figure 989232DEST_PATH_IMAGE064
是雷达波数,
Figure 124678DEST_PATH_IMAGE042
是 雷达波长,
Figure 203492DEST_PATH_IMAGE065
是波阵面到达天线
Figure 232628DEST_PATH_IMAGE066
的距离差,
Figure 158603DEST_PATH_IMAGE019
为外部天线
Figure 843662DEST_PATH_IMAGE066
与中心天线
Figure 522905DEST_PATH_IMAGE020
的距 离,
Figure 609810DEST_PATH_IMAGE067
是波阵面的入射角(若流星尾迹距流星雷达天线阵足够远,则可视各天线接收的回波 波前平行,入射角相同)。由(2)式可知同一基线上两外部天线(
Figure 224462DEST_PATH_IMAGE066
Figure 396817DEST_PATH_IMAGE068
)的相位差存在 如下关系。
Figure 614172DEST_PATH_IMAGE069
(1);
但观测所得外部天线
Figure 742534DEST_PATH_IMAGE066
的相位差
Figure 590404DEST_PATH_IMAGE070
,存在模糊度,也存在相位偏差
Figure 312372DEST_PATH_IMAGE013
Figure 943205DEST_PATH_IMAGE071
(1);
因此,由(2)式和(4)式可知,分别存在一组入射角
Figure 4702DEST_PATH_IMAGE072
满足;
Figure 820211DEST_PATH_IMAGE073
(1)
在理想情况下,针对同一流星尾迹,同一基线上的入射角应相同。用
Figure 967159DEST_PATH_IMAGE066
的相位差
Figure 417994DEST_PATH_IMAGE074
推算出的入射角
Figure 333997DEST_PATH_IMAGE075
表示
Figure 585987DEST_PATH_IMAGE068
的相位差如下。
Figure 954651DEST_PATH_IMAGE076
(1)
定义该相位差
Figure 927287DEST_PATH_IMAGE077
与观测相位差
Figure 25693DEST_PATH_IMAGE078
的差值为:
Figure 386267DEST_PATH_IMAGE079
;因此,由(2)-(4)式可得,相位偏差
Figure 429178DEST_PATH_IMAGE080
、差值
Figure 330138DEST_PATH_IMAGE016
与观 测到的外部天线相位差的关系;
Figure 220734DEST_PATH_IMAGE012
(1)
利用该关系可进行相位偏差校正,具体步骤如下。
步骤2.1::估算偏差
Figure 689892DEST_PATH_IMAGE081
在流星雷达的分析处理过程中,日常的相位校正频率为一天一次(假定在一天中 相位偏差变化不大)。对于观测当天的
Figure 33149DEST_PATH_IMAGE082
次流星事件,存在
Figure 737800DEST_PATH_IMAGE083
组相位差(每组4个,分别对应不 同的外部天线)。针对每组相位差,依据(5)式解算得到一组入射角,再依据(6)和(7)式可以 获取一组偏差
Figure 482902DEST_PATH_IMAGE081
。以此类推,N次流星事件,流星雷达的两个基线可以分别获取n组偏差
Figure 611045DEST_PATH_IMAGE081
Figure 503914DEST_PATH_IMAGE084
Figure 949939DEST_PATH_IMAGE085
);将偏差
Figure 487231DEST_PATH_IMAGE081
进行统计分布特征分析,挑选分布峰值附近的偏差值进行高斯拟合,拟合出 最大分布对应的
Figure 360509DEST_PATH_IMAGE081
,视为该基线上
Figure 740675DEST_PATH_IMAGE081
的最佳估计。
步骤2.2: 估算相位偏差
Figure 911762DEST_PATH_IMAGE086
1)划分网格,遍历假定外部天线
Figure 365877DEST_PATH_IMAGE055
的相位偏差值
Figure 472373DEST_PATH_IMAGE087
,利用(7)式和
Figure 277518DEST_PATH_IMAGE084
的估计值, 确定基线1上另一天线
Figure 737449DEST_PATH_IMAGE057
的相位偏差
Figure 373967DEST_PATH_IMAGE088
2)同样,针对基线2,划分网格遍历假定
Figure 589048DEST_PATH_IMAGE089
3)将上述遍历假定值(
Figure 569904DEST_PATH_IMAGE090
)代入原信号中进行相位修正,基于修 正后的信号进行流星事件的判定和观测参数的(入射角、高度等)解算。在解算过程中,如果 当前流星事件的入射角无法正确估计、高度无法正确解算或高度含有模糊度,则标记当前 回波事件为不合格的流星事件。
4)为了保证流星雷达的探测能力,使流星雷达观测的流星事件最多,认定使不合 格的流星事件(二维高斯拟合)最少的(
Figure 692581DEST_PATH_IMAGE091
)组合为当前遍历范围和分辨率下的相位 偏差最佳估计。
5)以当前最佳估计为中心,以2倍网格分辨率为窗口长度,在窗口内提高分辨率重 新遍历假定(
Figure 121288DEST_PATH_IMAGE091
),求解最佳估计值。如此逐步缩小窗口范围,并提高网格分辨率,递 进式遍历,直至相位偏差的估计可以达到目标的分辨率。
步骤S300,基于第三信号,结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则,获得终选流星事件。步骤S300具体包括:步骤S310,流星事件的预判,包括信号合成和流星事件的初步判定。
其中,信号合成具体为:确定外部天线和中心天线间的相位差,调整各天线相位差,将所有接收通道的信号进行合成:对回波信号进行分段筛选,在选取的时间窗口内,基于计算的不同天线(外部天线与中心天线)、不同时延条件的互相关函数,以此确定外部天线与中心天线间的相位差,调整外部天线信号的相位差,将调整后的信号进行合成。
流星事件的判定具体为:基于流星事件的典型回波特征,确立从回波信号中筛选事件的判据,判定流星事件并确立事件的特征信息。
其中,典型回波特征包括在预设时间内的上升速率(即突然的快速上升)、在预设时间内突出于噪声水平(即快速突出于噪声水平)、到达峰值后准指数下降、持续时间低于预设时间(即持续时间较短)。
判定的依据为:在划定的窗口内依据流星雷达的回波特点确定噪声水平,基于该噪声水平确立判定流星事件的阈值,若窗口内预处理后的回波信号的功率连续两个时刻高于阈值,则初步认定为流星事件回波,并标记为候选流星事件。
依据阈值,确定流星事件的特征时间;流星事件的特征时间包括开始时刻、峰值时刻和结束时刻,其中,开始时刻为信号功率高于阈值的第一个时刻,峰值时刻为功率最强时刻,结束时刻为信号功率高于阈值的最后一个时刻。
步骤S320,流星事件的核验;基于候选流星事件,排除其它回波信号(包含电离层偶发E层、闪电和飞行物回波等),筛选出符合条件的欠密流星事件。
具体落实到以下判据:1)事件回波采样完整:事件回波的开始和结束时刻均在采样间隔内;2)采样点足够:可以呈现和分析欠密流星尾迹的具体特征和探测参数;3)采样信号的信噪比高(包括回波事件前、后及事件期间);4)事件回波符合欠密流星尾迹的典型特征:上升时间短、衰减时间不小于上升时间的两倍、事件前后回波功率不大不存在可疑信号;5)事件回波可获取探测参数且合理:可解算流星尾迹的运动速度且在阈值内、解算的流星尾迹的高度不存在模糊度且在探测范围内、两个基线获取的参数一致、可拟合指数衰减部分;6)事件回波不存在震荡(震荡多由E区的其它反射回波如飞船、过密流星尾迹等引起)。
步骤S330,流星事件的终判;基于核验完的流星事件回波信号,确定基本的探测参数:在流星事件的特征时间内,重新调整各天线的相位差,合成不同通道的信号,重新判定流星事件,并确定流星事件的特征信息。
进一步地,参照附图5,图5是本发明判定的典型欠密流星事件的回波(幅度,上;相位,下)示例图,图中的竖线标记了流星事件的开始、峰值和结束时刻;从仿真结果看出本发明可以有效的判定流星事件并标记流星事件的特征信息。
步骤S400,基于终选流星事件,利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律,对候选流星事件进行精确定位,获取流星尾迹的位置信息,包括流星尾迹的方位和所处高度。
步骤S400具体包括步骤S410: 流星尾迹方位估计,流星尾迹的方位包括流星尾迹 的天顶角
Figure 710533DEST_PATH_IMAGE022
和流星尾迹的方位角
Figure 224691DEST_PATH_IMAGE023
;根据(2)式分别确定天线阵两个基线上事件回波的入射 角,结合流星尾迹相对于天线阵两个基线的几何位置,获取流星尾迹在地面投影的二维方 位(天顶角
Figure 416638DEST_PATH_IMAGE022
和方位角
Figure 965431DEST_PATH_IMAGE023
)信息。
当天线间的距离小于等于
Figure 443685DEST_PATH_IMAGE092
时,根据观测记录的相位差,(2)式能得到事件回 波入射角的唯一解;但由于天线耦合的影响,唯一解的偏差较大;当天线间的距离大于
Figure 507456DEST_PATH_IMAGE092
时,观测记录的相位差具有模糊度,(2)式解出的入射角也具有模糊度但较为精确。通 常情况下,天线间距越大,所求解的入射角越精确。因此,天线阵的设计既要考虑天线耦合 的影响,也要考虑模糊度的求解。
典型的流星雷达天线阵同一基线上外部天线与中心天线的距离为
Figure 440777DEST_PATH_IMAGE093
Figure 781760DEST_PATH_IMAGE094
,利用这种空间分置关系,组合获取不同天线间距
Figure 509544DEST_PATH_IMAGE095
的相位差获取对应的入射角。通常利用最大间距 下相位差
Figure 795032DEST_PATH_IMAGE096
和最小间距下相位差
Figure 951951DEST_PATH_IMAGE097
,分别获取精确但带有模糊度和唯一但带有偏差的入 射角,参考入射角的唯一解,确定精确解的模糊度。
为了避免
Figure 209757DEST_PATH_IMAGE092
天线间距下求解的入射角(唯一解但带有偏差)偏差过大导致作为 参考比对求解
Figure 436339DEST_PATH_IMAGE098
天线间距下时确定的模糊度有误,本发明通过预先比对最小间 距,即
Figure 412385DEST_PATH_IMAGE092
天线间距下的解与
Figure 359612DEST_PATH_IMAGE093
天线间距下的较为精确解,确定
Figure 737504DEST_PATH_IMAGE093
天线间距下的模 糊度,再以此作为参考值,确定最远间距
Figure 603829DEST_PATH_IMAGE098
间距下入射角的模糊度(最为精确),由 此确定该基线上的入射角,提高定位的精度。
步骤S420: 流星尾迹所在高度估计;流星尾迹所处高度
Figure 254122DEST_PATH_IMAGE099
;其中,
Figure 67357DEST_PATH_IMAGE031
为地球半径,
Figure 362072DEST_PATH_IMAGE032
为流星尾迹的 距离。
步骤S500,基于终选流星事件,利用回波信号的相位变化率、回波信号的衰减演化规律,确定流星尾迹的运动、演化参数;同时基于所述流星尾迹的位置信息反演背景大气参数,以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。
进一步地,步骤S500包括步骤S510: 流星尾迹的运动速度估计;利用流星事件合 成信号的相位变化率(
Figure 540244DEST_PATH_IMAGE100
,回波复信号时间延迟为
Figure 225303DEST_PATH_IMAGE101
的自相关函数相位为
Figure 904546DEST_PATH_IMAGE102
), 确定流星尾迹跟随背景大气运动产生的多普勒频移
Figure 991451DEST_PATH_IMAGE010
,进而根据多普勒公式确定流星尾迹 的运动速度
Figure 91256DEST_PATH_IMAGE103
,其中,
Figure 325929DEST_PATH_IMAGE104
为光速,f M为雷达的频率。
步骤S520: 背景大气三维风场的反演;基于获取的流星尾迹的位置(方位、高度) 和运动速度,划定时间-高度窗口,在窗口内依据速度矢量的空间几何关系,采取最小二乘 拟合的方式
Figure 480966DEST_PATH_IMAGE105
反演背景大气的三维风场
Figure 625640DEST_PATH_IMAGE106
,其中,
Figure 473510DEST_PATH_IMAGE107
为纬向 风,
Figure 929899DEST_PATH_IMAGE108
为经向风,
Figure 75579DEST_PATH_IMAGE109
为垂直风场,
Figure 871496DEST_PATH_IMAGE110
为入射角的方向余弦(
Figure 952585DEST_PATH_IMAGE111
)。
在流星雷达的观测高度(70-110 km)内,现有技术显示:在80km以下和100以上,流星事件的数目较少,因此无法反演背景大气参数,或获取的背景大气参数不准确。另外,现有的技术中,背景大气反演的分辨率较低,时间分辨率为1小时,高度分辨率为2 km。本发明中,基于准确的相位偏差校正和优选的流星事件判定准则,终选的有效流星数目较多,足以支撑划定更为精细的时间-高度窗口(如0.5 小时、0.25小时,1 km)和在更宽的高度范围内反演背景大气风场,打破现有局限,提高大气风场的分辨率和扩大覆盖高度。另外,基于更为有效的相位校正和流星尾迹定位方法,获取了更为精确的运动速度和方位,提高了背景大气参数的解算精度。
进一步地,参照附图6,图6是本发明获取的背景大气水平风场;从仿真结果看出本发明可以提高背景大气风场的分辨率和扩大覆盖高度。
步骤S530: 流星尾迹的双级扩散系数D和衰减时间
Figure 99532DEST_PATH_IMAGE034
估计;利用欠密流星尾迹 的双极扩散特性,结合回波衰减规律,拟合回波的衰减曲线,获取流星尾迹的衰减时间和双 极扩散系数。
流星尾迹是高而密的等离子体柱,自形成后在背景大气中主要由于双极扩散的影响,流星尾迹会迅速扩散,扩散方程可以如下表示。
Figure 534056DEST_PATH_IMAGE112
(
Figure 512376DEST_PATH_IMAGE062
)
其中,
Figure 436470DEST_PATH_IMAGE082
为流星尾迹的电子数,
Figure 773778DEST_PATH_IMAGE113
为电子距离流星尾迹中心轴的距离,
Figure 74309DEST_PATH_IMAGE040
为时间,
Figure 172715DEST_PATH_IMAGE114
为扩散系数,对于欠密流星尾迹,将上式进行付立叶变换有;
Figure 267710DEST_PATH_IMAGE115
(
Figure 61354DEST_PATH_IMAGE062
)
其中,
Figure 227893DEST_PATH_IMAGE116
为流星事件回波的幅度;
公式(9)有解,
Figure 852909DEST_PATH_IMAGE035
(
Figure 305756DEST_PATH_IMAGE062
);
其中,
Figure 711330DEST_PATH_IMAGE039
表示流星事件的初始回波幅度。因此,双极扩散会引起回波幅度的指数 衰减。定义回波幅度从峰值衰减至峰值的
Figure 619243DEST_PATH_IMAGE117
倍的时间为流星尾迹的衰减时间
Figure 302028DEST_PATH_IMAGE118
。结合流星事件回波的典型特点,根据步骤S300确定的流星事件的峰值时刻 和结束时刻,选定回波的下降沿:峰值时刻后15ms至结束时刻,通过指数拟合下降沿回波幅 度
Figure 4405DEST_PATH_IMAGE038
随时间
Figure 897274DEST_PATH_IMAGE119
的指数变化系数,可以得到双极扩散系数
Figure 766135DEST_PATH_IMAGE114
和衰减时间
Figure 365744DEST_PATH_IMAGE034
步骤S540: 背景大气温度和密度的反演;利用流星尾迹的扩散规律,建立背景大气的温度和密度与扩散系数的关系式,获取背景大气的温度和密度。
中性气体中离子的扩散系数
Figure 301339DEST_PATH_IMAGE120
(Einstein关系式)可以如下表示;
Figure 619188DEST_PATH_IMAGE121
(
Figure 541008DEST_PATH_IMAGE122
)
其中,
Figure 57440DEST_PATH_IMAGE051
=1.38×10-13kgm2s-2K-1,为Boltzmann常数,
Figure 101619DEST_PATH_IMAGE123
为离子温度,
Figure 93715DEST_PATH_IMAGE124
为离子迁移 率,温度为
Figure 881542DEST_PATH_IMAGE043
、压强为
Figure 252480DEST_PATH_IMAGE046
、密度为
Figure 405244DEST_PATH_IMAGE044
的中性气体中
Figure 432106DEST_PATH_IMAGE125
Figure 85941DEST_PATH_IMAGE048
为标准大气(压强为
Figure 934555DEST_PATH_IMAGE126
,温 度为
Figure 320537DEST_PATH_IMAGE050
)中的离子迁移率。
Figure 897012DEST_PATH_IMAGE047
为单位电荷电量。
而双极扩散系数
Figure 964325DEST_PATH_IMAGE127
Figure 247539DEST_PATH_IMAGE128
为电子温度。在流星尾迹形成后,假设尾迹 内的电子、离子很快达到热平衡,则
Figure 132318DEST_PATH_IMAGE129
。所以,欠密流星尾迹形成后的双极扩散过 程受背景大气的温度
Figure 133772DEST_PATH_IMAGE043
、密度
Figure 254044DEST_PATH_IMAGE044
、压强
Figure 391764DEST_PATH_IMAGE046
和流星尾迹本身的离子迁移率
Figure 181866DEST_PATH_IMAGE048
影响;
Figure 608299DEST_PATH_IMAGE130
(
Figure 79732DEST_PATH_IMAGE122
)
Figure 134275DEST_PATH_IMAGE052
为气体常数,根据(12)式,得到
Figure 986956DEST_PATH_IMAGE045
通过模式或其他辅助观测给定压强
Figure 697423DEST_PATH_IMAGE131
或温度
Figure 34863DEST_PATH_IMAGE132
,可以根据流星雷达探测的双极扩 散系数来反演求得中间层的温度
Figure 412755DEST_PATH_IMAGE043
和密度
Figure 154446DEST_PATH_IMAGE044
通常通过模式给定的压强时间分辨率(通常时间分辨率为一个月)和精确性有限,通过卫星观测给定的温度梯度和双极扩散系数获取的中间层顶的温度且是相对温度,需要通过校正给出绝对温度,精确性有待提高。本发明中,通过卫星观测给定高时间分辨率压强,时间分辨率可提高为一天,并可直接获取绝对温度。
进一步地,参照附图7,图7是本发明获取的背景大气温度(黑实线);为了对比,黑色虚线给出了卫星观测的结果,灰色线、点给出了由温度梯度获取的相对温度。从仿真结果看出本发明获取的大气温度的时间分辨率可达一天。
参照附图4,图4是本发明中的基于全天空流星雷达信号的分析处理系统的一种具体实施例的框架示意图;本发明的第二方面提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理系统,该系统包括接收和预处理模块100、相位偏差校正模块200、流星事件判定模块300、流星尾迹精确定位模块400、观测参数反演模块500、输出显示模块600。
其中,所述接收和预处理模块,配置为将各天线阵的接收信号相干积累处理为IQ数字信号,并对各通道的IQ数字信号进行预处理,去除干扰;由于全天空流星雷达主要是由空间分置的发射天线和接收天线阵组成,发射天线不间断的宽波束向各个方向发射信号,每个接收天线都具有独立、完整的接收功能。典型的接收天线阵由空间分置的五个接收天线组成,因此,每个接收模块将各天线(通道)的接收信号相干积累处理为IQ数字信号,并对各通道的IQ数字信号进行预处理,去除干扰。
所述相位偏差校正模块,配置为获取各天线的相位偏差,基于雷达系统的分析处理系统进行日常校正,以保证全天空流星雷达的定位的精准运行。在实际检测中,接收天线阵的相位偏差会导致解算得到的探测目标的方位中包含偏差,会影响目标的定位和后续参数的反演,会严重影响雷达的定位精度和探测能力,基于流星雷达自身回波和各通道针对同一流星事件的相位关系,可简单高效的确定各天线的相位偏差,并将该偏差值融入雷达系统的分析处理软件系统中进行日常校正,保证全天空流星雷达的定位的精准运行。
所述流星事件判定模块,配置为基于各通道的IQ数字信号,结合不同接收天线的信息,合成不同天线的信号;基于流星事件的典型回波特征,确立从噪声中筛选事件的判据,判定候选流星事件并确立事件的特征信息,初步确定候选流星事件和其特征参数。基于候选流星事件,排除其它回波信号,筛选欠密流星事件,其中,其它回波信号包括电离层偶发E层、闪电和飞行物回波等。
所述流星尾迹精确定位模块,配置为基于校正后的相位差信息,基于接收天线间的空间几何关系,获取流星尾迹的位置信息;进一步地,基于校正后的相位差信息,综合利用接收天线间的空间几何关系,解算模糊度,获取流星回波到达每个天线的真实相位和相位差;在此基础上,建立相位传播速度和距离的关系式(涵盖了天顶角、方位角与相位的关系),以此确定流星尾迹相对于天线阵的天顶角和方位角;根据回波到达时间可计算出目标的距离;综合距离、天顶角和方位角确定流星尾迹的位置。
所述观测参数反演模块,配置为利用回波信号的相位变化率,确定流星尾迹跟随背景大气运动产生的多普勒频移,进而确定流星尾迹的运动速度;基于获取的流星尾迹的位置和运动速度,划定时间和高度窗口,依据速度矢量的空间几何关系,反演背景大气的三维风场(纬向风、经向风和垂直风场)信息;基于回波信号的衰减演化规律,确定流星尾迹的双极扩散系数,建立扩散系数和背景大气的温度和密度的关系式,获取背景大气的温度和密度。
所述输出显示模块,配置为进行各个模块的集成和产品展示与输出,将流星事件的信号、流星事件的观测参数、背景大气参量反演结果保存到数据文件中,并画图演示。
本发明第三实施例的一种电子设备,包括:至少一个处理器;以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器;其中,所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令,所述指令用于被所述处理器执行以实现上面所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机指令,所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上面所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
下面参考图8,其示出了用于实现本申请方法、系统、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图8示出的服务器仅仅是一个示例,不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图8所示,计算机系统包括中央处理单元(CPU,Central Processing Unit)601,其可以根据存储在只读存储器(ROM,Read Only Memory)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM,Random Access Memory)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 603中,还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O,Input/Output)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605:包括键盘、鼠标等的输入部分606;包括诸如阴极射线管(CRT,Cathode Ray Tube)、液晶显示器(LCD,Liquid Crystal Display)等以及扬声器等的输出部分607;包括硬盘等的存储部分608;以及包括诸如LAN(局域网,Local AreaNetwork)卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分609。通讯部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611,诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等,根据需要安装在驱动器610上,以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。
特别地,根据本公开的实施例,上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如,本公开的实施例包括一种计算机程序产品,其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序,该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中,该计算机程序可以通过通讯部分609从网络上被下载和安装,和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)601执行时,执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是,本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件,或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中,计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号,其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式,包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质,该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输,包括但不限于:无线、电线、光缆、RF等等,或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码,上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++,还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机,或者,可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图,图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象,而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外,还需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言,可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其它要素,或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案,但是,本领域技术人员容易理解的是,本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换,这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤S100,采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号,获取各通道的回波特征信息,形成RTI图,通过预处理方法去除干扰,获得第一信号;
步骤S200,基于所述第一信号,利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号确定流星雷达各天线的相位偏差值;
校正相位偏差,获得准确的各通道的回波复信号,作为第二信号;对所述第二信号进行相位调整并合成,获得可综合描述流星回波的回波复信号,作为第三信号;
步骤S300,基于所述第三信号,结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则,获得终选流星事件;
步骤S400,基于所述终选流星事件,利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律,对候选流星事件进行精确定位,获取流星尾迹的位置信息;
步骤S500,基于所述终选流星事件,利用回波信号的相位变化率、衰减演化规律,确定流星尾迹的运动参数和流星尾迹的演化参数;
同时基于所述流星尾迹的位置信息和运动、演化参数反演背景大气参数,以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。
2.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,步骤S100具体包括以下步骤:
步骤S110,回波信号的获取以及信号的特征确定,具体为:基于雷达接收天线接收的回波信号,获取数字化后的原始信号,生成原始观测回波复信号,基于所述原始观测回波复信号提取回波信息的特征信息;所述原始信号包含同相分量和正交分量;所述特征信息包含功率、幅度、相位和RTI图;
步骤S120,去除干扰具体为:对RTI图中的图像进行灰度处理,进行边缘识别和检测,识别出的横向、纵向或者斜向线条作为干扰信号以进行去除。
3.根据权利要求2所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,流星 雷达第
Figure 617321DEST_PATH_IMAGE001
个通道、第
Figure 534462DEST_PATH_IMAGE002
个采样点的原始观测回波复信号为
Figure 579778DEST_PATH_IMAGE003
Figure 974987DEST_PATH_IMAGE004
其中,
Figure 179573DEST_PATH_IMAGE005
为虚数单位,
Figure 267614DEST_PATH_IMAGE006
Figure 534648DEST_PATH_IMAGE007
分别为第
Figure 999127DEST_PATH_IMAGE008
个通道信号的幅度和相位,
Figure 668006DEST_PATH_IMAGE009
为多普勒频移,
Figure 926949DEST_PATH_IMAGE010
为采样周期。
4.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,所述 校正相位偏差具体为:确立两条基线上偏差的关系式
Figure 681278DEST_PATH_IMAGE011
;减少未知 参数的个数,降低遍历维度,建立判定准则高效估计各天线相位偏差量并进行校正;其中,
Figure 559235DEST_PATH_IMAGE012
Figure 348200DEST_PATH_IMAGE013
为同一基线上两个外部天线
Figure 778044DEST_PATH_IMAGE014
的相位偏差;
Figure 285249DEST_PATH_IMAGE015
为由外部天线
Figure 560372DEST_PATH_IMAGE016
估 算的相位差与天线
Figure 469423DEST_PATH_IMAGE017
观测的相位差的差值;
Figure 804589DEST_PATH_IMAGE018
为外部天线
Figure 923724DEST_PATH_IMAGE016
与中心天线
Figure 2538DEST_PATH_IMAGE019
的距 离;
Figure 766095DEST_PATH_IMAGE020
为外部天线
Figure 537742DEST_PATH_IMAGE017
与中心天线
Figure 753959DEST_PATH_IMAGE019
的距离。
5.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,步骤S300具体包括:
步骤S310,流星事件的预判,包括信号合成和流星事件的判定;其中,所述信号合成具体为:对回波信号进行分段筛选,在选取的时间窗口内,基于计算的不同天线、不同时延条件的互相关函数,确定外部天线与中心天线间的相位差,调整外部天线信号的相位差,再将调整后的各天线信号进行合成;
所述流星事件的判定具体为:基于流星事件的典型回波特征,确立从回波信号中筛选事件的判据,判定流星事件并确立事件的特征信息;
所述典型回波特征包括在预设时间内的上升速率、在预设时间内突出于噪声水平、到达峰值后准指数下降、持续时间低于预设时间;
判定的依据为:在划定的窗口内依据流星雷达的回波特点确定噪声水平,基于该噪声水平确立判定流星事件的阈值,若窗口内预处理后的回波信号的功率连续两个时刻高于阈值,则初步认定为流星事件回波,并标记为候选流星事件;
步骤S320,流星事件的核验;基于所述候选流星事件,排除其它回波信号,筛选出符合条件的欠密流星事件;所述其它回波信号包含电离层偶发E层、闪电和飞行物回波;
步骤S330,流星事件的终判;基于核验完的流星事件回波信号,确定基本的探测参数:在流星事件的特征时间内,重新调整各天线的相位差,合成不同通道的信号,重新判定流星事件,并确定流星事件的特征信息;所述流星事件的特征时间包括开始时刻、峰值时刻和结束时刻,所述开始时刻为信号功率高于阈值的第一个时刻,所述峰值时刻为功率最强时刻,所述结束时刻为信号功率高于阈值的最后一个时刻。
6.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,步骤S400中的流星尾迹的位置信息包括流星尾迹的方位和流星尾迹所处高度;
所述流星尾迹的方位包括流星尾迹的天顶角
Figure 902044DEST_PATH_IMAGE021
和流星尾迹的方位角
Figure 254528DEST_PATH_IMAGE022
Figure 338021DEST_PATH_IMAGE023
Figure 775956DEST_PATH_IMAGE024
其中,
Figure 462152DEST_PATH_IMAGE025
Figure 934722DEST_PATH_IMAGE026
分别为回波在基线
Figure 313751DEST_PATH_IMAGE027
、基线
Figure 238981DEST_PATH_IMAGE028
上的入射角;
流星尾迹所处高度为
Figure 728868DEST_PATH_IMAGE029
Figure 180578DEST_PATH_IMAGE030
Figure 464929DEST_PATH_IMAGE031
其中,
Figure 143035DEST_PATH_IMAGE031
为地球半径,R为流星尾迹的距离。
7.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法,其特征在于,步骤 S500中的流星尾迹的演化参数包括双级扩散系数
Figure 171034DEST_PATH_IMAGE032
和衰减时间
Figure 618196DEST_PATH_IMAGE033
Figure 807869DEST_PATH_IMAGE034
Figure 973271DEST_PATH_IMAGE035
Figure 539382DEST_PATH_IMAGE036
其中,
Figure 981995DEST_PATH_IMAGE037
为流星事件回波的幅度,
Figure 342569DEST_PATH_IMAGE038
表示流星事件的初始回波幅度,
Figure 995268DEST_PATH_IMAGE039
为流星尾迹形成 的时间,
Figure 365069DEST_PATH_IMAGE002
为雷达波数,
Figure 521244DEST_PATH_IMAGE040
是雷达波长;
所述背景大气参数包括风场、温度
Figure 583878DEST_PATH_IMAGE041
和密度
Figure 192714DEST_PATH_IMAGE042
Figure 756419DEST_PATH_IMAGE043
其中,
Figure 767101DEST_PATH_IMAGE044
为压强,
Figure 636DEST_PATH_IMAGE045
为单位电荷电量,
Figure 96768DEST_PATH_IMAGE046
为标准大气中的离子迁移率,
Figure 73951DEST_PATH_IMAGE047
为标准大气的 气压,
Figure 939139DEST_PATH_IMAGE048
为标准大气中的温度,
Figure 343575DEST_PATH_IMAGE049
为玻尔兹曼常数,
Figure 927003DEST_PATH_IMAGE050
为气体常数;温度
Figure 317665DEST_PATH_IMAGE041
即为流星雷达观 测的流星尾迹所在地的大气温度。
8.一种基于全天空流星雷达信号的分析处理系统,其特征在于,该系统包括:接收和预处理模块、相位偏差校正模块、流星事件判定模块、流星尾迹精确定位模块、观测参数反演模块、输出显示模块;
所述接收和预处理模块,配置为将各天线阵的接收信号相干积累处理为IQ数字信号,并对各通道的IQ数字信号进行预处理,去除干扰;
所述相位偏差校正模块,配置为获取各天线阵的相位偏差,基于雷达系统的分析处理系统进行日常校正,以保证全天空流星雷达的定位的精准运行;
所述流星事件判定模块,配置为基于各通道的IQ数字信号,结合不同接收天线的信息,合成不同天线的信号;基于流星事件的典型回波特征,确立从噪声中筛选事件的判据,判定候选流星事件并确立事件的特征信息,初步确定候选流星事件和其特征参数;基于候选流星事件,排除其它回波信号,筛选欠密流星事件;
所述流星尾迹精确定位模块,配置为基于校正后的相位差信息,基于接收天线间的空间几何关系,获取流星尾迹的位置信息;
所述观测参数反演模块,配置为利用回波信号的相位变化率,确定流星尾迹的运动速度;基于获取的流星尾迹的位置和运动速度,反演背景大气的三维风场信息;基于回波信号的衰减演化规律,确定流星尾迹的双极扩散系数,进而获取背景大气的温度和密度;
所述输出显示模块,配置为进行各个模块的集成和产品展示与输出,将流星事件的信号、流星事件的观测参数、背景大气参量反演结果保存到数据文件中。
9.一种电子设备,其特征在于,包括:至少一个处理器;以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器;其中,所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令,所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-7中任一项所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机指令,所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-7中任一项所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法。
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