CN113777603A - 海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁波技术领域，公开了一种海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，所述海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，包括总控制子系统、天线开关控制器、接收机开关控制器以及显示控制子系统；总控制子系统、天线开关控制器以及接收机开关控制器的工作状态由以太网和显控平台连接，并显示在显控平台中；各个子系统通过网线与系统控制子系统连接，完成网络连接，建立与控制。本发明通过设计海洋信息‑电离层一体化探测系统的接收系统控制方法以及信号处理方法，结合磁天线特有的特性，实现电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免了两者之间的相互干扰，能够实时获得电离层的距离、多普勒频率以及空间分布情况。

Description

海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统

技术领域

本发明属于电磁波技术领域，尤其涉及一种海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统。

背景技术

目前，雷达是一种基于空间电磁波传输原理来对目标进行定位、速度信息以及方位信息获取的强大工具。在二战期间，雷达就已经用来获取敌对目标信息。在HF频段，电磁波可以沿面绕射传播，因此工作在HF频段的雷达具备超视距探测的能力，这种雷达称为高频地波雷达(HFSWR)。对于HFSWR，探测目标的性能主要受到三大不利条件的约束：一是空间中其他电磁波的干扰与噪声，二是电离层回波，三是海杂波。通常雷达学者将电离层回波当作目标探测的干扰项，但是对于研究电离层运动的学者来说，包含着电离层信息的电离层回波是宝贵的数据，而当前获取电离层信息的手段很少，能够同时获取电离层与海上目标信息的设备更是缺乏。同时电离层的变化通常与海洋自然信息的变化相关，例如本世纪比较常见的海啸，其发生时会同时激发海洋和电离层特征变化，而且两者之间具有一定的联动关系，从而为台风预测，海啸预警等提供强有力的信息。我国从上世纪80年代开始研制新体制HFSWR，到今日已经取得了很多成就。但是，现有的HFSWR并不具有同步进行海面目标、海上高空目标信息获取与电离层信息获取的能力。因此需要综合不同探测设备的优点，充分利用雷达组网的优势，构建一种海上超视距目标、海洋及其上空电离层的一体化探测新体制HFSWR，把海洋和电离层作为一个相互关联的整体，同步获取海洋信息(海流、风场、浪场)和电离层(电离层多普勒频移、F2层临界频率f₀F2、电子浓度、电离层高度等)信息，构造时空域上更加完备的海洋-电离层信息获取系统。

电离层探测时，需要进行大带宽的频率扫描，来确定其临界频率。而探测海上目标时，需要在某一固定频率进行观测，积累。这会引发两个问题。其一，海上目标与电离层信息探测设备的工作频率不允许相同，还要求探测海上目标与电离层信息同时进行，因此两种探测设备进行组网时，必须有严格的工作时序对应关系。其二，为了获得电离层的空间分布，需要借助一组平面阵列天线来实现二维角度信息的获取，二维的波束形成及超分辨处理涉及到复杂计算量，如何优化信号处理也是一个难点。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)当前能够同时获取电离层与海上目标信息的设备是缺乏的。现有的HFSWR并不具有同步进行海面目标、海上高空目标信息获取与电离层信息获取的能力。

(2)二维的波束形成及超分辨处理涉及到的计算量复杂。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)解决同步工作问题，首先需要设计一套详细的控制方案，其次需要对原有的设备进行硬件上的改造，难度较大。

(2)波束形成及超分辨处理的算法计算量降低本质上是从数学的角度寻找优化算法。可以在现有的降维处理算法上改进，但现有的算法大多只针对均匀线阵，极少讨论二维平面阵列。改进上难度较大。

解决以上问题及缺陷的意义为：

(1)解决同步工作问题的意义为，同时获取电离层与海上信息。电离层变化与海态变化是密不可分的，以往的观测手段无法同时观测到二者的同时变化状态，因此并不能准确分析电离层与海洋信息之间的动力学关系。为二者之间的动力学分析提供观测平台与数据收集平台。并且利用此平台收集的数据，可以为电离层变化、海洋信息变化等预测模型的建立提供强大的支持。

(2)利用磁天线设备进行二维波束形成以及超分辨的作用在于，传统电离层观测手段(例如垂测仪等)无法获取电离层的空间信息，而此设备可以弥补这一不足。为了满足信号处理的实时性要求，需要对几分钟内积累的大量数据作快速运算处理。因此探究一种减少计算量却不损失计算精度的方法是很有必要的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统。

本发明是这样实现的，一种海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，所述海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，包括总控制子系统、天线开关控制器、接收机开关控制器以及显示控制子系统；其中，总控制子系统、天线开关控制器以及接收机开关控制器的工作状态由以太网和显控平台连接，并显示在显控平台中；各个子系统通过网线与系统控制子系统连接，完成网络连接，建立与控制。

总控制子系统，用于通过硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关；

天线开关控制器和接收机开关控制器，用于接收控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭；信号处理机在存储到一定量的数据后，按照信号处理原理进行信号处理，获得电离层信息；

显示控制子系统，即显控平台，通过以太网与各部件及子系统连接，用于负责总控制系统的控制界面可视化、设备状态监控、探测结果的存储与显示。

进一步，所述总控制子系统，用于实现海上目标探测信号的参数控制、电离层探测信号的参数控制以及时序控制子系统的时序参数控制；通过所述总控制子系统的控制程序实现电离层-海上目标探测同步控制，操作界面在显示控制子系统显示，并在此界面进行操作；此接收系统的时序控制设计原则为：与现有的HFSWR时序接收同步，保障雷达的工作任务优先。

所述总控制子系统以一台计算机主机为主体，海洋-电离层探测系统的控制方式在总控制子系统体现；通过编写程序以及用以太网和其他子系统建立网络通信的方式，完成对其他子系统的同步工作时序控制以及探测信号频率控制。

进一步，所述天线开关控制器和接收机开关控制器，用于通过接收总控制子系统控制信号，控制接收波门的打开与关闭；当雷达和垂测仪的发射机发射信号时，将此接收系统的天线和接收机关闭，当发射机的一个脉冲发射完毕时，天线与接收机的开关打开接收回波信号。

进一步，所述显示控制子系统是与用户交互的平台，使用通用计算机实现，用于显示各个子系统的工作状态监控信息状态、下达参数与控制信息、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果RD谱显示、频率优选结果，海洋-电离层动力学分析结果，同时负责回波信号的处理，系统的状态报告也在该子系统显示。

海洋信息探测设备基于雷达改造，包括海洋信息探测发射机、发射天线、接收天线、接收机、信号处理与数据处理机，发射机将P4码探测信号通过功率放大器，经过一组带通滤波器滤除杂波后，通过发射天线发送出去；接收天线接收到回波后，从到接收机进行数字采样，下变频后送到信号处理与数据处理机分析回波数据；

电离层探测设备，由垂测仪改装，所述垂测仪发射的电离层探测信号的是垂直指向天空的线性调频信号；

时序同步控制设备，以时序控制器为核心，以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别给天线以及接收机开关控制器提供同步工作时序以及触发信号。

进一步，时序同步控制器中，所述时序控制器在接收到上位机下发的时序参数后过FPGA产生各路时序信号，通过响应的GPIO接口连接到各子系统中；各个子系统接收到对应的模拟控制信号后，启动对应的工作模式；其中，所述时序参数包括触发信号、同步信号的脉宽以及发射机打开关闭时间长度。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法，所述海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法包括以下步骤：

步骤一，总控制子系统利用硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关，实现海上目标探测信号的参数控制、电离层探测信号的参数控制以及时序控制子系统的时序参数控制；通过时序同步控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别给天线与接收机的接受波门提供同步工作时序以及触发信号。此步骤的作用在于，为天线开关控制器、接收机开关控制器下发控制参数，使此接收系统与原有的雷达系统时序匹配，保证同步探测的进行。

步骤二，雷达发射机将P4码探测信号，垂测仪设备的发射机将线性调频探测信号，通过各自的功率放大器，经过各自的带通滤波器滤除杂波后，通过各自的发射天线发送；通过各自的天线开关控制器和各自的接收机开关控制器接收控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭；此步骤的作用在于，使天线开关控制器、接收机开关控制器接收到控制参数后按照功能进行工作，即开关状态的切换。

步骤三，回波接收部分由两套设备组成。一是垂测仪接收天线，二是采用一组16根磁天线构成的4×4均匀平面天线阵列。其中垂测仪的接收天线保持原有的接收垂测仪回波的工作方式，而磁天线平面阵列可以通过总控制下达命令可以切换工作模式。通过选择跟随雷达还是垂测仪的工作时序、工作频率、脉冲宽度等信息来选择接收雷达的电离层回波或垂测仪的回波，并对电离层进行空间位置的探测；此步骤的作用在于，明确了接收天线的具体设备类型，布阵形式与各自作用，让天线开关控制器有了明确的作用对象。

步骤四，接收天线接收到回波后，首先是接收机部分，对模拟信号进行进行数字采样，下变频等处理，将数据转化为信号处理机能识别的形式后，送到信号机分析回波数据。信号处理机在存储到一定量的数据后，按照信号处理原理进行信号处理，具体的处理方式在后文展开说明。此步骤的作用在于，对接收信号进行信号处理。尤其是借助了磁天线阵列设备的回波，能够在处理结果中获得电离层空间分布信息。

步骤五，通过显示控制子系统利用以太网与各部件及子系统连接，进行数据交互，实现回波信号的处理、总控制系统的控制界面可视化、设备状态监控以及探测结果的存储与显示；此步骤的作用在于，对下达控制参数、各个子模块工作状态反馈结果以及信号处理结果可视化，更方便的进行系统调控与回波信息的分析。

进一步，步骤一中，所述总控制子系统中，HFSWR雷达多用脉冲体制工作方式，设计两种探测信号的脉冲重复周期关系式为：

PRT_电离层＝N×PRT_海洋，N＞1；

其中，PRT_电离层为电离层探测脉冲重复周期，PRT_海洋为海洋信息探测脉冲重复周期，N为正整数。当各自的发射系统关闭时，接收系统开始工作；磁天线阵列的工作模式由系统下发指令控制，通过外触发方式决定对应的工作模式以及时序；电离层探测在进行扫频时，跳过与海洋探测信号临近的1～2个频点。

进一步，步骤二中，所述雷达设备中，设一个脉冲内的发送信号为s(t)，所述s(t)的表达式为：

其中，P表示一个脉冲内的P4码数目，T为一个码的宽度，即一个脉冲宽度为PT；rect(·)表示矩形函数，

f_c为信号载频，

为相位编码值，i＝0,1,…,P-1；设脉冲重复周期为T_s，探测波形表示为：

其中，n为脉冲数。回波信号表示为：

r(t)＝S(t-τ)exp(j(2πf_d(t+τ)))+n(t)；

其中，τ为时延，f_d为多普勒频移，n(t)为加性高斯白噪声。

回波数据的处理为：先进行脉冲压缩，后进行相参积累，得到目标信息的距离-多普勒谱。P4码的良好的自相关特性，脉冲压缩时，用发射信号作为参考信号，与回波信号做相关处理，得到距离信息。相关运算如下式：

其中，r_r(t)为距离谱；r_r(t)按照脉冲数分成n份，即：

r_r(t)＝[r_r1(t),r_r2(t),...,r_rn(t)]；

将这些拆分的距离谱重新排列，重排后为：

对多个信号周期的距离谱按列进行FFT处理，即可得到目标的多普勒信息。经过二维处理后得到的结果为距离-多普勒谱。

进一步，步骤二中，所述垂测仪发射的电离层探测信号的是垂直指向天空的线性调频信号，波形表达式为：

其中，f(n)＝f_c+nΔf,n＝1,2…N为载频频率，f_c为初始载频，Δf为步进频率间隔，n为第n个脉冲数；K＝B/T为调频斜率，B为信号带宽，T为信号周期；电离层回波信号表示为：

r(t)＝s(t+τ)+n(t)；

其中，τ为时延，n(t)为加性高斯白噪声。计算r(t)与s(t)的互相关得到：

通过搜索R(u)的极值即可获取电离层回波的时延τ_i，电离层虚高h＝cτ_i/2；分别对不同频率的回波信号进行处理，即可得到电离层回波谱图；

根据电离层回波谱图中的反射轨迹，得到每一层的最大电子浓度，对应该层的最大等离子体频率为：

进一步，步骤三中，对于16根磁天线作为阵元构成4×4的均匀天线平面阵列，磁天线的方向图在天顶方向上的归一化增益为1，能够接收到天顶方向电离层的回波，且面阵天线水平、俯仰方向上的二维波束形成，即可在距离信息的基础上，对电离层的位置进一步定位。

其中，阵元1为基准相位参考点处于原点位置，整个平面阵位于xoy平面上，工作模式分为两种，并且体现在步骤四中的信号处理部分。具体分为以下两种模式：

模式1，与海上目标探测同步。设置此接收系统的本振信号、接收频率、接收时序与海上目标探测的接收本振信号与频率相同、时序同步。磁天线与电天线方向图的不同使得在天顶方向或者其他高空方向的回波增益提高，更有效的接收电离层回波。信号处理获得距离-多普勒谱的方法与海上目标探测子系统的方法相同。

对回波数据取电离层回波点做2维的空间波束形成，假设来波方向为

其中，

为俯仰角，θ∈[0,2π]为信号的俯仰角；定义阵元的位置为c_n＝(x_n,y_n)，远场信号的单位矢量为

阵元n相对于坐标原点的相位差表示为：

其中，λ为电磁波波长；平面阵列的导向矢量推出：

对

方向来波做波束形成时，权矢量

^*表示取共轭；根据方向图相乘原理，则波束形成表达式为：

其中，

为单个磁天线阵元的方向图。

考虑到2维波束形成的空间复杂性，进行降维处理。磁天线的E面方向图是一个“8”字型形状。对于任意的一个俯仰角

在E面上的方向图水平角与水平角有关。磁天线的H面方向图是一个圆，对于任意的一个水平角θ'，其在H面上的方向增益是一个归一化幅度小于1的圆，与俯仰角无关。即俯仰角不影响水平角的波束形成结果，即可分别得到水平和俯仰方向上的两个波束形成结果，得到两组方位信息。计算步骤如下：

(1)参数计算与获取，包括磁天线阵元的空间位置，选取好基准天线作为坐标0点进行二维均匀平面阵列的布阵，获得阵元空间位置坐标，根据工作模式选取的波长、脉冲重复周期以及发射波束指向参数；

(2)对回波数据做脉冲压缩、相参积累的信号处理，得到RD谱；在RD谱中选取目标点，获得目标点数据；

(3)将回波数据复制多份，对于有方向性的天线，波束形成必须限制在某一空间范围内；偏离法线方向不超过±20°时即可保证其正确波束形成结果；根据发射波束指向，取权矢量角度为发射波束指向角度附近的几个角度值加权；

(4)做水平方向的波束形成，由俯仰角不影响水平角的波束形成结果，固定

暂取

磁天线的E面方向图并不是全向方向图，需考虑阵元的方向性函数；磁天线的归一化方向形函数为

带入波束形成公式，计算得到水平角的θ₀的波束形成结果；

(5)做俯仰方向波束形成令θ＝θ₀，θ₀＝θ₀，即相当于对权矢量乘以一个由θ₀导致的加权损失，

计算得到俯仰方向的波束形成结果。

按照波束形成的计算方法计算得到多个空间角度的波束形成结果，最后获得距离-速度-空间方位三维信息的谱数据，从而完成对电离层空间位置的定位。

模式2，与垂测仪工作模式同步。此时设置此接收系统的本振信号、接收频率、接收时序与垂测仪的接收本振信号与频率相同、时序同步；垂测仪接收天线只能接收天顶单一方向的电离层回波，而垂测仪工作时，发射的信号会存在其他方向上的泄露。增加此接收天线阵列时，会将其他方向发射信号的回波接收，从而能接收到除天顶方向之外的电离层回波，扩展电离层探测空间范围，信号处理方式与模式1相同。此模式相对于垂测仪来说，除获得电离层高度即距离信息外，还能额外获得空间分布信息，多普勒信息。

两种工作模式在整个探测设备启动时由总控制系统下发参数控制切换工作模式。

对于4×4的平面阵列，采用二维MUSIC的方法获取电离层空间方位信息。当获取到比较多的脉冲压缩与相参积累数据后，每一组选取一个电离层回波对应的数据点来实现二维的超分辨。阵列的导向矢量与波束形成时导向矢量相同，表达式为：

电离层回波信号课看做为远场窄带信号。设空间中的电离层方位为

电离层回波为前面提到的r(t)。磁天线接收到的回波幅度受方向图调制。第n个阵元接收到的回波表达式为：

式中n(t)为0均值高斯白噪声。设在RD谱中共观测到有k个电离层回波，方位为

则整个平面阵的接收信号表达式为：

X(t)＝A(t)S(t)+N(t)；

式中：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_N(t)]^T

为N维接受数据向量；

为信号向量；

为接受数据的导向矢量。N(t)为高斯白噪声。构建完阵元天线为磁天线的接收信号模型后，按照二维MUSIC算法计算。步骤如下：

(1)计算接收信号的协方差矩阵R(t)＝E(X(t)X(t)^T)，E表示取期望；

(2)将R(t)进行特征值分解，特征值按照从大到小顺序排列，对应的特征向量也从大到小排列；选取前k个大特征值对应的特征向量张成的向量空间为信号子空间，记为，U_s其余特征向量为噪声子空间，记为U_n；

(3)由信号子空间和噪声子空间的正交性，

在U_n的投影应为0，此表达式应为一极小值，求解

的问题转化为以下数学问题：

(4)将步骤(3)中的公式取倒数，得到关于

的二维谱峰表达式：

对于超分辨算法，为了保证处理前的数据信噪比足够大，通常不选择降低快拍数来减少计算量。超分辨的减少计算量的一个思路是通过改进角度搜索步长来降低计算量。由于做超分辨处理之前，已经有了波束形成的结果，可以充分利用波束形成得到的先验信息。做法为：先对数据做波束形成，得到电离层的空间大致角度范围，利用此先验信息，即在此范围内作角度搜索而不是在整个角度空间内作角度搜索，计算量会大大降低。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，具体涉及一种新体制对海探测高频雷达接收系统，该系统可以同时完成对海目标探测与电离层信息获取的任务，本发明旨在研究此系统的接收系统控制及信号处理方法。

本发明依据现有高频地波雷达、磁天线阵列设备及电离层垂测仪探测与接收原理，利用雷达组网的优势与技术，设计一种新型的海洋-电离层信息一体化探测高频地波雷达系统，实现海洋-电离层信息同步获取，为电离层-海洋之间的动力学关系研究提供有力的数据支持。

本发明关键创新点也即技术效果在于通过设计一种海洋信息-电离层一体化探测系统的接收系统控制方法以及信号处理方法。结合磁天线特有的特性，实现了电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免了两者之间的相互干扰，能够实时获得电离层的距离、多普勒频率以及空间分布情况。

本发明将电离层垂测仪与高频地波雷达以及一组磁天线阵列相结合，实现电离层信息和海洋信息的同步获取本发明的优点有两点；其一是通过系统时序控制的方法将此接收系统与原有的雷达和垂测仪的工作同步且互不干扰，从时间的角度上上增加了实时获取电离层信息的能力；其二是针对磁天线的空间方向图与全向天线不同的这一特点，采用一种降维处理的2维波束形成方法，能够保证测量精度的前提下节省运算能力，并且增加超分辨处理的方法能够更精细的获取空间方位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统的子系统之间的时序关系。

图3是本发明实施例提供的发射信号频率变化示意图。

图4是本发明实施例提供的P4码波形自相关意图。

图5是本发明实施例提供的16磁天线阵元布阵图。

图6是本发明实施例提供的双目标回波RD谱仿真示意图。

图7是本发明实施例提供的水平角波束形成仿真示意图。

图8是本发明实施例提供的俯仰角波束形成仿真示意图。

图9是本发明实施例提供的作二维超分辨处理示意图。

图10是本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，下面结合附图和实施例对本发明作详细的描述。下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为本接收系统的系统框图，包含总控制子系统，天线开关控制器，接收机开关控制器及显示控制子系统。本发明中各模块的功能和原理为：总控制子系统通过硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关；天线开关控制器，接收机开关控制器接收到控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭。信号处理机在存储到一定量的数据后，开始按照上述说明的信号处理原理进行信号处理，来获得电离层信息；总控制子系统，天线开关控制器，接收机开关控制器的工作状态由以太网和显控平台连接，并显示在显控平台中；显控平台使用通用计算机实现，显示各个子系统的工作状态监控信息状态、下达参数与控制信息、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果RD谱显示、频率优选结果，海洋-电离层动力学分析结果。

图2为电离层探测与海洋信息探测时序关系图，要求电离层探测发射周期为海洋信息探测发射周期的整数倍。并且雷达发射信号时，电离层探测系统也需要关闭接收设备，防止器件损坏。

图3为电离层探测与海洋信息探测频率关系图。假设雷达设备在一定时间内工作在某一段频率，要保证同时发射互不干扰，要求垂测仪工作频率要避开。在此约束关系上，本接收系统要严格按照对应的工作模式来分配工作时序，保证整个系统的正常工作。

图5为本实施例中磁天线接收阵列空间布局示意图。16个磁天线布成4×4的均匀平面阵列，以原点天线为参考阵元，可以估计来波方向的水平角度与空间角度。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，包括总控制子系统、天线开关控制器、接收机开关控制器以及显示控制子系统；其中，各个子系统通过网线与总控制子系统连接，完成系统控制与信息传递。

总控制子系统，用于通过硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关。总控制子系统由一台计算机主机实现，在此计算机内，集成了系统的控制程序。通过控制程序来下达天线和接收机开关控制程序的参数，参数通过编码进行传输，在开关控制器处将参数数据先进行解码，再读取数据。

天线开关控制器和接收机开关控制器，用于接收控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭；控制器的主控芯片为ARM，通过以太网与总控制子系统和显控平台连接，接收控制指令和系统参数，并输出系统状态。ARM接收到总控制子系统传递来的信号后，进行解码与参数读取，并将参数分配给FPGA模块。通过配置FPGA参数，控制FPGA产生各时序逻辑电路并输出，并且其工作状态反馈到总控制子系统中的设备状态监控结果界面中。

信号处理机由一台高性能的计算机实现。对接收机接收到的信号进行处理。接收机用FPGA模块对接收到的模拟信号回波进行处理，包括信号采样，数字变频等，将回波处理为计算机能处理的形式。信号处理机在存储到一定量的数据后，按照所述的信号处理原理进行信号处理，获得电离层空间分布信息；处理的结果在显示控制子系统中显示，其工作状态反馈到总控制子系统中的设备状态监控结果界面中。

显示控制子系统，即显控平台，通过以太网与各部件及子系统连接，用于总控制系统的控制界面可视化、所有子系统设备状态监控结果显示、海洋信息与电离层探测结果的显示。显控平台由4块显示器组成，分别显示参数设置界面，总控制子系统与各个系统的工作状态，磁天线阵列回波信号处理结果图(即RD谱图)以及垂测仪接收天线回波信号处理图。总控制子系统、天线开关控制器以及接收机开关控制器的工作状态由以太网和显控平台连接，并显示在显控平台中；

如图10所示，本发明实施例提供的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法包括以下步骤：

S101，总控制子系统利用硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关，实现海上目标探测信号的参数控制、电离层探测信号的参数控制以及时序控制子系统的时序参数控制；通过时序同步控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别给天线与接收机的接受波门提供同步工作时序以及触发信号。

S102，雷达系统的发射机将P4码探测信号，垂测仪系统的发射机将线性调频探测信号，通过各自的功率放大器，经过各自的带通滤波器滤除杂波后，通过各自的发射天线发送；通过各自的天线开关控制器和各自的接收机开关控制器接收控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭；

S103，回波接收部分由两套设备组成。一是垂测仪接收天线，二是采用一组16根磁天线构成的均匀平面天线阵列。其中垂测仪的接收天线保持原有的接收垂测仪回波的工作方式，而磁天线平面阵列可以通过总控制下达命令可以切换工作模式。通过选择跟随雷达还是垂测仪的工作时序、工作频率、脉冲宽度等信息来选择接收雷达的电离层回波或垂测仪的回波，并对电离层进行空间位置的探测；

S104，接收天线接收到回波后，首先是接收机部分，对模拟信号进行进行数字采样，下变频等处理，将数据转化为信号处理机能识别的形式后，送到信号机分析回波数据。信号处理机在存储到一定量的数据后，按照信号处理原理进行信号处理，具体的处理方式按照本发明之前所述的方式；

S105，通过显示控制子系统利用以太网与各部件及子系统连接，进行数据交互，实现回波信号的处理、总控制系统的控制界面可视化、设备状态监控以及探测结果的存储与显示。

本发明的系统结构如图1所示，包含总控制子系统，天线开关控制器，接收机开关控制器及显示控制子系统。其中，总控制子系统的功能包括海上目标探测信号的参数控制，电离层探测信号的参数控制，时序控制子系统的时序参数控制，在此子系统的控制程序里能够实现电离层-海上目标探测同步控制。其操作界面在显示控制子系统显示，可以在此界面进行操作。此接收系统的时序控制设计原则为：与现有的HFSWR时序接收同步，保障雷达的工作任务优先。天线开关控制器，接收机开关控制器接收总控制子系统控制信号，来控制接收波门的打开与关闭。当雷达和垂测仪的发射机发射信号时，需要将此接收系统的天线和接收机关闭，当发射机的一个脉冲发射完毕时，天线与接收机的开关打开接收回波信号。显示控制子系统是与用户交互的平台，同时负责回波信号的处理，系统的状态报告也在该子系统显示。各个子系统通过网线与系统控制子系统连接，完成网络连接，建立与控制。

总控制子系统以一台计算机主机为主体，海洋-电离层探测系统的控制方式在这里体现。通过编写程序以及用以太网和其他子系统建立网络通信的方式，来完成对其他子系统的同步工作时序控制以及探测信号频率控制。

同步工作时序控制设计逻辑关系以及频率关系如图2、3所示。HFSWR雷达多用脉冲体制工作方式。为保证两者之间同步，设计两种探测信号的脉冲重复周期关系式为：

PRT_电离层＝N×PRT_海洋，N＞1

其中，PRT_电离层为电离层探测脉冲重复周期，PRT_海洋为海洋信息探测脉冲重复周期，N为正整数。图中示例N为2。对于接收设备，也需要满足同步关系，当各自的发射系统关闭时，接收系统开始工作。磁天线阵列的工作模式由系统下发指令控制，通过外触发方式来决定对应的工作模式以及时序。为了避免冲突，且保证海洋信息优先探测的前提，电离层探测在进行扫频时，需要跳过与海洋探测信号临近的1～2个频点。

雷达发射的信号为P4码，发射机将P4码探测信号通过功率放大器，再经过一组带通滤波器滤除杂波后，通过发射天线发送出去。接收天线接收到回波后，从到接收机进行数字采样，下变频后送到信号处理与数据处理机分析回波数据。设一个脉冲内的发送信号为s(t)其表达式为：

其中，P表示一个脉冲内的P4码数目，T为一个码的宽度，即一个脉冲宽度为PT。rect(·)表示矩形函数，

f_c为信号载频，

为相位编码值，i＝0,1,…,P-1。设脉冲重复周期为T_s，探测波形可以表示为：

其中n为脉冲数。回波信号可表示为：

r(t)＝S(t-τ)exp(j(2πf_d(t+τ)))+n(t)

其中τ为时延，f_d为多普勒频移，n(t)为加性高斯白噪声。回波数据的处理为：先进行脉冲压缩，后进行相参积累，得到目标信息的距离-多普勒谱。P4码的良好的自相关特性(见图4)，脉冲压缩时，用发射信号作为参考信号，与回波信号做相关处理，得到距离信息。相关运算如下式：

其中r_r(t)为距离谱。r_r(t)按照脉冲数分成n份，即：

r_r(t)＝[r_r1(t),r_r2(t),...,r_rn(t)]

将这些拆分的距离谱重新排列，重排后为：

对多个信号周期的距离谱按列进行FFT处理，即可得到目标的多普勒信息。经过二维处理后得到的结果为距离-多普勒谱。

垂测仪发射的电离层探测信号的是垂直指向天空的线性调频信号。波形表达式为：

其中，f(n)＝f_c+nΔf,n＝1,2…N为载频频率，f_c为初始载频，Δf为步进频率间隔，n为第n个脉冲数。K＝B/T为调频斜率，B为信号带宽，T为信号周期。类似的，电离层回波信号可以表示为：

r(t)＝s(t+τ)+n(t)

其中τ为时延，n(t)为加性高斯白噪声。计算r(t)与s(t)的互相关可以得到：

通过搜索R(u)的极值即可获取电离层回波的时延τ_i。所以电离层虚高h＝cτ_i/2。分别对不同频率的回波信号进行上述处理，即可得到电离层回波谱图。根据电离层回波谱图中的反射轨迹，可以得到每一层的最大电子浓度，对应该层的最大等离子体频率：

但是，通过这种方法只能获取电离层的高度信息，并不能在空间中获得方位信息以及多普勒信息。而在雷达系统中，采用的接收天线为电天线，其方向图在天顶方向有零陷无法接收回波。

为解决这个问题，本系统增加一组接收电离层回波的设备，此设备由16根磁天线作为阵元构成4×4的均匀天线平面阵列，磁天线的方向图在天顶方向上的归一化增益为1，能够接收到天顶方向电离层的回波。而且面阵天线可以做水平、俯仰方向上的二维波束形成，这样就可以在距离信息的基础上，对电离层的位置进一步定位。其阵元的空间结构如图5所示。阵元1为基准相位参考点处于原点位置，整个平面阵位于xoy平面上。其工作模式可以分为两种：

模式1，与海上目标探测同步。设置此接收系统的本振信号、接收频率、接收时序与海上目标探测的接收本振信号与频率相同、时序同步。磁天线与电天线方向图的不同使得在天顶方向或者其他高空方向的回波增益提高。更有效的接收电离层回波。信号处理获得距离-多普勒谱的方法与海上目标探测子系统的方法相同。为了获得空间方位，对回波数据取电离层回波点做2维的空间波束形成。在图中，假设来波方向为

其中，

为俯仰角，θ∈[0,2π]为信号的俯仰角。定义阵元的位置为c_n＝(x_n,y_n)，远场信号的单位矢量为

阵元n相对于坐标原点的相位差可以表示为：

其中λ为电磁波波长。平面阵列的导向矢量可以推出：

对

方向来波做波束形成时，权矢量

^*表示取共轭。根据方向图相乘原理，则波束形成表达式为：

其中，

为单个磁天线阵元的方向图。

考虑到2维波束形成的空间复杂性，在此进行降维处理。磁天线的E面方向图是一个“8”字型形状。对于任意的一个俯仰角

在E面上的方向图水平角与水平角有关。磁天线的H面方向图是一个圆，对于任意的一个水平角θ'，其在H面上的方向增益是一个归一化幅度小于1的圆，与俯仰角无关。即俯仰角不影响水平角的波束形成结果。这就为降维处理得到了理论依据。于是可以分别得到水平和俯仰方向上的两个波束形成结果，来得到两组方位信息。计算步骤如下：

1.参数计算与获取。包括磁天线阵元的空间位置(选取好基准天线作为坐标0点进行二维均匀平面阵列的布阵，获得阵元空间位置坐标)，根据工作模式选取的波长、脉冲重复周期、发射波束指向等参数，便于后续计算。

2.对回波数据做脉冲压缩、相参积累等信号处理，得到RD谱。在RD谱中选取目标点，获得目标点数据。

3.将回波数据复制多份。由于磁天线的E面方向图并不是全向天线方向图，当真实来波方向的水平投影方向偏离阵元的法线方向很大时(以图5为例，图中θ方向为来波方向在水平面的投影角度，此时X轴正轴指向即为法线方向)，会造成真实来波方向加权值并不是最大。因此对于这种有方向性的天线，其波束形成必须限制在某一空间范围内，才能确保其准确性。由仿真实验得出，偏离法线方向不超过±20°时即可保证其正确波束形成结果。根据发射波束指向，取权矢量角度为发射波束指向角度附近的几个角度值加权，确保真实回波方向加权值为最大。

3.首先做水平方向的波束形成。由俯仰角不影响水平角的波束形成结果，固定

暂取

磁天线的E面方向图并不是全向方向图，需考虑阵元的方向性函数。磁天线的归一化方向形函数为

将其带入波束形成公式，可以计算得到水平角的θ₀的波束形成结果。

4.做俯仰方向波束形成令θ＝θ₀，θ₀＝θ₀。即相当于对权矢量乘以一个由θ₀导致的加权损失。

可以计算得到俯仰方向的波束形成结果。

按照上述波束形成的计算方法计算得到多个空间角度的波束形成结果，最后获得距离-速度-空间方位三维信息的谱数据，从而完成对电离层空间位置的定位。

模式2，与垂测仪工作模式同步。此时设置此接收系统的本振信号、接收频率、接收时序与垂测仪的接收本振信号与频率相同、时序同步。垂测仪接收天线只能接收天顶单一方向的电离层回波，而垂测仪工作时，发射的信号会存在其他方向上的泄露。在传统的研究中，为了保证垂测仪在天顶方向的能量集中，常常避免这种泄露。而增加此接收天线阵列时，会将其他方向发射信号的回波接收，从而能接收到除天顶方向之外的电离层回波，扩展了电离层探测空间范围。其信号处理方式与模式1相同，在此不再说明。此模式相对于垂测仪来说，除了获得电离层高度(距离)信息外，还能额外获得空间分布信息，多普勒信息等。

两种工作模式在整个探测设备启动时由总控制系统下发参数控制切换工作模式。

有时候为了进一步获取更精确的电离层空间方位信息，传统的波束形成的角度测量受阵列孔径的限制，因此需要借助超分辨的方法来突破阵列孔径带来的约束。对于4×4的平面阵列，可采用二维MUSIC的方法。当获取到比较多的脉冲压缩与相参积累数据后，每一组选取一个电离层回波对应的数据点来实现二维的超分辨。阵列的导向矢量与波束形成时导向矢量相同，为下式：

电离层回波信号课看做为远场窄带信号。设空间中的电离层方位为

电离层回波为前面提到的r(t)。磁天线接收到的回波幅度受方向图调制。第n个阵元接收到的回波表达式为：

式中n(t)为0均值高斯白噪声。设在RD谱中共观测到有k个电离层回波，方位为

则整个平面阵的接收信号表达式为：

X(t)＝A(t)S(t)+N(t)

式中：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_N(t)]^T

为N维接受数据向量；

为信号向量；

为接受数据的导向矢量。N(t)为高斯白噪声。构建完阵元天线为磁天线的接收信号模型后，按照二维MUSIC算法计算。步骤如下：

1.计算接收信号的协方差矩阵R(t)＝E(X(t)X(t)^T)，E表示取期望。

2.将R(t)进行特征值分解，特征值按照从大到小顺序排列，对应的特征向量也从大到小排列。选取前k个大特征值对应的特征向量张成的向量空间为信号子空间，记为，U_s其余特征向量为噪声子空间，记为U_n。

3.由信号子空间和噪声子空间的正交性，

在U_n的投影应为0。实际由于噪声的影响，此表达式应为一极小值。因此求解

的问题转化为以下数学问题：

4.将上式取倒数，可得到关于

的二维谱峰表达式：

通过二维谱峰搜索，可得到超分辨结果。具体计算时，为了减少运算量，可先对数据做波束形成，得到电离层的空间大致角度范围，再在此范围内做超分辨处理，这样可以减少搜索的范围，节省计算量。

时序控制子系统以时序控制器为核心。时序控制器以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别给天线以及接收机开关控制器提供同步工作时序以及触发信号。时序控制器在接收到上位机下发的时序参数(例如触发信号、同步信号的脉宽、发射机打开关闭时间长度等)后过FPGA产生各路时序信号，再通过响应的GPIO接口连接到各子系统中。各个子系统接收到对应的模拟控制信号后，启动对应的工作模式。

显控平台通过以太网与各部件及子系统连接，负责总控制系统的控制界面可视化、设备状态监控、探测结果的存储与显示等功能。详细的系统结构由图6给出。

本发明关键创新点也即技术效果在于通过设计一种海洋信息-电离层一体化探测系统的接收系统控制方法以及信号处理方法。结合磁天线特有的特性，实现了电离层垂测和海洋信息的同步获取，避免了两者之间的相互干扰，能够实时获得电离层的距离、多普勒频率以及空间分布情况。

本发明将电离层垂测仪与高频地波雷达以及一组磁天线阵列相结合，实现电离层信息和海洋信息的同步获取本发明的优点有两点。其一是通过系统时序控制的方法将此接收系统与原有的雷达和垂测仪的工作同步且互不干扰，从时间的角度上上增加了实时获取电离层信息的能力。其二是针对磁天线的空间方向图与全向天线不同的这一特点，采用一种降维处理的2维波束形成方法，能够保证测量精度的前提下节省运算能力，并且增加超分辨处理的方法能够更精细的获取空间方位。

证明部分(/实验/仿真//能够证明本发明创造性的正面实验数据等)

通过一组信号处理的结果来验证此方案的合理性。给出RD谱图，水平角即俯仰角波束形成结果以及二维超分辨结果分别如图6～9所示。仿真中设有两个电离层回波，相对雷达的径向距离分别为50km与150km，对应的多普勒频移分别为2Hz与0Hz。(在RD谱中多普勒频移对应的是速度信息，2Hz换算为速度信息为150km/s)。取其中一个点作波束形成与超分辨，水平角为10度，方位角为15度。雷达工作频率为2MHz，采用脉冲体制，脉冲宽度为8us，脉冲重复周期为4ms。回波信噪比设为0db，取512个脉冲作处理。4×4均匀平面阵列阵元间距为半波长，参考阵元设置如图5所示。超分辨算法设定信噪比为20db(由于超分辨算法是取RD谱中的回波点为一个快拍数据点做处理，RD谱处理时已经有了信噪比的提升，所以此信噪比设置合理)，快拍数为1024。

在该系统信号处理的仿真过程中，RD谱模拟了空间两处小块电离层的回波。电离层的位置以及回波的多普勒频率参数选取以之前的实验观测到的参数作近似。仿真中雷达的参数设置与实际参数设置原则相同。在图6的RD谱中可以看出，经过匹配滤波与脉冲压缩处理后可以显示目标对应的速度(多普勒)信息与距离信息，即距离50km多普勒频率为2Hz的目标在RD谱中对应的是距离50km速度为150m/s的目标点，距离150km多普勒频率为0Hz的目标在RD谱中对应的是距离150km速度为0m/s的目标点，而且有效提升信噪比。下一步需要获得二维的方位信息。先通过波束形成进行粗分辨。按照本发明采用的一种降维的二维波束形成处理方法，得到的水平方向、俯仰方向的波束形成处理结果分别为10度与15度，与预设的参数一致，仿真结果验证了本方法的有效性。之后采用二维超分辨的方法进行精细的分辨。在2D-MUSIC的处理结果中图中黄色位置为超分辨获得的目标角度，可以看出，超分辨获得的角度信息与预设的参数一致，且与波束形成相比更加精确。受限于计算机性能，仿真中RD谱中速度(多普勒)分辨力与距离分辨力性能并未达到最优。实际系统采用高性能计算机，可对更多脉冲做处理，提升分辨能力。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，其特征在于，所述海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，包括总控制子系统、天线开关控制器、接收机开关控制器以及显示控制子系统；其中，总控制子系统、天线开关控制器以及接收机开关控制器的工作状态由以太网和显控平台连接，并显示在显控平台中；各个子系统通过网线与系统控制子系统连接，完成网络连接，建立与控制；

总控制子系统，用于通过硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关；

天线开关控制器和接收机开关控制器，用于接收控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭；信号处理机在存储到一定量的数据后，按照信号处理原理进行信号处理，获得电离层信息；

显示控制子系统，即显控平台，通过以太网与各部件及子系统连接，用于负责总控制系统的控制界面可视化、设备状态监控、探测结果的存储与显示。

2.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，其特征在于，所述总控制子系统，用于实现海上目标探测信号的参数控制、电离层探测信号的参数控制以及时序控制子系统的时序参数控制；通过所述总控制子系统的控制程序实现电离层-海上目标探测同步控制，操作界面在显示控制子系统显示，并在此界面进行操作；此接收系统的时序控制设计原则为：与现有的HFSWR时序接收同步，保障雷达的工作任务优先；

所述总控制子系统以一台计算机主机为主体，海洋-电离层探测系统的控制方式在总控制子系统体现；通过编写程序以及用以太网和其他子系统建立网络通信的方式，完成对其他子系统的同步工作时序控制以及探测信号频率控制。

3.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，其特征在于，所述天线开关控制器和接收机开关控制器，用于通过接收总控制子系统控制信号，控制接收波门的打开与关闭；当雷达和垂测仪的发射机发射信号时，将此接收系统的天线和接收机关闭，当发射机的一个脉冲发射完毕时，天线与接收机的开关打开接收回波信号；控制器主要由时序同步控制模块实现，以时序控制器为核心，以ARM和FPGA为主体，利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别给天线以及接收机开关控制器提供同步工作时序以及触发信号。

4.如权利要求1所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，其特征在于，所述显示控制子系统是与用户交互的平台，使用通用计算机实现，用于显示各个子系统的工作状态监控信息状态、下达参数与控制信息、电离层探测结果显示、海洋信息探测结果RD谱显示、频率优选结果，海洋-电离层动力学分析结果，系统的状态报告也在该子系统显示。

5.如权利要求3所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统，其特征在于，时序同步控制器中，所述时序控制器在接收到上位机下发的时序参数后过FPGA产生各路时序信号，通过响应的GPIO接口连接到各子系统中；各个子系统接收到对应的模拟控制信号后，启动对应的工作模式；其中所述时序参数包括触发信号、同步信号的脉宽以及发射机打开关闭时间长度。

6.一种实施权利要求1～5任意一项所述海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法，所述海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法包括以下步骤：

步骤一，通过总控制子系统利用硬件编程控制天线与接收机的接受波门的开关，实现海上目标探测信号的参数控制、电离层探测信号的参数控制以及时序控制子系统的时序参数控制；通过时序同步控制器利用FPGA的GPIO接口产生多路可软件配置的时序控制信号，分别给天线与接收机开关控制器提供同步工作时序以及触发信号；

步骤二，雷达发射机将P4码探测信号，垂测仪的发射机将线性调频探测信号，通过各自的功率放大器，经过各自的带通滤波器滤除杂波后，通过各自的发射天线发送；通过各自的天线开关控制器和各自的接收机开关控制器接收控制信号，控制天线与接收机的打开与关闭；

步骤三，接收天线接收到回波后，从接收机进行数字采样，下变频后送到信号处理与数据处理机分析回波数据；信号处理机在存储到一定量的数据后，按照信号处理原理进行信号处理，获得电离层信息；

步骤四，回波接收部分由两套设备组成：一是垂测仪接收天线，二是采用一组16根磁天线构成的均匀平面天线阵列；其中垂测仪的接收天线保持原有的接收垂测仪回波的工作方式，而磁天线平面阵列可以通过总控制下达命令可以切换工作模式；此天线阵列的工作时序由GPS同步触发来启动，通过选择跟随雷达还是垂测仪的工作时序、工作频率、脉冲宽度信息来选择接收雷达的电离层回波或垂测仪的回波，并对电离层进行空间位置的探测；

步骤五，通过显示控制子系统利用以太网与各部件及子系统连接，进行数据交互，实现回波信号的处理、总控制系统的控制界面可视化、设备状态监控以及探测结果的存储与显示。

7.如权利要求6所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法，其特征在于，步骤一中，所述总控制子系统中，HFSWR雷达多用脉冲体制工作方式，设计两种探测信号的脉冲重复周期关系式为：

PRT_电离层＝N×PRT_海洋，N＞1；

其中，PRT_电离层为电离层探测脉冲重复周期，PRT_海洋为海洋信息探测脉冲重复周期，N为正整数；当各自的发射系统关闭时，接收系统开始工作；磁天线阵列的工作模式由系统下发指令控制，通过外触发方式决定对应的工作模式以及时序；电离层探测在进行扫频时，跳过与海洋探测信号临近的1～2个频点。

8.如权利要求6所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法，其特征在于，步骤二中，所述雷达探测中，设一个脉冲内的发送信号为s(t)，所述s(t)的表达式为：

其中，P表示一个脉冲内的P4码数目，T为一个码的宽度，即一个脉冲宽度为PT；rect(·)表示矩形函数，

f_c为信号载频，

为相位编码值，i＝0,1,…,P-1；设脉冲重复周期为T_s，探测波形表示为：

其中，n为脉冲数；回波信号表示为：

r(t)＝S(t-τ)exp(j(2πf_d(t+τ)))+n(t)；

其中，τ为时延，f_d为多普勒频移，n(t)为加性高斯白噪声；

回波数据的处理为：先进行脉冲压缩，后进行相参积累，得到目标信息的距离-多普勒谱；P4码的良好的自相关特性，脉冲压缩时，用发射信号作为参考信号，与回波信号做相关处理，得到距离信息；相关运算如下式：

其中，r_r(t)为距离谱；r_r(t)按照脉冲数分成n份，即：

r_r(t)＝[r_r1(t),r_r2(t),...,r_rn(t)]；

将这些拆分的距离谱重新排列，重排后为：

对多个信号周期的距离谱按列进行FFT处理，即可得到目标的多普勒信息；经过二维处理后得到的结果为距离-多普勒谱。

9.如权利要求6所述的海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理方法，其特征在于，步骤五中，所述垂测仪发射的电离层探测信号的是垂直指向天空的线性调频信号，波形表达式为：

其中，f(n)＝f_c+nΔf,n＝1,2...N为载频频率，f_c为初始载频，Δf为步进频率间隔，n为第n个脉冲数；K＝B/T为调频斜率，B为信号带宽，T为信号周期；电离层回波信号表示为：

r(t)＝s(t+τ)+n(t)；

其中，τ为时延，n(t)为加性高斯白噪声；计算r(t)与s(t)的互相关得到：

通过搜索R(u)的极值即可获取电离层回波的时延τ_i，电离层虚高h＝cτ_i/2；分别对不同频率的回波信号进行处理，即可得到电离层回波谱图；

根据电离层回波谱图中的反射轨迹，得到每一层的最大电子浓度，对应该层的最大等离子体频率为：

增加一组接收电离层回波的设备，此设备由16根磁天线作为阵元构成4×4的均匀天线平面阵列，磁天线的方向图在天顶方向上的归一化增益为1，能够接收到天顶方向电离层的回波，且面阵天线水平、俯仰方向上的二维波束形成，即可在距离信息的基础上，对电离层的位置进一步定位；

其中，阵元1为基准相位参考点处于原点位置，整个平面阵位于xoy平面上，工作模式分为以下两种：

模式1，与海上目标探测同步，即与雷达工作系统同步；设置此接收系统的本振信号、接收频率、接收时序与海上目标探测的接收本振信号与频率相同、时序同步；磁天线与电天线方向图的不同使得在天顶方向或者其他高空方向的回波增益提高，更有效的接收电离层回波；信号处理获得距离-多普勒谱的方法与海上目标探测子系统的方法相同；

对回波数据取电离层回波点做2维的空间波束形成，假设来波方向为

其中，

为俯仰角，θ∈[0,2π]为信号的俯仰角；定义阵元的位置为c_n＝(x_n,y_n)，远场信号的单位矢量为

阵元n相对于坐标原点的相位差表示为：

其中，λ为电磁波波长；平面阵列的导向矢量推出：

对

方向来波做波束形成时，权矢量

^*表示取共轭；根据方向图相乘原理，则波束形成表达式为：

其中，

为单个磁天线阵元的方向图；

考虑到2维波束形成的空间复杂性，进行降维处理；磁天线的E面方向图是一个“8”字型形状；对于任意的一个俯仰角

在E面上的方向图水平角与水平角有关；磁天线的H面方向图是一个圆，对于任意的一个水平角θ'，其在H面上的方向增益是一个归一化幅度小于1的圆，与俯仰角无关；即俯仰角不影响水平角的波束形成结果，即可分别得到水平和俯仰方向上的两个波束形成结果，得到两组方位信息；计算步骤如下：

(1)参数计算与获取，包括磁天线阵元的空间位置，选取好基准天线作为坐标0点进行二维均匀平面阵列的布阵，获得阵元空间位置坐标，根据工作模式选取的波长、脉冲重复周期以及发射波束指向参数；

(2)对回波数据做脉冲压缩、相参积累的信号处理，得到RD谱；在RD谱中选取目标点，获得目标点数据；

(3)将回波数据复制多份，对于有方向性的天线，波束形成必须限制在某一空间范围内；偏离法线方向不超过±20^°时即可保证其正确波束形成结果；根据发射波束指向，取权矢量角度为发射波束指向角度附近的几个角度值加权；

(4)做水平方向的波束形成，由俯仰角不影响水平角的波束形成结果，固定

暂取

磁天线的E面方向图并不是全向方向图，需考虑阵元的方向性函数；磁天线的归一化方向形函数为

带入波束形成公式，计算得到水平角的θ₀的波束形成结果；

(5)做俯仰方向波束形成令θ＝θ₀，θ₀＝θ₀，即相当于对权矢量乘以一个由θ₀导致的加权损失，

计算得到俯仰方向的波束形成结果；

按照波束形成的计算方法计算得到多个空间角度的波束形成结果，最后获得距离-速度-空间方位三维信息的谱数据，从而完成对电离层空间位置的定位；

模式2，与垂测仪工作模式同步；此时设置此接收系统的本振信号、接收频率、接收时序与垂测仪的接收本振信号与频率相同、时序同步；垂测仪接收天线只能接收天顶单一方向的电离层回波，而垂测仪工作时，发射的信号会存在其他方向上的泄露；增加此接收天线阵列时，会将其他方向发射信号的回波接收，从而能接收到除天顶方向之外的电离层回波，扩展电离层探测空间范围，信号处理方式与模式1相同；此模式相对于垂测仪来说，除获得电离层高度即距离信息外，还能额外获得空间分布信息，多普勒信息；

两种工作模式在整个探测设备启动时由总控制系统下发参数控制切换工作模式；

对于4×4的平面阵列，采用二维MUSIC的方法获取电离层空间方位信息；当获取到比较多的脉冲压缩与相参积累数据后，每一组选取一个电离层回波对应的数据点来实现二维的超分辨；阵列的导向矢量与波束形成时导向矢量相同，表达式为：

电离层回波信号课看做为远场窄带信号；设空间中的电离层方位为

电离层回波为前面提到的r(t)；磁天线接收到的回波幅度受方向图调制；第n个阵元接收到的回波表达式为：

式中n(t)为0均值高斯白噪声；设在RD谱中共观测到有k个电离层回波，方位为

则整个平面阵的接收信号表达式为：

X(t)＝A(t)S(t)+N(t)；

式中：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_N(t)]^T

为N维接受数据向量；

为信号向量；

为接受数据的导向矢量；N(t)为高斯白噪声；构建完阵元天线为磁天线的接收信号模型后，按照二维MUSIC算法计算；步骤如下：

(1)计算接收信号的协方差矩阵R(t)＝E(X(t)X(t)^T)，E表示取期望；

(2)将R(t)进行特征值分解，特征值按照从大到小顺序排列，对应的特征向量也从大到小排列；选取前k个大特征值对应的特征向量张成的向量空间为信号子空间，记为，U_s其余特征向量为噪声子空间，记为U_n；

(3)由信号子空间和噪声子空间的正交性，

在U_n的投影应为0，此表达式应为一极小值，求解

的问题转化为以下数学问题：

(4)将步骤(3)中的公式取倒数，得到关于

的二维谱峰表达式：

先对数据做波束形成，得到电离层的空间大致角度范围，再在此范围内做超分辨处理。

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