电离层非相干散射雷达差分相位探测方法

1.电离层非相干散射雷达差分相位探测方法，其特征在于具体步骤如下：
1、计算机仿真与建模研究：
（1）利用模糊函数理论进行雷达波形分析，针对不同的空间等离子体探测需求，得到最为合适的探测波形；
（2）利用 Fokker-Planck 模型仿真离子散射谱，得到了合适的电子散射谱仿真方法及不同离子的仿真散射谱；
（3）运用 Appleton-Hartree 理论对非相干散射雷达发射和接收的电磁波在电离层中的传播效应进行分析，并开发得到相应的计算机程序进行仿真；
2、非相干散射软件雷达验证测试:
（1）运用软目标雷达方程对非相干散射雷达回波数值模型建模，得到不同探测距离下同向极化接收通道输出的回波信号功率的回波功率剖面模型，以及得到了不同探测距离下正交极化接收通道输出信号的互相关函数的回波差分相位剖面模型；
（2）运用最小二乘法迭代算法，得到被测等离子体区域的物理参数，通过计算回波信号的多普勒谱得出准确的垂直于磁力线方向等离子体漂移速度，从回波功率谱中提取电子温度，离子温度信息；
3、非相干散射雷达验证测试：使用雷达设备获取数据，提取电离层参数；并将多种设备的探测结果进行对比，以验证其正确性；
4、根据计算机仿真和实际探测结果，优化改进雷达回波数值模型、参数提取算法、及实验方法。
2.根据权利要求1所述的电离层非相干散射雷达差分相位探测方法，其特征在于：步骤
4中，通过闭环实验验证波形及整个雷达系统各部分工作是否正常，调整波形参数改进波形设计，校准雷达系统部分参数，从而给出回波信号相关峰。
3.根据权利要求1所述的电离层非相干散射雷达差分相位探测方法，其特征在于：步骤
4中，通过开环实验验证探测技术和回波处理方法的探测功能和技术指标，从而对探测结果进行分析，提出改进方案，进一步改进和完善探测技术和回波处理方法。
4.根据权利要求2所述的电离层非相干散射雷达差分相位探测方法，其特征在于：闭环实验方法是：内接信号源，系统内部信号流程操作，将发射机输出信号通过电缆、衰减器闭环输入到接收机。
5.根据权利要求3所述的电离层非相干散射雷达差分相位探测方法，其特征在于：开环实验方法是：将非相干散射雷达垂直于磁力线方向探测，用一对正交线极化天线阵接收后向散射信号，从不同极化天线阵列输出的回波的平均功率、相位差和互相关数据中提取被测区域电离层参数。

电离层非相干散射雷达差分相位探测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种非相干散射雷达差分相位探测方法，适用于电离层非相干散射雷达在较低信噪比情况下对空间等离子体目标的非相干散射探测。\n背景技术\n[0002] 非相干散射探测是指电磁波在电离层中由于受到准平衡电子密度随机热起伏影响而引起散射，接收这种能量从而获取电离层物理参数的电离层探测方法。传统的ISR探测方法是分析被测等离子体区域非相干散射回波的功率谱或自相关函数，通过返演得出被测等离子体区域的电离层参数。虽然ISR是测量电离层参数的最有效的设备，但是高昂的建造和运行费用限制了其广泛应用。且传统的ISR探测技术对回波信噪比要求较高，探测时需要巨大发射功率和较长的积累时间，但在低信噪比环境下（如夜间）仍提取不到有效参数；且现有ISR探测技术在单一探测模式下只能探测有限的电离层参数和区域，一般需切换不同的探测模式来探测不同的电离层参数和区域，探测效率不高。故现有ISR探测技术在时间或空间上常常不能连续有效地获取电离层参数，电离层的许多现象都无法观察，而空间物理的研究需要电离层参数的连续测量。对空间环境的监测和预报迫切需要新的探测方法，以增强非相干散射雷达在低信噪比条件下对电离层参数的高精度快速探测能力，减轻其对探测条件、探测时间和发射功率的依赖,满足电离层研究的需要。\n[0003] 非相干散射雷达差分相位探测技术的基本原理是：非相干散射雷达垂直于磁力线方向探测时，电磁波的后向散射场包含寻常和非寻常两种具有不同相位延迟的成分。如果用一对正交线极化天线阵探测后向散射波场，两种不同极化天线阵列输出的回波的平均功率、相位差和互相关（Cross-Correlation Function, CCF）数据中将包含被测区域电离层电子密度、电子离子温度比等信息。基于电磁波在磁离子介质中传播效应、非相干散射理论、天线理论、软目标雷达方程等建立相应的非相干散射雷达回波数值模型。用相应的拟合算法对实测数据和模型数据进行拟合，可从中提取电子密度和电子离子温度比参数。此时回波多普勒谱很窄，可从多普勒频移中提取等离子体漂移速度。辅以多脉冲探测可从回波功率谱中提取电子温度等信息。该技术具有探测精度高、探测速度快、信噪比要求低等诸多优点，能同时快速获取高精度的电离层电子密度、电子温度、离子温度、垂直于磁力线方向等离子体漂移速度等参数。\n发明内容\n[0004] 为丰富和发展电离层非相干散射雷达探测的技术与方法，满足电离层研究及空间环境的监测和预报的迫切需要，本发明提供了一种电离层非相干散射雷达差分相位探测方法。本发明能够在低信噪比条件下适用于空间等离子体目标的非相干散射探测，既满足当前课题研究的需求，同时满足电离层研究及空间环境的监测和预报的迫切需要。\n[0005] 本发明基于仿真不同带电粒子在磁化等离子中的运动状态，并考虑其相互作用和集群效应，搭建散射谱模型；垂直于磁力线探测时的散射谱建模充分考虑库仑碰撞效应，采用合适的模型或方法，仿真离子散射谱和电子散射谱；仿真氧、氢、氦等不同离子的散射谱，模型应考虑不同离子成分的综合效应。运用 Appleton-Hartree 理论对非相干散射雷达发射和接收的电磁波在电离层中的传播效应进行分析，并充分考虑各向异性的电离层磁等离子体特性；研究电磁波在磁离子介质中传播效应对于雷达天线阵辐射方向图的影响。利用模糊函数理论进行波形分析研究。建立模糊函数与目标最佳探测波形之间的联系和相应的指标。针对不同的空间等离子体探测需求发明了最为合适、最佳的差分相位法探测波形及其参数，从而解决在较低信噪比情况下对空间等离子体目标的问题。\n[0006] 本发明具体步骤如下：\n[0007] 1.计算机仿真与建模研究：\n[0008] （1）利用模糊函数理论进行雷达波形分析，针对不同的空间等离子体探测需求，得到最为合适的探测波形；\n[0009] （2）利用 Fokker-Planck 模型仿真离子散射谱，得到了合适的电子散射谱仿真方法及不同离子的仿真散射谱；\n[0010] （3）运用 Appleton-Hartree 理论对非相干散射雷达发射和接收的电磁波在电离层中的传播效应进行分析，并开发得到相应的计算机程序进行仿真；\n[0011] 2.非相干散射软件雷达验证测试:\n[0012] （1）运用软目标雷达方程对非相干散射雷达回波数值模型建模，得到不同探测距离下同向极化接收通道输出的回波信号功率的回波功率剖面模型，以及得到了不同探测距离下正交极化接收通道输出信号的互相关函数的回波差分相位剖面模型；\n[0013] （2）运用最小二乘法等迭代算法，得到被测等离子体区域的物理参数，通过计算回波信号的多普勒谱得出准确的垂直于磁力线方向等离子体漂移速度，从回波功率谱中提取电子温度等信息；\n[0014] 3.非相干散射雷达验证测试：使用雷达设备获取数据，提取电离层参数；并将多种设备的探测结果进行对比，以验证其正确性；\n[0015] 4. 根据计算机仿真和实际探测结果，优化改进雷达回波数值模型、参数提取算法、及实验方法。\n[0016] 通过闭环实验验证波形及整个雷达系统各部分工作是否正常，调整波形参数改进波形设计，校准雷达系统部分参数，从而给出回波信号相关峰。\n[0017] 通过开环实验验证探测技术和回波处理方法的探测功能和技术指标，从而对探测结果进行分析，提出改进方案，进一步改进和完善探测技术和回波处理方法。\n[0018] 相比现有的非相干散射雷达探测方法，本发明的电离层非相干散射雷达差分相位探测方法能同时快速获取整个电离层高度的高精度电子密度、电子温度、离子温度、垂直于磁力线方向等离子体漂移速度等参数。该发明技术具有探测精度高、探测速度快、信噪比要求低等诸多优点，适用于空间等离子体目标的非相干散射探测。该发明技术增强了非相干散射雷达在低信噪比条件下对于电离层参数的高精度快速探测能力,并在一定程度上降低其运行成本，丰富和发展了电离层非相干散射雷达探测的技术与方法，满足电离层研究及空间环境的监测和预报的迫切需要，具备重要的科学价值和实用意义。\n附图说明\n[0019] 图1 为本发明的流程图。\n[0020] 图2为本发明探测系统闭环实验示意图。\n具体实施方式\n[0021] 实施例1\n[0022] 如图1所示，电离层非相干散射雷达差分相位探测方法，具体步骤如下：\n[0023] 1.计算机仿真与建模研究：\n[0024] （1）利用模糊函数理论进行雷达波形分析，并利用 matlab 等软件开发相应的计算机程序仿真其模糊图。针对不同的空间等离子体探测需求，找到最为合适的探测波形。\n[0025] （2）基于不同带电粒子在磁化等离子中的运动状态，并考虑其相互作用和集群效应，对非相干散射谱进行仿真；垂直于磁力线探测时的散射谱应充分考虑库仑碰撞效应，可利用 Fokker-Planck 模型仿真离子散射谱，用合适的方法仿真电子散射谱；仿真氧、氢、氦等不同离子的散射谱，模型应考虑不同离子成分的综合效应。\n[0026] （3）运用 Appleton-Hartree 理论对非相干散射雷达发射和接收的电磁波在电离层中的传播效应进行分析，并充分考虑各向异性的电离层磁等离子体特性；研究电磁波在磁离子介质中传播效应对于雷达天线阵辐射方向图的影响；并开发相应的计算机程序进行仿真。\n[0027] 2.非相干散射软件雷达验证测试:\n[0028] (1).运用软目标雷达方程对非相干散射雷达回波数值模型建模，仿真不同探测距离下同向极化接收通道输出的回波信号功率，得到回波功率剖面模型；仿真不同探测距离下正交极化接收通道输出信号的互相关函数，从中提取回波相位差信息，得到回波差分相位剖面模型。建模应精确计算电波传播、天线极化、散射谱、RCS、探测波形、系统衰减、接收机滤波器系数等因素的影响。\n[0029] (2).通过最小二乘法等迭代算法，将从雷达同向和正交极化天线阵实际测得的回波平均功率、相位差和互相关等数据与模型数据进行拟合，得到被测等离子体区域的精确的电子密度、电子离子温度比等物理参数。通过计算回波信号的多普勒谱可得出准确的垂直于磁力线方向等离子体漂移速度。从回波功率谱中提取电子温度等信息。\n[0030] 3.非相干散射雷达验证测试：利用本单位正在研制的非相干散射软件雷达、重大仪器专项支持下正在筹建的三亚非相干散射雷达、以及 Jicamarca 非相干散射雷达等设备，获取数据，提取电离层参数。并将多种设备的探测结果进行对比，以验证其正确性[0031] 4. 根据计算机仿真和实际探测结果，优化改进雷达回波数值模型、参数提取算法、及实验方法。\n[0032] (1).根据图2的探测系统闭环试验示意图进行闭环实验：\n[0033] 方法：内接信号源，系统内部信号流程操作。 将发射机输出信号通过电缆、衰减器闭环输入到接收机。\n[0034] 目的：验证波形及整个雷达系统各部分工作是否正常，调整波形参数改进波形设计，校准雷达系统部分参数。\n[0035] 目标：给出回波信号相关峰。\n[0036] (2).开环实验：\n[0037] 方法：将非相干散射雷达垂直于磁力线方向探测，用一对正交线极化天线阵接收后向散射信号。从不同极化天线阵列输出的回波的平均功率、相位差和互相关数据中提取被测区域电离层参数。\n[0038] 目的：验证探测技术和回波处理方法的探测功能和技术指标。\n[0039] 目标：对探测结果进行分析，提出改进方案，进一步改进和完善探测技术和回波处理方法。