CN115825938B - 星载天波雷达系统与上电离层探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载天波雷达系统与上电离层探测方法，所述系统包括：天基天波雷达系统和地面数据反演系统，所述天基天波雷达系统包括：星载杆状偶极子天线(10)，用于采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号；雷达信号收发控制模块(20)，用于对所述星载杆状偶极子天线(10)连续发射雷达信号、接收雷达回波信号以及各自的时序进行控制；以及雷达数据处理模块(30)，用于在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据；所述地面数据反演系统包括：电离层参数反演模块(40)，用于对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。本发明可实现大范围、高精度的上电离层散射位置及等离子体密度分布的特征探测。

Description

星载天波雷达系统与上电离层探测方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种星载天波雷达系统与上电离层探测方法。

背景技术

电离层对于人类生产生活以及军事活动都具有重要意义。上电离层为电离层峰值以上的区域，然而，对地球上电离层探测的有效手段的缺乏，限制了上电离层的应用。因此，对上电离层进行大范围高精度探测，并利用探测得到的电离层特征，进行上电离层实时应用是亟需解决的问题。

电离层由大气部分电离形成的等离子体组成，能够反射无线电波。其中，反射电波的频段与等离子体密度、入射角有关。由于地球电离层的等离子体峰值密度一般为10⁶个/cm³，因此对电离层的探测频段为短波波段，一般为10～30MHz。该频段对应的天线发射波束较宽，存在探测空间分辨率低的问题，并且该探测方式无法区分回波信号的相对位置，即仅能通过回波信号时延得到一维信息，无法对回波区域进行准确定位。

正侧视探测方式使得发射波束内不同角度的电磁波到电离层的距离和回波时延单调变化，因此可以通过回波时延区分发射波束探测的电离层位置。BP成像探测方式，能够获取回波的多普勒偏移数据，用以区分回波信号位置。那么这两种探测方式相结合就可以解决上电离层探测过程中，无法确定回波位置的难题。如何利用星载天波雷达对上电离层进行斜视探测，并结合BP成像探测的方式，得到探测范围内高分辨率的上电离层特征，成为亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种星载天波雷达系统与上电离层探测方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种星载天波雷达系统，包括：天基天波雷达系统和地面数据反演系统，所述天基天波雷达系统包括：

星载杆状偶极子天线，用于采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号；

雷达信号收发控制模块，用于对所述星载杆状偶极子天线连续发射雷达信号、接收雷达回波信号以及各自的时序进行控制；以及

雷达数据处理模块，用于在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据；

所述地面数据反演系统包括：

电离层参数反演模块，用于对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。

根据本发明的一个方面，所述星载杆状偶极子天线为数字阵列天线，包含N个阵元，其中的每个阵元均与一个独立的数字收发单元连接，

所述数字收发单元用于数字域调幅和数字域调相，实现天线波束的扫描探测。

根据本发明的一个方面，所述数字收发单元的采样时钟fs的范围为110～160MHz。

根据本发明的一个方面，所述星载杆状偶极子天线垂直于卫星的飞行方向进行排列，天线波束指向朝下，天线极化方式为水平极化发射-水平极化接收，天线波束与天底的夹角为θ_in，天线波束的宽度为θ_3dB-R，天线波束探测的幅宽为W，所述星载杆状偶极子天线以扫频方式进行工作，且工作频段f的范围为10～30MHz，带宽为1MHz。

根据本发明的一个方面，所述星载杆状偶极子天线的不同工作频段同步向下扫频探测，最后对应得到的电离层的位置和等离子体密度分布均不同。

根据本发明的一个方面，所述雷达信号收发控制模块用于控制所述星载杆状偶极子天线发射N个连续雷达脉冲信号，并接收对应的雷达回波信号，同时循环控制以上雷达信号的发射和接收，

每个雷达脉冲信号的发射时长为T1，雷达回波信号的接收时窗持续时间为T2。

根据本发明的一个方面，所述雷达数据处理模块包括：

带通滤波器组，用于对所述星载杆状偶极子天线的多个工作频段同步扫频探测得到的雷达回波信号进行滤波处理，得到多个子带回波信号；

多个数字下变频模块，用于分别对多个子带回波信号进行下变频处理；

多个脉冲压缩模块，用于分别对下变频处理后的多个子带回波信号进行压缩处理；

多个BP成像模块，用于分别对压缩处理后的多个子带回波信号进行BP成像，得到多幅BP图像数据；以及

多个数据压缩模块，用于对所述多幅BP图像数据进行压缩，并通过星地数传模块打包传输至所述电离层参数反演模块。

根据本发明的一个方面，所述电离层参数反演模块包括：

多个图像信息标准化模块，用于分别对所述多幅BP图像数据进行标准化处理；以及

多个反演网络模型，用于分别对标准化后的多幅BP图像数据的特征进行提取，通过处理雷达回波信号的时延得到电离层反射点垂直于卫星的飞行方向的相对位置，通过处理雷达回波信号的多普勒偏移得到电离层反射点平行于卫星的飞行方向的相对位置，并利用神经网络算法反演重建电离层的散射位置和等离子体密度分布。

根据本发明的一个方面，所述星载天波雷达系统搭载的轨道高度大于电离层的峰值高度hm，所述峰值高度hm的变化范围为250～400km。

第二方面，本发明还提供一种利用上述星载天波雷达系统实现的上电离层探测方法，包括：

采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号；

对雷达信号的连续发射、所述雷达回波信号的接收以及各自的时序进行控制；

在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据；

对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

根据本发明的方案，以正侧视模式对电离层进行探测，结合利用BP成像方法，获得上电离层的三维网格化散射回波信号，通过估计回波时延以及多普勒偏移等信息，计算出上电离层的散射位置，通过反演网络模型，计算得到电离层等离子体密度，同时可以实现大范围、高精度的上电离层等离子体密度分布等特征的探测，从而完成上电离层的高效和高分辨率的探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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示意性表示本发明实施例公开的一种星载天波雷达系统的组成图；

图2示意性表示本发明实施例公开的一种星载天波雷达系统对上电离层进行探测的场景图；

图3示意性表示本发明实施例公开的星载杆状偶极子天线10发射的雷达信号和接收的雷达回波信号的时序控制图；

图4示意性表示本发明实施例公开的雷达数据处理模块30的组成及其在轨处理雷达回波信号的流程图；

图5示意性表示本发明实施例公开的电离层参数反演模块40的组成及其反演电离层特性的流程图。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

参见图1，本实施例公开的一种星载天波雷达系统，属于天基星群上电离层BP成像探测的关键技术。该系统主要包括：星载杆状偶极子天线10、雷达信号收发控制模块20、雷达数据处理模块30和电离层参数反演模块40四个部分。其中，星载杆状偶极子天线10、雷达信号收发控制模块20和雷达数据处理模块30为天基天波雷达系统的组成部分，电离层参数反演模块40为地面数据反演系统的组成部分。

其中，星载杆状偶极子天线10，用于采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号。采用正侧视探测方式，可以使得星载杆状偶极子天线10发射的雷达信号波束内不同角度的电磁波到电离层的距离和回波时延单调变化，因此可以通过回波时延区分发射波束探测的电离层位置。雷达信号收发控制模块20，用于对所述星载杆状偶极子天线10连续发射雷达信号和接收雷达回波信号进行控制。雷达数据处理模块30，用于在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据。电离层参数反演模块40，用于对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。通过BP成像探测方法，可以获取高分辨率的上电离层的特征信息，利用获取的雷达回波信号的回波时延以及多普勒偏移数据，来区分所述雷达回波信号的位置。而且，解决了在垂直于卫星的飞行方向上相同时延的回波位置无法区分的难题。

具体的，所述星载杆状偶极子天线10为包含N个阵元的数字阵列天线，其中的每个阵元均与一个独立的数字收发单元连接，也就是有N个数字收发单元。所述数字收发单元用于数字域调幅和数字域调相，实现天线波束的扫描探测。可选地，所述N个数字收发单元的采样时钟fs的范围一般为110～160MHz。图2示例性的展示了本实施例的星载天波雷达系统对上电离层进行探测的场景应用。参见图2，星载天波雷达系统搭载的轨道高度H大于电离层F区峰值高度hm，该峰值高度hm的变化范围为250～400km。卫星上搭载一个星载杆状偶极子天线10，星载杆状偶极子天线10垂直于卫星的飞行方向进行排列，天线波束指向朝下，天线极化方式为水平极化发射-水平极化接收。星载杆状偶极子天线10上与独立的数字收发单元连接的每个天线阵元采用正侧视探测模式，向下对电离层进行BP成像探测，最终得到上电离层的特征或特性。天线波束与天底的夹角为θ_in，天线波束的宽度为θ_3dB-R，天线波束探测的幅宽为W，所述星载杆状偶极子天线以扫频方式进行工作，且工作频段f的范围为10～30MHz，带宽为1MHz。天线的不同工作频段同步向下扫频探测，最后对应得到的电离层的位置(包含高度等)和等离子体密度分布均不同。完成一次扫频能够得到M幅不同高度的电离层的BP图像数据，每个频段探测得到的BP图像数据为Ri，i＝1:M。

本实施例的星载杆状偶极子天线10的上述布设方式，可以解决传统天底指向的探测结果无法区分相同时延回波的散射位置的难题，并提高了探测的空间分辨率。

图3示意性地表示了本实施例的星载杆状偶极子天线10的发射信号和接收信号的时序控制图。参见图3，所述雷达信号收发控制模块20用于首先控制所述星载杆状偶极子天线10发射N个连续雷达脉冲信号，再接收对应的雷达回波信号，同时循环控制以上雷达信号的发射和接收。其中，每个雷达脉冲信号的发射时长为T1，雷达回波信号的接收时窗持续时间为T2。

参见图4，所述雷达数据处理模块30包括：带通滤波器组301，用于对所述星载杆状偶极子天线10的多个工作频段同步扫频探测得到的雷达回波信号进行滤波处理，得到多个子带回波信号。多个数字下变频模块302，用于分别对多个子带回波信号进行下变频处理。多个脉冲压缩模块303，用于分别对下变频处理后的多个子带回波信号进行压缩处理。多个BP成像模块304，用于分别对压缩处理后的多个子带回波信号进行BP成像，得到多幅BP图像数据。以及多个数据压缩模块305，用于对所述多幅BP图像数据进行压缩，并通过星地数传模块打包传输至地面数据反演系统的电离层参数反演模块40。

参见图5，所述电离层参数反演模块40包括：多个图像信息标准化模块401，用于分别对所述多幅BP图像数据进行标准化处理；以及多个反演网络模型402，用于分别对标准化后的多幅BP图像数据的特征进行提取，通过处理雷达回波信号的时延得到电离层反射点垂直于卫星的飞行方向的相对位置，通过处理雷达回波信号的多普勒偏移得到电离层反射点平行于卫星的飞行方向的相对位置，并利用神经网络算法反演重建电离层的散射位置和等离子体密度分布。

本实施例还公开了一种利用上述星载天波雷达系统实现的上电离层探测方法，主要包括以下步骤：

先采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号；

对雷达信号的连续发射和所述雷达回波信号的接收进行控制；

在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据；

最后对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。

本实施例中，星载天波雷达系统以及利用该系统对上电离层进行探测的方法，以正侧视模式对电离层进行探测，结合利用BP成像方法，获得上电离层的三维网格化散射回波信号，通过估计回波时延以及多普勒偏移等信息，计算出上电离层的散射位置，同时可以实现大范围、高精度的上电离层等离子体密度分布的探测，为全球上电离层的高效、高分辨率探测提供了新思路。此外，还为未来应用上电离层探测目标奠定基础，具有广阔的应用前景。

对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星载天波雷达系统，其特征在于，包括：天基天波雷达系统和地面数据反演系统，所述天基天波雷达系统包括：

星载杆状偶极子天线(10)，用于采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号；

雷达信号收发控制模块(20)，用于对所述星载杆状偶极子天线(10)连续发射雷达信号、接收雷达回波信号以及各自的时序进行控制；以及

雷达数据处理模块(30)，用于在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据；

所述地面数据反演系统包括：

电离层参数反演模块(40)，用于对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述星载杆状偶极子天线(10)为数字阵列天线，包含N个阵元，其中的每个阵元均与一个独立的数字收发单元连接，

所述数字收发单元用于数字域调幅和数字域调相，实现天线波束的扫描探测。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字收发单元的采样时钟fs的范围为110～160MHz。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述星载杆状偶极子天线(10)垂直于卫星的飞行方向进行排列，天线波束指向朝下，天线极化方式为水平极化发射-水平极化接收，天线波束与天底的夹角为θ_in，天线波束的宽度为θ_3dB-R，天线波束探测的幅宽为W，所述星载杆状偶极子天线(10)以扫频方式进行工作，且工作频段f的范围为10～30MHz，带宽为1MHz。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述星载杆状偶极子天线(10)的不同工作频段同步向下扫频探测，最后对应得到的电离层的位置和等离子体密度分布均不同。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达信号收发控制模块(20)用于控制所述星载杆状偶极子天线(10)发射N个连续雷达脉冲信号，并接收对应的雷达回波信号，同时循环控制所述雷达脉冲信号的发射和所述雷达回波信号的接收，

每个雷达脉冲信号的发射时长为T1，雷达回波信号的接收时窗持续时间为T2。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述雷达数据处理模块(30)包括：

带通滤波器组(301)，用于对所述星载杆状偶极子天线(10)的多个工作频段同步扫频探测得到的雷达回波信号进行滤波处理，得到多个子带回波信号；

多个数字下变频模块(302)，用于分别对多个子带回波信号进行下变频处理；

多个脉冲压缩模块(303)，用于分别对下变频处理后的多个子带回波信号进行压缩处理；

多个BP成像模块(304)，用于分别对压缩处理后的多个子带回波信号进行BP成像，得到多幅BP图像数据；以及

多个数据压缩模块(305)，用于对所述多幅BP图像数据进行压缩，并通过星地数传模块打包传输至所述电离层参数反演模块(40)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电离层参数反演模块(40)包括：

多个图像信息标准化模块(401)，用于分别对所述多幅BP图像数据进行标准化处理；以及

多个反演网络模型(402)，用于分别对标准化后的多幅BP图像数据的特征进行提取，通过处理雷达回波信号的时延得到电离层反射点垂直于卫星的飞行方向的相对位置，通过处理雷达回波信号的多普勒偏移得到电离层反射点平行于卫星的飞行方向的相对位置，并利用神经网络算法反演重建电离层的散射位置和等离子体密度分布。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述星载天波雷达系统搭载的轨道高度大于电离层的峰值高度hm，所述峰值高度hm的变化范围为250～400km。

10.一种利用如权利要求1-9中任一项所述的星载天波雷达系统实现的上电离层探测方法，其特征在于，包括：

采用正侧视探测方式对电离层进行探测，并接收雷达回波信号；

对雷达信号的连续发射、所述雷达回波信号的接收以及各自的时序进行控制；

在轨处理所述雷达回波信号，得到BP图像数据；

对所述BP图像数据进行反演，重建电离层的位置和等离子体密度分布。