CN114545357A - 一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电离层探测技术，具体涉及一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，该方法包括利用垂测仪以扫频或定频观测方式向垂直上方的Es层发射具有一个较窄带宽的经编码调制的短波探测信号，截取回波有效部分，针对每个探测频率的每次探测单独采用谱估计方法进行高分辨率成像，实现Es层内部结构和运动过程的高精度观测。该方法不需额外设备与硬件成本可大幅提高Es层观测的距离分辨率，相较于传统的相干累积技术或利用多频干涉技术进行的高分辨率成像，该方法不必需高次数的重复探测以实现能量累积或利用多频点回波数据进行联合运算，在拥有很高的距离分辨率同时，提高了时间分辨率，便于观测Es层内部的短时剧烈变化。
Description
技术领域
本发明属于电离层探测技术领域，特别涉及一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法。
背景技术
电离层Es层是E层内的一种常见的厚度较薄的不均匀结构形式，主要发生于90-130km的高度上。因其发生规律尚难以掌握且并非时刻出现，因此通常被称作“偶发E层”(Es层)。现有的研究成果已经表明Es层内部存在着复杂的内部结构与运动过程，在高度分布上可能是薄而致密的薄层，也可能存在着弥散嵌入的小型不均匀体，在水平方向上也可能存在着电子密度分布的不连续性。
Es层的内部结构的形成与运动过程可同时受流星分布、重力波与潮汐波的调制作用，体现了多种物理现象过程与内在机制的耦合关系，因此也一直电离层物理学研究的热点问题之一。而在工程实践上，因为Es层高度范围分布较小、厚度较薄，电子密度较高，可对短波信号进行强烈的散射与反射作用，其内部结构与运动过程的高分辨率观测对于短波通信、超视距雷达探测、辐射源定位、短波信道特征研究等方向有着重要的参考价值。
目前，对于Es层的高分辨率观测主要依托于非相干散射雷达或超短波相干散射雷达进行，但均需较大的天线阵列与极高的发射功率，建设困难不便于移动。而电离层垂测仪作为一种历史悠久的最为常用的观测仪器，因其成本低廉且结构简单，可进行广泛的布设与长期的连续观测，但受限于其公里级别的距离分辨率，难以识别Es层内部精细结构的特征与短时运动过程。
对于提高垂测仪距离分辨率的方法，其中一个方向为降低垂测仪探测信号的脉冲宽度，这意味着对系统带宽要求的提高与发射功率的增加，实现较为困难；另一种为利用多个临近频率之间的信号相干性，采用多频相干技术进行高分辨率成像，但却需要很小的发射频率间隔以及多个频率回波数据的综合运算，在每个频点也需进行较多次数的重复探测以获取较高的信号快拍数，时间分辨率较低；而此外，采用频分复用的多载波技术也是一种可行的方法，但距离分辨率提高能力有限，且要求针对多个不同频带的信号进行匹配滤波，硬件与软件要求均较高。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：包括利用垂测仪以扫频观测或定频观测的方式向垂直上方的Es层发射窄带宽经编码调制的短波探测信号，采用谱估计方法，对每一频率的每次探测进行高分辨率距离成像，获取Es层定频或扫频的垂测电离图；包括以下步骤：
步骤1、针对Es层确定采用扫频观测方式或定频观测方式，设定频点探测次数并确定信号编码长度、发射占空比；
步骤2、配置垂测仪，按步骤1所确定的编码调制方式与发射参数进行Es层探测，获取回波信号数据；
步骤3、截取每一载频的回波有效数据；
步骤4、求取单载频的有效回波数据与探测信号编码调制编码序列的互谱；
步骤5、将互谱划分为带有重叠的若干子带，并构造频率矩阵；
步骤6、针对频率矩阵采用谱估计方法按所需距离分辨率计算距离伪谱，实现Es层的高分辨率成像；
步骤7、将距离伪谱按顺序排列得到扫频或定频的Es层垂测电离图。
在上述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法中，步骤1所述信号编码长度引起的探测盲区低于80km、发射占空比与信号编码长度所共同决定的最大探测距离大于150km。
在上述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法中，步骤3所述截取每一载频的回波有效数据范围为探测盲区之外至最大探测距离。
在上述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法中，步骤S5所述互谱划分若干子带时，子带频率间距、各子带序列长度、信号带宽和最大探测范围满足以下关系：
1）最大探测距离L，在截取掉盲区长度L B 后，信号序列采样长度为
，r 0为
原始的距离分辨率；与探测调制码序列进行互相关运算并求从零延时处开始截取至相关序
列结尾共
个数据点，进行傅里叶变换得到互谱，互谱序列长度亦为
，互谱序列为：
2）带宽为B的窄带信号与本地码的互谱序列中相邻两个频率分量的间隔为：
以
作为各子带间的频率间隔，从互谱的第一个频率分量开始，将互谱进行划分
并重构频率矩阵：
其中，N为子带数量，
；
3）对Es层进行探测的初始距离分辨率为：
对Es层进行探测的信号带宽为：
其中，
为某探测频率调制信号的调制编码的每一个码片时长；
4）来自径向距离
的目标回波，与调制码序列的互谱的
相邻频率间相位关系满足下式：
其中， 
，
，c为光速。
在上述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法中，步骤6所述采用谱估计方法按所需距离分辨率获得伪谱包括以下步骤：
1）利用频率矩阵F计算接收信号与调制序列互谱的各频率分量的协方差矩阵R f ：
其中，上标H表示矩阵共轭转置；
2）按所需距离分辨率的提升倍数K，构造导引矩阵：
其中，相位斜率向量为：
3）利用Capon算法，求分辨率为
的距离维伪谱：
4）将每一频率的单次Es层观测的距离分辨率提升K倍，得到该频率下的高分辨率成像。
在上述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法中，得到步骤7所述扫频或定频的Es层垂测电离图方法如下：
采用扫频观测方式时，将各频率每次探测所得到的伪谱进行求和并按频率顺序排列，得到高距离分辨率的扫频的Es层垂测电离图；
采用定频观测方式时，将每次探测所得到的成像结果按时间进行排列，得到高分辨率的定频的Es层垂测电离图。
与现有技术相比，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，利用窄带信号经同一片Es层区域反射的回波数据与调制码序列运算所得的互谱中的各频率分量间存在线性相位关系，针对每个探测频率的每次探测单独采用谱估计方法进行高分辨率成像，可大幅提高垂测仪针对电离层Es层观测的距离分辨率，而无需更改硬件配置。
2、本发明基于原垂测仪回波数据经算法处理而大幅提高成像分辨率，无需更改垂测仪探测时序、流程及原本的信号处理方式，具有极强的通用性。
3、采用本发明的子带划分方法可保证不会产生距离成像模糊。
4、本发明可以通过调整子带数量与子带长度，根据需要灵活调整成像效果。
5、本发明可针对单频率，单载波，单次探测数据实现高分辨率成像，不需依赖多频率的干涉、多载波的合成与多次探测的快拍数累积。
6、本发明在提高距离分辨率的同时不降低时间分辨率，因此可以更好地观测Es层内部精细结构的短时演变过程（毫秒级），利与展开针对其物理机制的深入研究。
7、本发明仅采用常规的垂测仪系统，不需额外设备与硬件成本可大幅提高Es层观测的距离分辨率，相较于传统的相干累积技术或利用多频干涉技术进行的高分辨率成像，本发明不需高次数的重复探测以实现能量累积或利用多频点回波数据进行联合运算，在拥有很高的距离分辨率同时，相较现有方法也大大提高了时间分辨率，便于观测Es层内部的短时剧烈变化。
附图说明
图1为本发明一个实施例基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法原理示意图；
图2为本发明一个实施例进行Es层垂直高分辨探测的步骤示意图；
图3（a）为本发明一个实施例距离分辨率为3.84km的Es层扫频电离图示例图；
图3（b）为本发明一个实施例距离分辨率为384m的Es层扫频电离图示例图；
图4（a）为本发明一个实施例距离分辨率为3.84km的Es层扫频电离图O波与X波示意图；
图4（b）为本发明一个实施例距离分辨率为384m的Es层扫频电离图O波与X波示意图；
图5（a）为本发明一个实施例距离分辨率为3.84km的扫频Es层电离图示例图；
图5（b）为本发明一个实施例将信号带宽划分为32个子带距离分辨率为384m的扫频Es层电离图示例图；
图5（c）为本发明一个实施例将信号带宽划分为64个子带距离分辨率为384m的扫频Es层电离图示例图；
图5（d ）为本发明一个实施例将信号带宽划分为128个子带距离分辨率为384m的扫频Es层电离图示例图；
图6（a）为本发明一个实施例距离分辨率为3.84km的定频Es层电离图中能量强度随时间的变化示意图；
图6（b）为本发明一个实施例距离分辨为384m的定频Es层电离图中Es层距离伪谱强度随时间变化示意图；
图7（a）为本发明一个实施例距离分辨率为3.84km的定频Es层电离图中Es层内部结构运动示意图；
图7（b）为本发明一个实施例距离分辨为384m的定频Es层电离图中Es层内部结构运动合并过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例提供了一种基于互谱分析的电离层Es层高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并在不降低观测时间分辨率的前提下，可大幅提高Es层垂直观测的距离分辨率，有利于研究Es层内部精细结构与短时运动过程。
本实施例采用垂测仪进行电离层Es层垂直探测，利用窄带内经同一片Es层区域反射的回波数据与调制码序列运算所得的互谱中的各频率分量间存在线性相位关系，针对每个探测频率的每次探测单独使用谱估计方法进行高分辨率成像，实现基于互谱分析的Es层内部结构和运动过程的高精度探测的方法。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，利用垂测仪采用定频或扫频观测的方式向垂直上方的Es层发射具有一个较窄带宽并经编码调制的短波探测信号，然后利用同一片Es层回波信号在一个较小带宽内与调制编码的互谱的各频率分量间具有与信号传播距离成正比的固定相位关系，采用谱估计方法，对每一频率的每次探测进行高分辨率距离成像，获取Es层定频或扫频的垂测电离图，不受重复探测次数与载波数量限制。具体步骤如下：
S1，针对Es层确定所需的观测模式为扫频模式还是定频模式，设定频点探测次数并确定信号编码长度、发射占空比。
S2，配置垂测仪按S1所确定的编码调制方式与发射参数进行Es层探测，获取回波信号数据；
S3，截取每一载频的回波有效数据；
S4，求取单载频的有效回波数据与设定的探测信号编码调制所用码序列的互谱；
S5，将利用单载频信号所得的互谱划分为相互部分重叠且间距相等的若干子带，并构建为一个频率矩阵；
S6，利用各子带之间的相位差固定且与目标距离成正比的关系，针对各频率每次探测得到的回波数据所构造的频率矩阵，采用谱估计方法按所需距离分辨率获得伪谱，从而实现对Es层的高分辨率观测成像。
S7，若采用扫频的方式则将各频率每次探测所得到的伪谱进行求和并按频率顺序排列，得到高距离分辨率的扫频垂测电离图；若采用定频方式则将每次探测所得到的成像结果按时间进行排列，得到高分辨率定频电离图。
并且，在S1中，对信号进行编码调制的码序列长度引起的探测盲区低于80km、发射占空比与信号编码长度共同决定的最大探测距离大于150km。
并且，在S3中，截取的有效信号范围为探测盲区之外至最大探测范围。
并且，在S5中，针对单载频回波信号所得互谱进行子带划分时，子带频率间距、各子带序列长度、信号带宽和最大探测探测范围之间应具备如下关系：
若最大探测距离为L，在截取掉盲区长度L B 后，信号序列采样长度为
，r 0
为原始的距离分辨率；与探测调制码序列进行互相关运算并求从零延时处开始截取至相关
序列结尾共
个数据点，进行傅里叶变换得到互谱，互谱序列长度亦为
，互谱序列为：
对于带宽为B的窄带信号来说，信号与本地码的互谱序列中相邻两个频率分量的间隔为：
以
作为各子带间的频率间隔，从互谱的第一个频率分量开始，将互谱进行划分
并重构频率矩阵：
其中N为子带数量，
，子带数量可根据信号信噪比与预期成像效果进行
调整。
这样划分的原因在于，对于某一探测频率的调制信号，其调制编码的每一个码片
时长
，这就决定了对Es层进行探测的初始距离分辨率与信号带宽分别为式(4)和式(5)：
c为光速，对于来自于径向距离为
的目标回波来说，其
与调制码序列的互谱的相邻频率间的相位关系满足式(6)：
由于
，因此
，即只有采用式(3)的矩阵构造方法，矩阵F的相
邻行向量即相邻子带间的对应频率分量的相位差与目标径向距离成正比且不会产生整周
模糊。
并且，在S6中，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离伪谱的方法为；
首先利用频率矩阵F计算接收信号与调制序列互谱的各频率分量的协方差矩阵R f ：
其中，上标H表示矩阵共轭转置。
然后按所需距离分辨率的提升倍数K，构造导引矩阵：
其中，相位斜率向量为：
然后，利用Capon算法，求得分辨率为
的距离维伪谱：
将每一频率的单次Es层观测的距离分辨率提升K倍，得到这一频率下的高分辨率成像结果。
并且，由于式(6)已论证各子带向量之间的相位差固定且与距离成正比并不会产
生整周模糊，因此式(10)所求得的距离伪谱也不会产生距离模糊，因为式(10)在本质上既
是对
的估计，即对互谱进行各频率分量的相位分析。
并且，可根据需要通过调整子带划分数量折衷频率矩阵的行列纬度来调整成像效果，这是因为在采样数据长度固定的情况下，通过调整子带划分数量即调整导引向量维度与协方差矩阵的准确度，实现调整成像的对比度和分辨能力。
并且，对于扫频探测模式，将每个频率多次探测所得成像结果进行保留相位信息的复数求和并将其作为每个频率的最终成像结果。对于定频探测或需考察扫频中某一频率的各次探测结果变化情况，需将计算所得伪谱进行归一化处理后，按时间顺序排列以考察其短时变化情况。
并且，对伪谱进行归一化的处理，可在考察Es层内部结构变化所引起的信号能量变化时采用全局归一化处理，而在考察Es层内部结构运动时对每次探测的成像结果进行独立的归一化处理。
具体实施时，如图1所示，利用垂测仪以扫频或定频观测方式向垂直上方的Es层发射具有一个较窄带宽的经编码调制的短波探测信号，截取回波有效部分后，利用窄带内经同一片Es层区域反射的回波数据与调制码序列运算所得的互谱中的各频率分量间存在线性相位关系，针对每个探测频率的每次探测单独采用谱估计方法进行高分辨率成像，实现Es层内部结构和运动过程的高精度观测，受重复探测次数与载波数量限制。
如图2所示，本实施例包括以下步骤：
（1）针对Es层确定所需的观测模式为扫频模式还是定频模式，设定频点探测次数并确定信号编码长度、发射占空比。
需要说明的是，对信号进行编码调制的码序列长度引起的探测盲区低于80km、发射占空比与信号编码长度共同决定的最大探测距离大于150km。
（2）配置垂测仪按步骤（1）所确定的编码调制方式与发射参数进行Es层探测，获取回波信号数据；
（3）截取每一载频的回波有效数据；
需要说明的是，此时回波有效数据范围为探测盲区之外的信号序列。
（4）求取单载频的有效回波数据与设定的探测信号编码调制所用码序列的互谱；
（5）将利用单载频信号所得的互谱划分为相互部分重叠且间距相等的若干子带，并构造为一个频率矩阵；
需要说明的是，在针对单载频回波信号所得互谱进行子带划分时，其各子带频率间距、各子带序列长度、信号带宽和最大探测探测范围之间应具备的关系及频率矩阵构造方法如下；
若最大探测距离L，在截取掉盲区长度L B 后，信号序列采样长度为
，r 0为
原始的距离分辨率；与探测调制码序列进行互相关运算并求从零延时处开始截取至相关序
列结尾共
个数据点，进行傅里叶变换得到互谱，互谱序列长度亦为
，互谱序列可以为：
对于带宽为B的窄带信号来说，信号与本地码的互谱序列中相邻两个频率分量的间隔为：
本实施例以
作为各子带间的频率间隔，从互谱的第一个频率分量开始，将互谱
进行划分并重构频率矩阵：
其中，N为子带数量，
，可根据信号信噪比与预期成像效果进行调整。
在实际实施中，根据需要通过调整子带划分数量折衷频率矩阵的行列维度，实现调整成像效果。
（6）利用各子带之间的相位差固定且与目标距离成正比的关系，针对利用对各频率每次探测得到的回波数据所构造的频率矩阵采用谱估计方法按所需距离分辨率获得伪谱，从而实现对Es层的高分辨率观测成像。
需要说明的是，采用谱估计的方法获取所需分辨率的距离伪谱的方法为；
首先利用步骤（5）的方法得到的频率矩阵计算接收信号与调制序列互谱的各频率分量的协方差矩阵R f ：
其中，上标H表示矩阵共轭转置。
然后按所需距离分辨率的提升倍数K，构造导引矩阵如式(5)：
其中，相位斜率向量为式(6)：
然后，利用Capon算法，求得分辨率为
的距离维伪谱：
从而将每一频率的单次Es层观测的距离分辨率提升K倍，得到这一频率下的高分辨率成像结果。
在扫频模式下，可将每个频率多次探测所得成像结果进行保留相位信息的复数求和并将其作为每个频率的最终成像结果。
（7）若采用扫频探测的方式则将各频率每次探测所得到的伪谱进行求和并按频率顺序排列，得到高距离分辨率的扫频垂测电离图；对于定频探测方式则将每次探测所得到的成像结果按时间进行排列，得到高分辨率定频电离图。
需要说明的是，对于定频探测或需考察扫频中某一频率的各次探测结果变化情况，需将计算所得伪谱进行归一化处理后，按时间顺序排列以考察其短时变化情况。
此外，还需要说明的是，对伪谱进行归一化处理可在考察Es层内部结构变化所引起的信号能量变化时采用全局归一化处理，而在考察Es层内部结构运动时对每次探测的成像结果进行独立的归一化处理。
如图3（a）所示，距离分辨率为3.84km的Es层扫频观测实例，对于一个看起来弥散的Es层，在4-6.5MHz范围内可以得到反射回波，其虚高分布在110-125km的范围内，初始距离为3.84km，难以观测到其内部的精细结构。而当利用本实施例处理方法截取100km高度以上的回波数据，共200个采样数据点，构造128阶频率矩阵，进行高分辨率成像将距离发分辨率提高10倍，使其达到384m，如图3（b）所示，显现了Es层的内部多层结构；显然Es层的成像细节更为清晰，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4-4.5MH的范围内存在着间距约10km的双层结构，在4.5-5MHz内则可以看到信号的反射虚高随频率的升高而下降，在5-6.5MHz的范围内，反射虚高基本稳定，虚高仅存在着随着频率的微弱降低，且在5.5-6.5MHz的范围内可以观察到明显得双层结构，达到了预期效果。
如图4（a）所示，距离分辨率为3.84km的Es层扫频电离图O波与X波示意图，对于一个可能是高度弥散并在两个频率上存在回波能量峰值的Es层，在3.84km的距离分辨率下，在4-6MHz的范围内，信号回波扭结在一起，O波与X波无法区分。将距离分辨率提高10倍后，如图4（b）所示，可以看出此时回波信号是明显的两段分别为4-4.5MHz与5-6MHz，Es层并未发散，两个能量峰值分别对应着O波与X波两种回波模式，O波与X波可以清晰分辨，达到了预期效果。
如图5（a）所示，距离分辨率为3.84km的扫频Es层电离图；通过改变子带划为32、64与128个子带以使频率矩阵阶数分别为32、64与128，可以改变成像效果，如图5（b）、图5（c）图5（d）所示。随着将互谱划分为更多的子带，成像效果逐步改善，在128个子带的情况下，在384m的距离分辨率下，在4.5-5.5MHz的频段内，Es层甚至可以被观测到意思三层的结构特征，达到了预期效果。
如图6（a）所示，距离分辨率为3.84km的定频Es层电离图中能量强度随时间的变化示意图，对于一个定频探测，探测中心频率为5.04MHz，单次探测时间为16.384ms，可将其高分辨率距离伪谱按时间顺序排列，体现了能量强度随时间的变化但却难以观测到细节。如图6（b）所示，对比3.84km的距离分辨率电离图，可以看出在提高距离分辨率至384m并在全局归一化处理下可观测到：短时内Es层的回波能量强度与反射虚高（径向距离）存在着近似周期性起伏的现象，这可能意味着此时Es层受某种波动调制作用，体现了Es层距离伪谱强度随时间变化，在距离与强度上具有周期性特点，达到了预期效果。
如图7（a）所示，距离分辨率为3.84km的定频Es层电离图中Es层内部结构运动示意图，难以观测到Es层内部结构的运动细节；对于一个定频探测，探测中心频率为4.4MHz，可将其高分辨率距离伪谱按时间顺序排列，对比3.84km的距离分辨率电离图，如图7（b）所示，可以看出在提高距离分辨率至384m并针对每次探测进行独立归一化处理后可观测到：看似均一稳定的单层Es层内部实际存在着两层结构，并且在3s内，上层结构向下漂移与下层结构实现了汇聚，体现了Es层内部结构运动，显示了多层合并过程，达到了预期效果。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：包括利用垂测仪以扫频观测或定频观测的方式向垂直上方的Es层发射窄带宽经编码调制的短波探测信号，采用谱估计方法，对每一频率的每次探测进行高分辨率距离成像，获取Es层定频或扫频的垂测电离图；包括以下步骤：
步骤1、针对Es层确定采用扫频观测方式或定频观测方式，设定频点探测次数并确定信号编码长度、发射占空比；
步骤2、配置垂测仪，按步骤1所确定的编码调制方式与发射参数进行Es层探测，获取回波信号数据；
步骤3、截取每一载频的回波有效数据；
步骤4、求取单载频的有效回波数据与探测信号编码调制编码序列的互谱；
步骤5、将互谱划分为带有重叠的若干子带，并构造频率矩阵；
步骤6、针对频率矩阵采用谱估计方法按所需距离分辨率计算距离伪谱，实现Es层的高分辨率成像；
步骤7、将距离伪谱按顺序排列得到扫频或定频的Es层垂测电离图。
2.根据权利要求1所述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：步骤1所述信号编码长度引起的探测盲区低于80km、发射占空比与信号编码长度所共同决定的最大探测距离大于150km。
3.根据权利要求2所述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：步骤3所述截取每一载频的回波有效数据范围为探测盲区之外至最大探测距离。
4.根据权利要求1所述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：步骤S5所述互谱划分若干子带时，子带频率间距、各子带序列长度、信号带宽和最大探测范围满足以下关系：
1）最大探测距离L，在截取掉盲区长度L B 后，信号序列采样长度为
， r 0为原始的
距离分辨率；与探测调制码序列进行互相关运算并求从零延时处开始截取至相关序列结尾共
个数据点，进行傅里叶变换得到互谱，互谱序列长度亦为
，
互谱序列为：
2）带宽为B的窄带信号与本地码的互谱序列中相邻两个频率分量的间隔为：
以
作为各子带间的频率间隔，从互谱的第一个频率分量开始，将互谱进行划分并重
构频率矩阵：
其中，N为子带数量，
；
3）对Es层进行探测的初始距离分辨率为：
对Es层进行探测的信号带宽为：
其中，
为某探测频率调制信号的调制编码的每一个码片时长；
4）来自径向距离
的目标回波，与调制码序列的互谱的相邻
频率间相位关系满足下式：
其中， 
，
，c为光速。
5.根据权利要求4所述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：步骤6所述采用谱估计方法按所需距离分辨率获得伪谱包括以下步骤：
1）利用频率矩阵F计算接收信号与调制序列互谱的各频率分量的协方差矩阵R f ：
其中，上标H表示矩阵共轭转置；
2）按所需距离分辨率的提升倍数K，构造导引矩阵：
其中，相位斜率向量为：
3）利用Capon算法，求分辨率为
的距离维伪谱：
4）将每一频率的单次Es层观测的距离分辨率提升K倍，得到该频率下的高分辨率成像。
6.根据权利要求1所述基于互谱分析的电离层Es层高分辨率垂直探测方法，其特征在于：得到步骤7所述扫频或定频的Es层垂测电离图方法如下：
采用扫频观测方式时，将各频率每次探测所得到的伪谱进行求和并按频率顺序排列，得到高距离分辨率的扫频的Es层垂测电离图；
采用定频观测方式时，将每次探测所得到的成像结果按时间进行排列，得到高分辨率的定频的Es层垂测电离图。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5230076A (en) * | 1984-10-30 | 1993-07-20 | The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland | Ionospheric sounding |
| EP1634095A2 (en) * | 2003-05-22 | 2006-03-15 | General Atomics | Ultra-wideband radar system using sub-band coded pulses |
| CN106597405A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-04-26 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统 |
| CN107632323A (zh) * | 2017-08-08 | 2018-01-26 | 西安电子科技大学 | 用于电离层f探测的雷达回波信号处理方法 |
| CN110850384A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-02-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法 |
| CN113376631A (zh) * | 2021-08-11 | 2021-09-10 | 武汉大学 | 一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法 |
| CN113777603A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-12-10 | 哈尔滨工业大学（威海） | 海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统 |
-
2022
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5230076A (en) * | 1984-10-30 | 1993-07-20 | The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland | Ionospheric sounding |
| EP1634095A2 (en) * | 2003-05-22 | 2006-03-15 | General Atomics | Ultra-wideband radar system using sub-band coded pulses |
| CN106597405A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-04-26 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种基于多载波信号形式的电离层探测方法及系统 |
| CN107632323A (zh) * | 2017-08-08 | 2018-01-26 | 西安电子科技大学 | 用于电离层f探测的雷达回波信号处理方法 |
| CN110850384A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-02-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法 |
| CN113376631A (zh) * | 2021-08-11 | 2021-09-10 | 武汉大学 | 一种电离层Es层的超分辨率垂直探测方法 |
| CN113777603A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-12-10 | 哈尔滨工业大学（威海） | 海洋和电离层一体化探测接收系统控制及信号处理系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| TONGXIN LIU 等: "Design of Multifunctional Mesosphere-Ionosphere Sounding System and Preliminary Results", 《SENSORS》 * |
| 刘松: "基于子空间的宽带短波探测系统窄带干扰抑制技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 信息科技辑》 * |
| 朱瑜红: "一种基于多扫频接收方案的电离层相位失真估计算法", 《科技信息》 * |
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