CN114089331B - 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,包括如下步骤:步骤1,电离层扫频探测;步骤2,根据扫频电离图参数确定定频探测的频率;步骤3,接收端采用边长为60米的正三角形接收阵列得到其他通道与基准通道的频率响应系数;步骤4,对选出的8个定频频率进行定频探测,得到各个散射点的方位角、天顶角及其漂移速度。本发明所公开电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,采用传统波束合成的方法对电离层不均匀等离子体进行漂移测量,可以避免用干涉仪测量时因存在相位模糊导致的测向模糊,测量不均匀等离子体的方位角和天顶角更加准确。
Description
技术领域
本发明属于电离层信号处理领域,特别涉及该领域中的一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法。
背景技术
电离层不均匀体是出现在规则电离层中的不同电离密度的云块状结构,其电子密度高于或低于周围介质的平均电子密度,电子密度的最大相对变化通常只有百分之几,个别情况或小区域内可达百分之十至二十。不均匀体的形状和大小是指电离等值面的平均形状和大小,通常它是各向异性的。因此大小常指某特定方向上的尺度,不均匀体的尺度谱很宽,大的可达几千公里,小的只有20厘米-30厘米,不同尺寸的不均匀体的形成机制是不同的,它对无线电波传播的影响也各不相同。
电离层中的中性风场、电场驱动等离子体组整体的定向运动,称为漂移。为了研究电离层不均匀等离子体的漂移运动特性,利用电离层垂直探测仪发射高频信号,利用反射回波信号的重要参数来探测电离层的结构和动态特征,这些参量包括:距离(或时延)、幅度、相位、多普勒频移等。垂直探测仪不仅可以探测电离层电子密度剖面和不规则体,其漂移模式还可以探测电离层的整体运动状态,对研究电离层不均匀等离子体具有重要意义。
子午工程海南站安装了美国研制的新一代便携式数字测高仪DPS-4D。该测高仪能够利用返回电磁波参数探测电离层电子密度剖面和不规则体,漂移模式可以探测电离层的整体运动状态。但是该数字测高仪在漂移模式下测量电离层等离子体运动时使用的是干涉仪测向技术,干涉仪测向是利用辐射信号在接收天线上形成的相位差来确定辐射源的方向,干涉仪的测向相位差范围为(-π,π),存在测向模糊,影响等离子体方向测量的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法。
本发明采用如下技术方案:
一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,其改进之处在于,包括如下步骤:
步骤1,电离层扫频探测:发射信号采用互补码或者脉冲线性调频,以快速扫频方式工作,设备工作频率范围为1MHz-30MHz,以线性或者对数方式扫描工作,一次扫频工作完成后输出扫频电离图、电离层参数和电离浓度剖面;
步骤2,根据扫频电离图参数确定定频探测的频率,定频频率计算公式如下:
f=fmin+(f0F2-fmin)/3
其中,fmin为最小可用频率,f0F2为F2层临界频率,f为定频起始频率,从f开始以50kHz的步进选取8个定频频率;
步骤3,接收端采用边长为60米的正三角形接收阵列,四个正交环天线分别位于正三角形的三顶点及中心处,在定频探测之前对8个接收通道信号进行通道校准:向8个接收通道注入相同的线性调频标校信号,求取8个通道的频率响应Ci(w),i=1,2...8,选取某一通道作为基准通道j,得到其他通道与基准通道的频率响应系数i=1,2...8;j∈[1,8];
步骤4,对选出的8个定频频率进行定频探测,得到该频点上各个散射源回波的多普勒幅度谱和相位谱,对检测出的散射点进行测向,得到各个散射点的方位角、天顶角及其漂移速度,具体步骤如下:
步骤4a,发射信号采用码长为20的互补码信号,连续发射128个脉冲,采用内插的工作方式;
步骤4b,接收端首先进行脉冲压缩处理,对脉冲压缩处理后的128个脉冲信号进行视频积累得到距离-能量图,距离范围内的视频积累信号按照系统要求的距离单元数量进行滑窗处理,选出有信号的距离单元;
步骤4c,对脉冲压缩处理后的128个脉冲信号进行相干积累得到多普勒-距离-能量图,在选出的距离单元上将超过检测门限的散射点提取出来;
步骤4d,确定各个散射点相对地面接收点的位置,即测向确定各散射点相对于地面接收点的方位角和天顶角,采用传统波束形成法进行测向,对阵列各单元信号加权求和,用导向矢量W与阵列信号X(t)作内积,即:y(t)=WHX(t),其中y(t)表示阵列信号X(t)波束合成后的信号,H表示导向矢量W的共轭转置;
天线的方位角范围为-180°~180°,天顶角范围为0~90°,对方位角和天顶角分别以1°为步进进行波束合成,对所有波束合成信号在方位角和天顶角范围内进行二维峰值搜索,最大峰值信号对应的方位角和天顶角即为信号实际来波方向;
步骤4e,利用测向得到的各个散射源的方位角和天顶角信息、各散射源的径向速度信息,采用最小二乘拟合解算等离子体的漂移状态;
等离子不均匀体漂移速度的确定:以垂直探测仪所在位置为坐标原点,以南北方向为x轴方向,以东西方向为y轴方向,以垂直方向为z轴方向建立坐标系,将整个等离子体的运动速度矢量v分解为南北方向矢量vx,东西方向矢量vy,垂直方向矢量vz,反射源相对于垂直探测仪所在位置的径向运动速度为vR,根据多普勒测速原理得到反射源的径向运动速度:f0为发射信号载频中心频率,c为电波在真空中的传播速度,δf为回波信号多普勒频率;每个反射源的径向运动速度分解为:
θ为反射源到电离层测高仪反射回波方向的仰角,为反射回波方向的方位角,得到各个散射源的径向运动速度。
进一步的,在步骤1中,可设置每个频率上的驻留时间、频率步进和每个频率上的发射次数。
进一步的,在步骤4a中,20位的互补码分A码和B码,分别为:
A={-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,1};
B={-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1}。
本发明的有益效果是:
本发明所公开电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,采用传统波束合成的方法对电离层不均匀等离子体进行漂移测量,可以避免用干涉仪测量时因存在相位模糊导致的测向模糊,测量不均匀等离子体的方位角和天顶角更加准确。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图;
图2是本发明方法中通道校准的流程示意图;
图3是本发明方法中视频积累的效果图;
图4是本发明方法中相干积累的效果图;
图5是本发明方法检测后的信号散射点;
图6是回波到达角的测量示意图;
图7是散射点测向后的天空图。
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,以下结合附图和实施例,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。
实施例1,如图1所示,本实施例公开了一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,利用四副交叉环组成接收天线阵(边长为60米的正三角形阵列),电离层测高仪发射一定频率的脉冲信号,对各个天线阵元接收的回波信号进行脉冲压缩、多普勒处理,得到各个散射源回波的多普勒幅度谱和相位谱,对检测出的所有散射源进行测向后得到天空图,并反演各个散射源的径向运动状态。具体包括如下步骤:
步骤1,电离层扫频探测:发射信号采用互补码或者脉冲线性调频,以快速扫频方式(可设置每个频率上的驻留时间)工作,设备工作频率范围为1MHz-30MHz,频率步进和每个频率上的发射次数可设置,可以线性或者对数方式扫描工作,一次扫频工作完成后输出扫频电离图、电离层参数和电离浓度剖面等;
步骤2,根据扫频电离图参数确定定频探测的频率,定频频率计算公式如下:
f=fmin+(f0F2-fmin)/3
其中,fmin为最小可用频率,f0F2为F2层临界频率,f为定频起始频率,从f开始以50kHz的步进选取8个定频频率f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8;
步骤3,接收端采用边长为60米的正三角形接收阵列,四个正交环天线分别位于正三角形的三顶点及中心处,信号经过发射和接收通道后回波会发生一定的幅度和相位起伏,为了补偿各接收通道间的幅度和相位起伏,在定频探测之前对8个接收通道信号进行通道校准,如图2所示,通道校准步骤如下:向8个接收通道注入相同的线性调频标校信号,求取8个通道的频率响应Ci(w),i=1,2...8,选取某一通道作为基准通道,假设通道1为基准通道,得到其他通道与基准通道的频率响应系数i=1,2...8;
步骤4,对选出的8个定频频率进行定频探测,得到该频点上各个散射源回波的多普勒幅度谱和相位谱,对检测出的散射点进行测向,得到各个散射点的方位角、天顶角及其漂移速度,具体步骤如下:
步骤4a,发射信号采用码长为20的互补码信号,连续发射128个脉冲,为了满足多普勒分辨率的要求采用内插的工作方式,20位的互补码分A码和B码,A码和B码分别为:
A={-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,1};
B={-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1}。
步骤4b,接收端首先进行脉冲压缩处理,对脉冲压缩处理后的128个脉冲信号进行视频积累得到距离-能量图,距离范围内的视频积累信号按照系统要求的距离单元数量进行滑窗处理,选出有信号的距离单元;图3是本发明方法中视频积累的效果图;
步骤4c,对脉冲压缩处理后的128个脉冲信号进行相干积累得到多普勒-距离-能量图,在选出的距离单元上将超过检测门限的散射点提取出来;
步骤4d,确定各个散射点相对地面接收点的位置,即测向确定各散射点相对于地面接收点的方位角和天顶角。
传统的干涉仪测向是利用天线之间接收信号的相位差进行测向,若天线相距为d,远场信号以θ的角度入射到天线上,则两天线接收信号的相位差为:
若同一频率的信号分别从θ方向和π-θ方向入射到接收阵列,则两天线之间的相位差都是分辨不出信号是从哪个方向入射的,会产生相位模糊;
为了克服这一弊端,本发明采用传统波束形成法进行测向,就是对阵列各单元信号加权求和,即用导向矢量W与阵列信号X(t)作内积,即:y(t)=WHX(t),其中y(t)表示阵列信号X(t)波束合成后的信号,H表示导向矢量W的共轭转置;
用复数权矢量W的相位对阵列信号各分量进行相位补偿,使得在期望信号方向上各个分量同相相加,以形成天线方向图的主瓣,而在其他方向上,非同相相加形成天线方向图的副瓣。
天线的方位角范围为-180°~180°,天顶角范围为0~90°,对方位角和天顶角分别以1°为步进进行波束合成,对所有波束合成信号在方位角和天顶角范围内进行二维峰值搜索,最大峰值信号对应的方位角和天顶角即为信号实际来波方向;该测向方法准确率高,有效避免了干涉仪测向法存在相位模糊的问题;
步骤4e,利用测向得到的各个散射源的方位角和天顶角信息、各散射源的径向速度信息(根据多普勒得到),采用最小二乘拟合解算等离子体的漂移状态;
等离子不均匀体漂移速度的确定:以垂直探测仪所在位置为坐标原点,以南北方向为x轴方向,以东西方向为y轴方向,以垂直方向为z轴方向建立坐标系,将整个等离子体的运动速度矢量v分解为南北方向矢量vx,东西方向矢量vy,垂直方向矢量vz,反射源相对于垂直探测仪所在位置的径向运动速度为vR,根据多普勒测速原理可以得到反射源的径向运动速度:f0为发射信号载频中心频率,c为电波在真空中的传播速度,δf为回波信号多普勒频率;每个反射源的径向运动速度可以分解为:
θ为反射源到电离层测高仪反射回波方向的仰角,为反射回波方向的方位角,得到各个散射源的径向运动速度。
图4是本发明方法中相干积累的效果图;图5是本发明方法检测后的信号散射点;图6是回波到达角的测量示意图;图7是散射点测向后的天空图。
Claims (3)
1.一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,电离层扫频探测:发射信号采用互补码或者脉冲线性调频,以快速扫频方式工作,设备工作频率范围为1MHz-30MHz,以线性或者对数方式扫描工作,一次扫频工作完成后输出扫频电离图、电离层参数和电离浓度剖面;
步骤2,根据扫频电离图参数确定定频探测的频率,定频频率计算公式如下:
f=fmin+(f0F2-fmin)/3
其中,fmin为最小可用频率,f0F2为F2层临界频率,f为定频起始频率,从f开始以50kHz的步进选取8个定频频率;
步骤3,接收端采用边长为60米的正三角形接收阵列,四个正交环天线分别位于正三角形的三顶点及中心处,在定频探测之前对8个接收通道信号进行通道校准:向8个接收通道注入相同的线性调频标校信号,求取8个通道的频率响应Ci(w),i=1,2...8,选取某一通道作为基准通道j,得到其他通道与基准通道的频率响应系数
步骤4,对选出的8个定频频率进行定频探测,得到该频点上各个散射源回波的多普勒幅度谱和相位谱,对检测出的散射点进行测向,得到各个散射点的方位角、天顶角及其漂移速度,具体步骤如下:
步骤4a,发射信号采用码长为20的互补码信号,连续发射128个脉冲,采用内插的工作方式;
步骤4b,接收端首先进行脉冲压缩处理,对脉冲压缩处理后的128个脉冲信号进行视频积累得到距离-能量图,距离范围内的视频积累信号按照系统要求的距离单元数量进行滑窗处理,选出有信号的距离单元;
步骤4c,对脉冲压缩处理后的128个脉冲信号进行相干积累得到多普勒-距离-能量图,在选出的距离单元上将超过检测门限的散射点提取出来;
步骤4d,确定各个散射点相对地面接收点的位置,即测向确定各散射点相对于地面接收点的方位角和天顶角,采用传统波束形成法进行测向,对阵列各单元信号加权求和,用导向矢量W与阵列信号X(t)作内积,即:y(t)=WHX(t),其中y(t)表示阵列信号X(t)波束合成后的信号,H表示导向矢量W的共轭转置;
天线的方位角范围为-180°~180°,天顶角范围为0~90°,对方位角和天顶角分别以1°为步进进行波束合成,对所有波束合成信号在方位角和天顶角范围内进行二维峰值搜索,最大峰值信号对应的方位角和天顶角即为信号实际来波方向;
步骤4e,利用测向得到的各个散射源的方位角和天顶角信息、各散射源的径向速度信息,采用最小二乘拟合解算等离子体的漂移状态;
等离子不均匀体漂移速度的确定:以垂直探测仪所在位置为坐标原点,以南北方向为x轴方向,以东西方向为y轴方向,以垂直方向为z轴方向建立坐标系,将整个等离子体的运动速度矢量v分解为南北方向矢量vx,东西方向矢量vy,垂直方向矢量vz,反射源相对于垂直探测仪所在位置的径向运动速度为vR,根据多普勒测速原理得到反射源的径向运动速度:f0为发射信号载频中心频率,c为电波在真空中的传播速度,δf为回波信号多普勒频率;每个反射源的径向运动速度分解为:
θ为反射源到电离层测高仪反射回波方向的仰角,为反射回波方向的方位角,得到各个散射源的径向运动速度。
2.根据权利要求1所述电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,其特征在于:在步骤1中,可设置每个频率上的驻留时间、频率步进和每个频率上的发射次数。
3.根据权利要求1所述电离层不均匀等离子体的漂移测量方法,其特征在于:在步骤4a中,20位的互补码分A码和B码,分别为:
A={-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,1};
B={-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,-1}。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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