CN113376631B - 一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法，该方法包括利用垂测仪采用小频率步进的形式向垂直方向Es层发射短波信号进行扫频探测，其中，频率步进通过精确设计确保不产生成像模糊，然后利用经同一片Es层区域反射的相近频率短波信号间的相干性，采用谱估计方法进行逐频率地超分辨率距离成像，实现Es层超分辨率观测并自然完成频率维平滑。相对于现有技术，该方法仅采用常规的垂测仪系统，不需额外设备与硬件成本便可大幅提高Es层观测的距离分辨率，即可获得超分辨率Es层扫频电离图也可以获得超分辨率定频观测结果，特别地，该方法仅利用垂测仪便可观测Es层垂直方向精细结构、演化过程与波动特性。

Description

一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法

技术领域

本发明属于电离层探测技术领域，尤其涉及一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法。

背景技术

电离层Es层是E层内的一种不均匀结构，其个体特征具有偶发性，形成和维持时间不易预测，可存在数十分钟至数小时之久，因此也常被称为“偶发E层”(sporadic-E) 。在形态结构上，Es层在垂直方向呈一种“薄层”形态，分布于90-130km高度，电子密度高于背景E层且存在较大梯度，可对F层形成遮蔽或半遮蔽，厚度虽通常仅为0.2-5km，但内部也可能存在着分层现象；而在水平方向上，其结构也较为多样，可以呈“板块”状或 “絮片”状形式，有时“平滑”，但通常“粗糙”，水平尺度可达几十至几百千米。

正是由于Es在时间上具有突发性、结构上具有多样性、空间尺度上具有不一致性、电子密度分布具有不均匀性、直接涉及到中层大气与电离层的耦合关系，长期以来一直被人们所重视，有关Es的研究，在电离层科学上具有重要意义。同时，由于Es层对电波反射能力较强、吸收较少，经Es层传播的信号稳定而强烈，因此对于通信、定位、雷达等技术应用系统也具有很高的工程价值。

电离层垂测仪作为一种常规观测手段，可以直接、持续不断的获取Es的各种宏观信息，在频高图上给出Es的出现和截止频率、发生高度、类型，以及遮蔽情况等，但受限于其仅为公里量级的观测距离分辨率，难以获取Es薄层内垂直方向上的精细结构、演化过程与波动特性。

此外，目前的技术中，虽曾有研究人员利用了多频相干技术于VHF雷达中对电离层或对流层湍流实现了高分辨率观测，但所得结果往往仅能反应目标对某一中心频率的响应特性，探测参数的设定尚无清晰的设计方案，也未提出利用垂测仪实现针对Es层的超分辨率扫频观测的相关方法，更未考虑针对扫频观测结果的频率维平滑方法问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在利用垂测仪进行电离层Es层垂直探测时，根据同一片Es层区域的相邻频率回波信号具备相干性的原理实现电离层Es层超分辨率垂直探测的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法，利用垂测仪，采用小频率步进的形式向垂直上方的Es层发射短波信号进行扫频探测，然后利用同一片Es层区域反射的相近频率短波信号间的相干性，采用谱估计方法逐频进行超分辨率距离成像，获取自然完成频率维平滑超分辨率的Es层扫频电离图与定频观测结果。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法中，采用电离层垂测仪实现Es层超分辨率垂直探测的步骤包括：

步骤S1，使用垂测仪进行一次常规电离层垂直探测获取垂测电离图，确定Es层可反射信号的频率范围。

步骤S2，根据垂测仪初始基本距离分辨率、步骤S1中所得到的Es层可反射信号的频率范围与观测所需的时间分辨率确定实现超分辨率探测的频率步进、扫频观测的频率范围与单频点的重复探测次数。

步骤S3，配置垂测仪按步骤S2所确定的实现超分辨率探测的频率步进、扫频观测的频率范围与单频点重复探测次数再次对Es层进行一组扫频观测，得到回波信号数据。

步骤S4，利用同一片Es层反射的相近频率短波信号间的相干性，从第一个探测频率开始，提取回波信号数据中该频率的对应部分及其后一定数量的频点数据，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离谱并以此作为该频率的Es层超分辨率成像结果。以频率扫描的方式逐频的进行空间谱成像，自然完成频率维平滑获取超分辨率Es层扫频电离图。

步骤S5，利用同一参数进行长时间观测，提取各张超分辨率Es层扫频电离图的特定频率数据，获得各时刻定频成像结果，再按时间排列获取Es层的超分辨率定频观测结果。

进一步的，其中同一参数为同一频率步进，或同一扫频范围，或同一单频重复次数。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法中，在步骤S2中，根据垂测仪初始基本距离分辨率、步骤S1中所得到的Es层可反射信号的频率范围、观测所需的时间分辨率确定实现超分辨率探测的频率步进、扫频观测的频率范围与单频点的重复探测次数的方法为：

以Es层作为观测目标，当采用一系列相近频率对同一目标进行探测时，忽略短时间内的目标特性变化，则其不同频率的回波信号S _p (t,r)可表示为式(1)：

式(1)

其中A _p 为回波幅度，s(·)为信号包络，t表示时间，c为光速，f _p 为探测信号频率，r为目标径向距离，j为复数单位，φ _p 为发射信号初始相位；对于频率间隔为△f的探测信号来说，其同一目标的回波相位差应满足条件如式(2)所示：

式(2)

仅与目标距离及频率间隔有关；并且，由于信号相位的无模糊范围为2π，而后续的处理是针对某一距离门的回波数据来进行的，因此需保证一个距离门内不会产生相位模糊，那么所选择的进行超分辨率Es层频率扫描探测的频率步进△f与垂测仪的初始距离分辨率r ₀应满足式(3)：

式(3)

其中c为光速，r ₀为垂测仪的初始基本距离分辨率；

频率步进可在此范围内按需要设置，但超分辨率探测的频率步进△f与扫频观测范围，单频点重复探测次数则需满足：

式(4)

其中，f _ss 与f _es 分别为对Es层进行超分辨率垂直探测的起始频率与截止频率，T ₀为垂测仪进行单频单次探测所需时间，n为单频点的重复探测次数，T为进行超分辨率Es层观测时需的时间分辨率；

f _ss 与f _es 则由步骤S1中探测得到的Es层可反射信号的频率范围确定。f _ss 与f _es 分别为Es层可反射信号的频率的上下限。

上述各参数在满足限制条件的情况下可依据设备性能进行自由配置。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法中，在步骤S4中，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离谱的方法为：

对于每一频率及其后相邻的k个频率f _p ～f _p+k 的Es层回波信号，组成信号矩阵如式(5)所示，其中f _p ≤f _es －k·△f；

式(5)

其中上标T表示矩阵转置，对于每一个探测距离门，取各频率相同距离门的回波数据，然后求得协方差矩阵R _x ，

式(6)

其中，上标H表示矩阵共轭转置, n为单频点的重复探测次数，S即为S(t,r)；

再依据所需分辨率构造m个距离维导向矢量，如式(7)所示：

式(7)

其中，r ₁ ～r _m 为第一个到第m个谱估计的细化距离门，而m= r ₀/ r _s为初始距离分辨率r ₀与目标距离分辨率r _s的倍数；

然后，利用Capon算法计算在初始距离分辨率下一个距离门内第q个距离维谱估计结果：

式(8)

从而在初始距离分辨率下的一个距离门内获得m个距离谱成像结果，将Es层观测的距离分辨率提升m倍，得到这一频率下的超分辨率成像结果。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，在步骤S4中，构建距离维导向矢量的各频率之间的间隔可使用等间距也可采用不等间距配置方法，但需保证不产生成像模糊。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法中，在步骤S4中，对于某一频率需按上述方法进行Es层超分辨率距离谱成像，并将成像结果按距离进行拼接以作为这一频率的全距离门成像结果。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法中，在步骤S4中，对于每个频率的最终成像结果，需减去背景噪声均值，然后对距离谱进行归一化。

在上述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法中，在步骤S4中，自然完成频率维平滑，从第一个频率开始，至至f _es －k·△f频率为止，按上述述方法获得全距离门成像，并将成像结果按频率顺序进行拼接，从而得到(f _es －f _ss )/△f+1个频率的超分辨率Es层扫频电离图。

本发明的有益效果：1、本发明以常规垂测仪作为电离层Es层的观测设备根据同一片Es层区域的相邻频率回波信号具备相干性的原理实现电离层Es层超分辨率垂直探测，可极大提高电离层Es层观测的距离分辨率，但同时不增加额外的硬件成本。

2、在满足限定条件的情况下，频率步进与单个频点探测次数可根据垂测仪设备性能与距离分辨率、时间分辨率需求配置，灵活性强。

3、由于成像结果基于多个频率多次回波信号的协方差矩阵进行距离谱估计得到，因此距离分辨率取决于距离谱估计的扫描分辨率，可以灵活设置并可实现远高于常规垂测仪的超分辨率成像。

4、按逐频扫描的方式进行超分辨率成像，可自然完成频率维平滑。

5、获得的超分辨Es层扫频电离图与定频观测结果利用对Es层垂直方向精细结构、演化过程与波动特性进行深入研究。

附图说明

图1为本发明一个实施例的方法原理示意图；

图2为本发明一个实施例超分辨率Es层垂直探测的步骤图；

图3为本发明一个实施例进行超分辨率距离谱估计的仿真示例图；

图4为本发明一个实施例Es层超分辨率成像所得的扫频电离图示例图；

图5为本发明一个实施例进行连续Es层超分辨率观测的电离图示例图；

图6 为本发明一个实施例连续时间段内Es层定频超分辨率观测的示例图。

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。

本实施例提供了一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法，利用常规的垂测仪设备，在不增加额外硬件成本的条件下可大幅提高电离层Es层垂直观测的距离分辨率，利于研究Es层垂直方向上的精细结构、演化过程与波动特性。

本实施例基本原理如图1所示，采用小频率步进的形式向垂直方向上的Es层发射短波信号进行扫频探测，然后利用经同一片Es层区域反射的相近频率短波信号间的相干性，采用谱估计方法进行逐频超分辨率距离成像，自然完成频率维平滑，从而实现针对Es层的高分辨率的垂直扫频观测。

如图2所示，本发明实施例包括了以下步骤：

步骤S1，首先使用垂测仪进行一次常规电离层垂直探测获取垂测电离图，根据Es层的起始频率与截止频率确定Es层可反射信号的频率范围，得到Es层可反射信号的频率的上下限f _ss 与f _es 。

步骤S2，根据垂测仪初始基本距离分辨率、步骤S1中所得到的Es层可反射信号的频率范围与观测所需的时间分辨率确定实现超分辨率探测的频率步进、扫频观测的频率范围与单频点的重复探测次数。

需要说明的是，此时以Es层作为观测目标，当采用一系列相近频率对同一目标进行探测时，忽略短时间内的目标特性变化，则其不同频率的回波信号S _p (t,r)可表示为式(1)：

式(1)

其中A _p 为回波幅度，s(·)为信号包络，t表示时间，c为光速，f _p 为探测信号频率，r为目标径向距离，j为复数单位，φ _p 为发射信号初始相位；对于全相参体制的电离层垂测仪系统来说，当工作频率相距较近时，各频率发射信号初始相位可认为相同，目标的径向距离相同，对于频率间隔为△f的探测信号来说，其同一目标的回波相位差应满足条件如式(2)所示：

式(2)

仅与目标距离及频率间隔有关。并且，由于信号相位的无模糊范围为2，而后续的处理是针对某一距离门的回波数据来进行的，因此需保证一个距离门内不会产生相位模糊，那么所选择的进行超分辨率Es层频率扫描探测的频率步进与垂测仪的初始距离分辨率应满足式(3)：

式(3)

在此范围内，频率步进可根据需要灵活配置，但由于Es层为时变目标，因此对其观测需保证一定的时间分辨率，那么超分辨率探测的频率步进△f与扫频观测范围，单频点重复探测次数则应满足式(4)的关系：

式(4)

其中，n为单频点的重复探测次数，T为进行超分辨率Es层观测时需的时间分辨率，T ₀为垂测仪进行单频单次探测所需时间，在满足式(4)关系的条件下，△f与n可进行灵活配置。

步骤S3，在步骤S2中对参数设置的基础上，对垂测仪按设置的扫频范围、扫频步进与单频点重复次数进行重新配置，再次对Es层进行一组扫频观测，获取回波信号数据。需要说明的是，一般情况下△f相较于原始的垂测仪频率步进要更小，即此次探测实际为进行更细化的扫频观测。

步骤S4，基于步骤S3所得到的小频率步进的扫描观测数据，利用同一片Es层反射的相近频率短波信号间的相干性，从第一个探测频率开始，提取回波信号数据中该频率的对应部分及其后一定数量的频点数据，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离谱并以此作为该频率的Es层超分辨率成像结果。进行逐频扫描的空间谱成像，获取超分辨率Es层扫频电离图。

需要说明的是，在进行谱估计过程中，对于每一频率及其后相邻的k个频率f _p ～ f _p+k 的Es层回波信号，组成信号矩阵如式(5)所示，其中f _p ≤f _es －k·△f；

式(5)

其中上标T表示矩阵转置。对于每一个探测距离门，取各频率相同距离门的回波数据，然后求得协方差矩阵R _x 如式(6)所示：

式(6)

其中，上标H表示矩阵共轭转置，S即为S(t,r)。再依据所需分辨率构造m个距离维导向矢量如式(7)所示：

式(7)

其中，r ₁ ～r _m 为第一个到第m个谱估计的细化距离门，而m= r ₀/ r _s为初始距离分辨率r ₀与目标距离分辨率r _s的倍数；

然后利用Capon算法计算在初始距离分辨率下一个距离门内第q个的距离维的谱估计结果如式(8)所示：

式(8)

从而在初始距离分辨率下的一个距离门内获得m个距离谱成像结果，将Es层观测的距离分辨率提升m倍，得到这一频率下的超分辨率成像结果。

需要说明的是，构建距离维导向矢量的各频率之间的间隔可使用等间距也可采用不等间距配置方法，但需保证不产生成像模糊。

并且，采用上述方法，在一次小步进探测之后需从第一个频率开始，至f _es －k·△f频率为止，按距离门进行距离谱成像，将每个距离门的成像进行细化，然后需将将成像结果按距离进行拼接作为这一频率的全距离门成像结果。

并且，采用上述方法，对于每个频率的最终成像结果，需减去背景噪声均值，然后对距离谱进行归一化。

并且，在一次小步进探测之后第一个频率开始，至f _es －k·△f频率为止，逐频递进，可自然完成频率维平滑，将全距里门的成像结果需按频率顺序进行拼接，从而可得到(f _es －f _ss )/△f+1个频率的超分辨率Es层扫频电离图。

步骤S5，使用相同的小步进扫描探测参数进行长时间观测（这里根据统计研究需要进行长时间观测，如以天、月、年为单位），提取各张超分辨率Es层扫频电离图中所需的特定频率数据，获得各时刻定频成像结果，再按时间排列从而获取Es层的超分辨率定频观测结果。

在本发明实施例中，如图3所示，仿真当Es层分层从而导致两目标分别位于100km与101km处的情况，垂测仪的初始分辨率为km，则如果选取步进为10kHz的11个相邻频率进行谱估计，取信噪比为20dB, 取km则可以看出距离谱明显地区分了两个目标，且在目标的3.84km范围内没有虚假谱峰，即不会产生模糊，符合理论预期。

在本发明实施例中，如图4所示，一个实际的观测实例是，对于一个弥散的Es层，其虚高范围分布在100-120km，初始的距离分辨率为3.84km，而当利用11个相邻频率作为一组使用本发明方法进行超分辨率距离成像，从而将距离分辨率提高至0.0384km的情况下，对距离谱进行归一化后则可以得到Es层更为清晰的成像细节，可以直观地看到Es层在不同频率下的回波高度的分布不一致，在3.3-3.6MH的范围内更存在着较为明显的分层结构，达到了预期效果。

在本发明实施例中，如图5所示，对于间隔15分钟连续6组观测结果，可以发现，Es层经历了从弥散到压缩为一个薄层，然后再次弥散的过程，在3.84km的分辨率下，这一过程的细节，特别是各频点成像的起伏变化与分布范围均难以精确描述，而在经高分辨率成像处理后，在0.0384km的距离分辨率下，则可以发现，Es层的压缩过程较快，但弥散得则相对较慢，并且在中间频段甚至存在着明显得高度变化，且其描迹的弥散从较高的频段开始，然后发展至较低频段，展现了Es层的演化细节，达到了预期效果。

在本发明实施例中，如图6所示，当观测点之间的间隔为15分钟，取连续87组观测数据提取2.7MHz的成像结果，提高距离分辨率至0.0384km后可更明显地观测到Es层的波动情况及周期性，相较于3.84km的距离分辨率也更可以观察到回波弥散范围的变化情况，达到了预期效果。

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。

Claims (8)

1.一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法，其特征在于：利用垂测仪，采用小频率步进的形式向垂直上方的Es层发射短波信号进行扫频探测，然后利用同一片Es层区域反射的相近频率短波信号间的相干性，采用谱估计方法逐频进行超分辨率距离成像，获取自然完成频率维平滑的超分辨率的Es层扫频电离图与定频观测结果；

实现Es层超分辨率垂直探测的具体过程如下；

步骤S1，使用垂测仪进行一次常规电离层垂直探测获取垂测电离图，确定Es层可反射信号的频率范围；

步骤S2，根据垂测仪初始基本距离分辨率、步骤S1中所得到的Es层可反射信号的频率范围与观测所需的时间分辨率确定实现超分辨率探测的频率步进、扫频观测的频率范围与单频点的重复探测次数；

步骤S3，配置垂测仪按步骤S2所确定的实现超分辨率探测的频率步进、扫频观测的频率范围与单频点重复探测次数再次对Es层进行一组扫频观测，获取回波信号数据；

步骤S4，利用同一片Es层反射的相近频率短波信号间的相干性，从第一个探测频率开始，提取回波信号数据中该频率的对应部分及其后一定数量的频点数据，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离谱并以此作为该频率的Es层超分辨率成像结果；以频率扫描的方式逐频的进行空间谱成像，自然完成频率维平滑并获取超分辨率Es层扫频电离图；

步骤S5，利用同一参数进行长时间观测，提取各张超分辨率Es层扫频电离图的特定频率数据，获得各时刻定频成像结果，再按时间排列得到Es层的超分辨率定频观测结果。

2.如权利要求1所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：步骤S5中的同一参数为同一频率步进，或同一扫频范围，或同一单频重复次数。

3.如权利要求1所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：步骤S2的具体实现方式如下；

以Es层作为观测目标，当采用一系列相近频率对同一目标进行探测时，忽略短时间内的目标特性变化，则其不同频率的回波信号S_p(t,r)可表示为式(1)：

其中A_p为回波幅度，s(·)为信号包络，t表示时间，c为光速，f_p为探测信号频率，r为目标径向距离，j为复数单位，

为发射信号初始相位；对于频率间隔为△f的探测信号来说，其同一目标的回波相位差应满足条件如式(2)所示：

仅与目标距离及频率间隔有关；并且，由于信号相位的无模糊范围为2π，而后续的处理是针对某一距离门的回波数据来进行的，因此需保证一个距离门内不会产生相位模糊，那么所选择的进行超分辨率Es层频率扫描探测的频率步进△f与垂测仪的初始距离分辨率r₀应满足式(3)：

其中c为光速，r₀为垂测仪的初始基本距离分辨率；

频率步进可在此范围内按需要设置，但超分辨率探测的频率步进△f与扫频观测范围，单频点重复探测次数则需满足：

其中，f_ss与f_es分别为对Es层进行超分辨率垂直探测的起始频率与截止频率，T₀为垂测仪进行单频单次探测所需时间，n为单频点的重复探测次数，T为进行超分辨率Es层观测时需的时间分辨率；

f_ss与f_es则由步骤S1中探测得到的Es层可反射信号的频率范围确定。

4.如权利要求3所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：在步骤S4中，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离谱的方法为；

对于每一频率及其后相邻的k个频率f_p～f_p+k的Es层回波信号，组成信号矩阵如式(5)所示，其中f_p≤f_es－k·△f；

S(t，r)＝[S_p(t，r)，S_p+1(t，r)，...，S_p+k(t，r)]^T 式(5)

其中上标T表示矩阵转置，对于每一个探测距离门，取各频率相同距离门的回波数据，然后求得协方差矩阵R_x，

R_x＝SS^H/n 式(6)

其中，上标H表示矩阵共轭转置，n为单频点的重复探测次数，S即为S(t,r)；

再依据所需分辨率构造m个距离维导向矢量，如式(7)所示：

其中，r₁～r_m为第一个到第m个谱估计的细化距离门，而m＝r₀/r_s为初始距离分辨率r₀与目标距离分辨率r_s的倍数；

然后，利用Capon算法计算在初始距离分辨率下一个距离门内第q个距离维谱估计结果：

从而在初始距离分辨率下的一个距离门内获得m个距离谱成像结果，将Es层观测的距离分辨率提升m倍，得到这一频率下的超分辨率成像结果。

5.如权利要求4所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：在步骤S4中，构建距离维导向矢量的各频率之间的间隔时，使用等间距或不等间距配置方法，但需保证不产生成像模糊。

6.如权利要求4所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：在步骤S4中，在一次小步进探测之后，从第一个频率开始，至f_es－k·△f频率为止，按距离门进行距离谱成像，将每个距离门的成像进行细化，然后需将成像结果按距离进行拼接作为这一频率的全距离门成像结果。

7.如权利要求1所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：在步骤S4中，对于每个频率的最终成像结果，需减去背景噪声均值，然后对距离谱进行归一化。

8.如权利要求4所述的电离层Es层超分辨率垂直探测方法，其特征在于：在步骤S4中，从第一个频率开始，至f_es－k·△f频率为止，逐频获得全距离门成像，自然完成频率维平滑，并将成像结果按频率顺序进行拼接，从而得到(f_es－f_ss)/△f+1个频率的超分辨率Es层扫频电离图。

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