CN114167401B - 一种mlt区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法。本发明根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积，得到平均多普勒频移复信号；根据得到的平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到该平均多普勒频移复信号的频率谱；根据平均多普勒频移复信号的频率谱，从中找到特征频率，再将该特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移；根据得到的多普勒频移和它与该流星事件对应的流星尾迹径向漂移速度之间的线性关系，解算得到该流星事件中流星尾迹的径向漂移速度。本发明较好地提高了流星尾迹径向漂移速度的计算精度，降低了计算所需的时间。

Description

一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，具体涉及一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法。
背景技术
在流星体高速飞行穿入大气并剧烈升温电离之后，流星尾迹中等离子体的双极性扩散过程成为最为重要的物理过程。伴随着双极性扩散的，是高温等离子体中的大量无规则运动的电子整体伴随着背景大气风场的漂移，这个反映了背景大气风场信息的漂移是可以被部署在地面的流星雷达所探测到的，对雷达接收的复信号解算得到的等离子体中的电子径向漂移速度和流星事件位置信息构成了基于流星雷达测风的流程中所需的基本参量。考虑到流星尾迹所在位置与雷达天线部署位置的距离往往在100km的量级，而雷达探测波和流星回波两者既近似平行又都垂直于流星的飞行方向，因此，基于高等数学上的近似，垂直于雷达观测视线上的分量对回波信号相位的影响太过微小，忽略不计，因而回波信号的相位变化集中反映了与流星尾迹径向漂移速度有关的信息，且与背景风场在垂直于径向上的分量无关。之前有大量学者的研究表明，回波信号相位的斜率与流星尾迹径向漂移速度之间存在近似的线性关系。
国际上主流的求解流星尾迹径向漂移速度的方法是通过计算不同接收机复信号之间的互相关函数的Poly-pulse pair method来求解的，这种方法有效地提高了弱信噪比条件下径向漂移速度的估计质量。然而，即便是采用这种方法，仍然存在如下问题：噪声的存在依然会给速度的求解带来较大的偶然误差；2π模糊的存在使得在对速度求解的过程中，所选取点的位置和数量必须是动态调整的，这对于需要对大量数据进行实时运算的雷达软件系统而言无疑是沉重的负担，但是简单的静态选取又往往会导致斜率的拟合出现错误；当同时存在有除流星之外的其他空间事件的回波时，也会对速度的解算形成干扰，但是因为其持续时间不长或信号能量不强，所以单纯因此而排除该流星事件又十分可惜；因为流星飞行速度的影响，相位的线性变化会伴随着振幅逐渐减小的振荡，但该振荡并不能在互相关计算中被全部抵消；大批量的流星事件数据的互相关计算消耗了大量的计算资源，因而耗时相对较长。为了更好地在测风雷达系统中求解MLT区域的大气动力学过程，需要对流星尾迹的径向漂移速度进行精度更高，耗时更短的新的解算方法。但是目前尚未有成熟的、精度更高的和耗时更短的流星尾迹径向漂移速度解算方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的技术缺陷,提供一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法,以对流星尾迹的径向漂移速度进行精度更高，耗时更短的解算。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案为一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法，具体步骤如下：
步骤1，根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积得到平均多普勒频移复信号；
步骤2，对平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号得到平均多普勒频移复信号的频率谱；
步骤3，从平均多普勒频移复信号的频率谱中搜索特征频率，将特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移；
步骤4，根据流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移以及流星事件对应的流星尾迹径向漂移速度之间的线性关系，解算得到流星事件中流星尾迹的径向漂移速度。
作为优选，步骤1所述根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积得到平均多普勒频移复信号，具体为：
设流星雷达所部署的第k个接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号为Sk；N表示接收机天线的总数；
步骤1所述平均多普勒频移复信号为：
Figure BDA0003340665990000021
k∈[1,N]
作为优选，步骤2所述对平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号得到该平均多普勒频移复信号的频率谱，具体为：
设平均多普勒频移复信号为S*的频率谱为Y，则
Figure BDA0003340665990000022
作为优选，步骤3所述从平均多普勒频移复信号的频率谱中搜索特征频率为：
设平均多普勒频移复信号的频率谱Y的特征频率为f*，则
f*＝fargmax(Y)
其中，fargmax(Y)为频率谱Y振幅最大值所对应的频率；
步骤3所述将特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移，具体为：
设流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移为
Figure BDA0003340665990000031
接收机天线的总数为N，则：
Figure BDA0003340665990000032
作为优选，步骤4所述解算得到该流星事件中流星尾迹的径向漂移速度，具体为：
设流星事件中流星尾迹的径向漂移速度为Vr，雷达探测波的波长为λ，则
Figure BDA0003340665990000033
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
解算得到的流星尾迹径向漂移速度精度较高；
解算流星尾迹径向漂移速度所需的耗时更短；
消除了2π模糊对流星尾迹径向漂移速度求解的影响；
较好地抑制了其他空间事件回波和流星飞行速度对流星尾迹径向漂移速度求解的影响；
该方法可广泛应用于空间探测和空间物理等相关行业。
附图说明
图1：为本发明方法流程示意图；
图2：为平均多普勒频移复信号的频率谱示意图；
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
为了克服现有技术的局限，本发明提出一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法。该方法根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积，得到平均多普勒频移复信号；根据得到的平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到该平均多普勒频移复信号的频率谱；根据平均多普勒频移复信号的频率谱，从中找到特征频率，再将该特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移；根据得到的多普勒频移和它与该流星事件对应的流星尾迹径向漂移速度之间的线性关系，解算得到该流星事件中流星尾迹的径向漂移速度。本发明较好地提高了流星尾迹径向漂移速度的计算精度，降低了计算所需的时间。
本发明的实施例是对信噪比为20dB的一个模拟流星尾迹回波信号径向漂移速度，这里预先设定为29.70m/s的求解，具体步骤如下：
步骤1，根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积得到平均多普勒频移复信号；
步骤1所述根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积得到平均多普勒频移复信号，具体为：
设流星雷达所部署的第k个接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号为Sk；N＝5表示接收机天线的总数；
设所述平均多普勒频移复信号为S*，则
Figure BDA0003340665990000041
k∈[1,N]
步骤2，对平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号得到平均多普勒频移复信号的频率谱；
步骤2所述对平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号得到平均多普勒频移复信号的频率谱，具体为：
设平均多普勒频移复信号为S*的频率谱为Y，则
Figure BDA0003340665990000042
步骤3，从平均多普勒频移复信号的频率谱中搜索特征频率，将特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移；
步骤3所述从平均多普勒频移复信号的频率谱中搜索特征频率，具体为：
设平均多普勒频移复信号的频率谱Y的特征频率为f*，则
f*＝fargmax(Y)
其中，fargmax(Y)为频率谱Y振幅最大值所对应的频率；
这里解得fargmax(Y)＝34.00Hz；
这里的平均多普勒频移复信号的频率谱图像和它的特征频率如图2所示；
从图2中可以看出该算法有效规避了2π模糊对解算过程的影响；
步骤3所述将特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移，具体为：
设流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移为
Figure BDA0003340665990000051
接收机天线的总数为N＝5，则
Figure BDA0003340665990000052
这里解得
Figure BDA0003340665990000053
步骤4，根据流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移以及流星事件对应的流星尾迹径向漂移速度之间的线性关系，解算得到流星事件中流星尾迹的径向漂移速度。
步骤4所述根据步骤所述流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移以及流星事件对应的流星尾迹径向漂移速度之间的线性关系，，解算得到流星事件中流星尾迹的径向漂移速度，具体为：
设该流星事件中流星尾迹的径向漂移速度为Vr，雷达探测波的波长为λ，这里λ＝8.73m，则
Figure BDA0003340665990000054
解得Vr＝29.69m/s，与预设的径向漂移速度相差0.01m/s，计算耗时5.07×10-3s；
作为对比，使用传统方法，
解得Vr＝29.40m/s，与预设的径向漂移速度相差0.30m/s，计算耗时2.23×10-2s；
综上可得本方法在实施例中具有更高的计算精度和更快的计算速度。
具体实施时，本发明可采用计算机软件技术实现自动运行流程。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积得到平均多普勒频移复信号；
步骤2，对平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号得到平均多普勒频移复信号的频率谱；
步骤3，从平均多普勒频移复信号的频率谱中搜索特征频率，将特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移；
步骤4，根据流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移以及流星事件对应的流星尾迹径向漂移速度之间的线性关系，解算得到流星事件中流星尾迹的径向漂移速度。
2.根据权利要求1所述的MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法，其特征在于，步骤1所述根据流星雷达所部署的所有接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号的复数乘积得到平均多普勒频移复信号，具体为：
设流星雷达所部署的第k个接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号为Sk；N表示接收机天线的总数；
步骤1所述平均多普勒频移复信号为：
Figure FDA0003340665980000011
k∈[1，N]。
3.根据权利要求1所述的MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法，其特征在于，步骤2所述对平均多普勒频移复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号得到该平均多普勒频移复信号的频率谱，具体为：
设平均多普勒频移复信号为S*的频率谱为Y，则
Figure FDA0003340665980000012
4.根据权利要求1所述的MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法，其特征在于，步骤3所述从平均多普勒频移复信号的频率谱中搜索特征频率为：
设平均多普勒频移复信号的频率谱Y的特征频率为f*，则
f*＝fargmax(Y)
其中，fargmax(Y)为频率谱Y振幅最大值所对应的频率；
步骤3所述将特征频率除以接收机天线数，定义为流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移，具体为：
设流星尾迹径向漂移速度所对应的多普勒频移为
Figure FDA0003340665980000021
接收机天线的总数为N，则：
Figure FDA0003340665980000022
5.根据权利要求1所述的MLT区域流星尾迹径向漂移速度的解算方法，其特征在于，步骤4所述解算得到该流星事件中流星尾迹的径向漂移速度，具体为：
设流星事件中流星尾迹的径向漂移速度为Vr，雷达探测波的波长为λ，则
Figure FDA0003340665980000023
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