CN114488060B - 一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法。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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱；根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率；截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差。本发明有效缩短了高精度的接收机间的相差的解算时间。

Description

一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法

技术领域

本发明涉及空间探测技术领域，具体涉及一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法。

背景技术

中高层大气复杂的动力学过程深刻地影响着全球空间环境的变化，因而一直为众多学者所关注。中高层大气对流星烧蚀电离形成的等离子体尾迹的漂移影响，构成了基于流星探测的中高层大气测风雷达探测MLT区域(upper Mesosphereand LowerThermosphere，中间层顶和低热层区域)大气动力学过程的重要基石。这样的探测需要对每一颗流星构建与其天顶角、方位角和径向漂移速度有关的线性方程组，并按照高度和时间进行有序的分类后再拟合求解。对于如何求解天顶角和方位角，不同的设备有不同的方案：使用窄波束雷达可以简单地确定流星尾迹的方向，但是窄波束雷达探测得到的流星数量特别少，从而对于很多时空窗而言难以构建足够的线性方程组以求解对应的风场；全天空雷达可以探测数量更多的流星事件，但是确定流星尾迹的方向需要对不同接收机天线间回波信号相差的精准确定。

国际上主流的求解回波信号相差的方法是通过计算不同接收机复信号之间的互相关函数来实现的，这种方法有效地反演了流星尾迹的测量精度在2°以内的天顶角和方位角。然而，即便是采用这种方法，仍然存在一个问题：大量的流星回波复信号数据的互相关计算过于消耗计算资源，从而造成相对较长的计算耗时。为了更好更快地测得流星尾迹的天顶角和方位角，需要对不同接收机间的相差进行新的耗时更短的高精度解算方法。但是目前尚未有成熟的、耗时更短的高精度雷达接收机间相差的解算方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的技术缺陷,提供一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法,以对测风雷达接收机间流星回波信号的相差进行高精度的快速解算。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案为一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法，包括以下步骤：

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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱；

步骤2，根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率；

步骤3，截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差；

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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，具体为：

设流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号为S_k；N表示接收机天线的总数；通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，有：

k∈[1,N]

作为优选，步骤1所述得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，具体为：

设流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号所对应的同一流星事件的复信号的频率谱为Y_k，则

k∈[1,N]

作为优选，步骤2所述根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率，具体为：设Y_k的特征频率为

则

k∈[1,N]

其中，

为频率谱Y_k振幅最大值所对应的频率；N表示接收机天线的总数，Y_k为流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号所对应的频率谱。

作为优选，步骤3所述的截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，具体为：

设所截取的一定谱宽范围为f_cut，序号为k的接收机对应谱宽范围内的复信号频率谱为Y_k,cut，则

k∈[1,N]

表示频率范围为

时Y_k的值。

作为优选，步骤3所述按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差，具体为：

设对于序号为j的接收机，同样的有

j∈[1,N],j≠k

其中，Y_j为流星雷达所部署的序号为j的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号S_j所对应的频率谱,

为Y_j的特征频率，Y_j,cut为序号为j的接收机 对应谱宽范围内的复信号频率谱，

表示频率范围为

时Y _j的值。

设序号为k的接收机和序号为j的接收机在对应谱宽范围内的复信号频率谱的互相关函数为xCorr_k,j,则

其中，

表示频率为

时，Y_k的值；

表示频率为

时Y_j的共轭值；

设序号为k的接收机和序号为j的接收机之间的相差为ΔΦ_k,j，有

ΔΦ_k,j＝angle(xCorr_k,j)

其中，angle()为对复数求相位的函数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

减小了互相关运算的计算次数；

缩短了高精度相差的计算时间；

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：为序号为3的接收机对应同一流星回波事件的复信号频率谱示意图；

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，本发明提出一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法。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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱；根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率；截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，按照接收机序号两两之间做互相关解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差。本发明减小了互相关运算的计算次数，较好地提高了流星回波信号在测风雷达接收机间相差的计算速度。

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在序号为5的接收机和序号为3的接收机间相差(这里预先设定为2πrad)的求解，本发明方法实施流程示意图如图1所示，一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法，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 波复信号通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到所有接收机采集的对 应同一流星事件的复信号的频率谱；

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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，具体为：

设流星雷达所部署的序号为k＝3的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号为S_k；N＝5表示接收机天线的总数；通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，有：

k∈[1,N]

步骤1所述得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，具体为：

设流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号所对应的频率谱为Y_k，则

k∈[1,N]

步骤2，根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率；

步骤2所述根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率，具体为：设Y_k的特征频率为

则

k∈[1,N]

其中，

为频率谱Y_k振幅最大值所对应的频率；N＝5表示接收机天线的总数，Y_k为流星雷达所部署的序号为k＝3的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号所对应的频率谱；

步骤3，截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差；

步骤3所述的截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，具体为：

设所截取的一定谱宽范围为f_cut＝2.5Hz，序号为k＝3的接收机对应谱宽范围内的复信号频率谱为Y_k,cut，则

k∈[1,N]

表示频率范围为

时Y_k的值。序号为3的接收机对应同一流星回波事件的复信号的频率谱如图2所示，图中星号‘*’和圆圈‘o’中间的部分为所截取的一定谱宽范围。

作为优选，步骤3所述按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差，具体为：

设对于序号为j＝5的接收机，同样的有

j∈[1,N],j≠k

其中，Y_j为流星雷达所部署的序号为j＝5的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号S_j所对应的频率谱,

为Y_j的特征频率，Y_j,cut为序号为j＝5的接收机对应谱宽范围内的复信号频率谱，

表示频率范围为

时Y_j的值。

设序号为k＝3的接收机和序号为j＝5的接收机在对应谱宽范围内的复信号频率谱的互相关函数为xCorr_k,j,则

其中，

表示频率为

时，Y_k的值；

表示频率为

时Y_j的共轭值；

设序号为k＝3的接收机和序号为j＝5的接收机之间的相差为ΔΦ_k,j，有

ΔΦ_k,j＝angle(xCorr_k,j)

其中，angle()为对复数求相位的函数。

解得ΔΦ_k,j误差在精度要求范围内，计算耗时2.19×10^-3s；

作为对比，使用传统方法，

解得ΔΦ_k,j误差在精度要求范围内，计算耗时4.72×10^-3s；

综上可得本方法在实施例中可以较高计算速度解算得到序号为3和序号为5的接收机对同一流星回波事件的相差。

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 (1)

1.一种流星回波信号在测风雷达接收机间相差的解算方法，其特征在于，包括以下步骤：

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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱；

步骤2，根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率；

步骤3，截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差；

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通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，具体为：

设流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号为S_k；N表示接收机天线的总数；通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，有：

k∈[1,N]

步骤1所述得到所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，具体为：

设流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号所对应的频率谱为Y_k，则

k∈[1,N]

步骤2所述根据所有接收机采集的对应同一流星事件的复信号的频率谱，从中找到所有接收机对应同一流星事件的各自的特征频率，具体为：

设Y_k的特征频率为

则

k∈[1,N]

其中，

为频率谱Y_k振幅最大值所对应的频率；N表示接收机天线的总数，Y_k为流星雷达所部署的序号为k的接收机天线接收到的同一流星事件的回波复信号所对应的频率谱；

步骤3所述的截取每个接收机在各自的特征频率前后一定谱宽范围内的复信号频率谱，具体为：

设所截取的一定谱宽范围为f_cut，序号为k的接收机对应谱宽范围内的复信号频率谱为Y_k,cut，则

k∈[1,N]

表示频率范围为

时Y _k的值；

步骤3所述按照接收机序号两两之间做互相关即可解算得到流星回波信号在对应序号的测风雷达接收机之间的相差，具体为：

设对于序号为j的接收机，同样的有

j∈[1,N],j≠k

其中，Y_j为流星雷达所部署的序号为j的接收机天线接收到的对应同一流星事件的回波复信号S_j所对应的频率谱,

为Y_j的特征频率，Y_j,cut为序号为j的接收机对应谱宽范围内的复信号频率谱，

表示频率范围为

时Y_j的值；

设序号为k的接收机和序号为j的接收机在对应谱宽范围内的复信号频率谱的互相关函数为xCorr_k,j,则

其中，

表示频率为

时，Y_k的值；

表示频率为

时Y_j的共轭值；

设序号为k的接收机和序号为j的接收机之间的相差为ΔΦ_k,j，有

ΔΦ_k,j＝angle(xCorr_k,j)

其中，angle()为对复数求相位的函数。

Images