CN115656946B - 等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达信号与数据处理领域，具体涉及了一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法及***，旨在解决现有技术无法不依赖外界仪器和观测，独立实现便捷可靠的非相干散射雷达多波束校准的问题。本发明包括：提取等离子体线的峰值处频率相对接收频率的偏移量，并计算电离层峰值电子密度；对原始IQ数据低通滤波和降采样，计算功率剖面，积累后去噪，由信噪比计算校准前的电离层电子密度；循环对所有波束计算校准系数，将获取的不同波束的校准系数序列代入雷达方程，完成非相干散射雷达多波束的校准。本发明不依赖外部仪器，具有准确、可靠、便捷等优点，可用于非相干散射雷达***的定标、电离层探测和空间天气研究等。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号与数据处理领域，具体涉及了一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法及***。
背景技术
电离层是地球大气层被电离的部分，它作为地球磁层的内界，主要分布在地表以上60km到1000km区域。电离层通过各种动量和能量过程与其他圈层耦合，是空间天气研究的重点区域；同时电离层状态影响无线电波的传播，其对卫星导航与定位、无线电通讯等均有影响，对人类有非常重要的实际意义。
非相干散射探测雷达是当前最强大的电离层地基探测手段，能高精度地直接同时探测几乎整个电离层高度上的等离子体密度、温度、漂移速度(电场)、成分，并间接探测背景中性大气的温度和风场。非相干散射雷达探测具有高时空分辨率的特点，而要保证高准确度的绝对测量，设备的校准是关键。传统使用测高仪观测进行校准的方法，需要使用在雷达周边架设的测高仪数据，与非相干散射雷达的同时观测进行对比，来完成校准，而由于测高仪仅能提供固定指向的大范围观测，使用其观测对非相干散射雷达多波束进行校准，会因忽略空间变化引入校准误差影响数据测量精度。
总的来说，本领域还需要一种可以通过非相干散射雷达自身独立的观测直接进行设备校准的非相干散射雷达多波束校准方法及***，以实现便捷可靠的非相干散射雷达多波束校准。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法不依赖外部仪器和观测，独立实现便捷可靠的非相干散射雷达多波束校准的问题，本发明提供了一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，所述校准方法包括：
步骤S10，获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据，计算积累后的信号功率谱，并提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度；
步骤S20，对所述原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比，根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度；
步骤S30，将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数；
步骤S40，循环执行步骤S10-步骤S30，对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列，并代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
在一些优选的实施例中，步骤S10包括：
步骤S11，进行非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据解译，得到与实验参数相关的数据信息文件；
步骤S12，基于所述数据信息文件获取实验波形和编码信息，并基于编码类型对每一帧数据解码，计算自相关函数，在一个时间分辨率内进行非相干积累，对积累后的自相关函数加汉明窗后进行傅里叶变换，获得等离子体线的功率谱；
步骤S13，基于磁场影响条件下的等离子体线色散关系，通过等离子体线功率谱上峰值处的频率偏移量计算电离层峰值电子密度。
在一些优选的实施例中，所述等离子体线色散关系，其表示为：
其中，
为电子等离子体频率，
为电子回旋频率，
为等离子体线频率相对
接收中心频率的偏移量，
为波束与地磁场的夹角。
在一些优选的实施例中，所述电子等离子体频率，其表示为：
其中，
为电子质量，
为电离层电子密度，
为真空中的介电常数，
为电子
质量。
在一些优选的实施例中，所述电子回旋频率，其表示为：
其中，
为电子质量，
为观测站本地的磁感应强度，
为电子质量。
在一些优选的实施例中，步骤S20包括：
步骤S21，对原始IQ数据进行低通滤波，根据数据带宽对滤波后的数据进行降采样，得到窄带的离子线观测数据；
步骤S22，计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，并根据时间分辨率进行积累，对积累后的功率剖面去除噪声，计算信噪比；
步骤S23，在忽略德拜长度影响条件下生成电离层探测的雷达方程；
步骤S24，将雷达***参数的理论值代入所述雷达方程，并根据信噪比计算校准前的电离层原始电子密度。
在一些优选的实施例中，所述电离层探测的雷达方程，其表示为：
其中，
为信噪比，
为电子半径，
为天线极化角，
为电子温度，
为离
子温度，
为发射峰值功率，
为天线增益，
为信号波长，
为雷达天线与探测目标之间
的斜距，
为光速，
为有效脉宽，
为玻尔兹曼常数，
为雷达***噪声温度，
为带宽，
为电离层原始电子密度。
本发明的另一方面，提出了一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准***，所述校准***包括：
数据采集模块，配置为获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据；
等离子体线观测的峰值电子密度计算模块，配置为提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，并基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度；
离子线观测的信噪比计算模块，配置为对原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比；
离子线观测的原始电子密度计算模块，配置为根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度；
校准系数获取模块，配置为将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数；
校准系数序列获取模块，配置为迭代通过数据采集模块、等离子体线观测的峰值电子密度计算模块、离子线观测的信噪比计算模块、离子线观测的原始电子密度计算模块和校准系数获取模块对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列；
校准模块，配置为将所述不同波束的校准系数序列代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；
以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法。
本发明的有益效果：
（1）本发明基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，相较于传统基于测高仪观测的校准方法，本发明采用的等离子体线测量校准方法，不需要依赖外部仪器和观测，简化了校准过程，提高了非相干散射雷达校准的便捷性。
（2）本发明基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，等离子体线在不同波束方向的观测结果，能真实反应雷达***参量在不同观测角度的变化，使用等离子体线多波束真实的测量结果替代由测高仪单波束测量近似的处理，提高了非相干散射雷达多波束校准的准确度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，通过非相干散射雷达自身独立的观测直接进行设备校准，具有便捷可靠的优点，可用于非相干散射雷达***的定标，进行如电离层多参量监测、空间天气研究等。
本发明的一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，所述校准方法包括：
步骤S10，获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据，计算积累后的信号功率谱，并提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度；
步骤S20，对所述原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比，根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度；
步骤S30，将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数；
步骤S40，循环执行步骤S10-步骤S30，对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列，并代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
为了更清晰地对本发明基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
本发明第一实施例的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，包括步骤S10-步骤S40，各步骤详细描述如下：
步骤S10，获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据，计算积累后的信号功率谱，并提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度，具体包括：
步骤S11，进行非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据解译，得到与实验参数相关的数据信息文件。
根据非相干散射探测原理，针对发射信号，***进行大带宽和高采样率的数据采集，并对原始数据文件解译，得到与实验设置相关的数据信息文件和原始IQ数据文件。
步骤S12，基于所述数据信息文件获取实验波形和编码信息，并基于编码类型对每一帧数据解码，计算自相关函数，在一个时间分辨率内进行非相干积累，对积累后的自相关函数加汉明窗后进行傅里叶变换，获得等离子体线的功率谱。
***根据数据信息文件获取数据的实验波形和编码信息，由编码类型对每帧数据进行解码，计算其自相关函数，并在一个时间分辨率内进行非相干积累，对积累后的自相关函数加汉明窗，最终通过傅里叶变换得到对应的等离子体线功率谱。
步骤S13，基于磁场影响条件下的等离子体线色散关系，通过等离子体线功率谱上峰值处的频率偏移量计算电离层峰值电子密度。
其中，等离子体线色散关系如式（1）所示：
其中，
为电子等离子体频率，
为电子回旋频率，
为等离子体线频率相对
接收中心频率的偏移量，
为波束与地磁场的夹角。
电子等离子体频率和电子回旋频率分别如式（2）和式（3）所示：
其中，
为电子质量，
为电离层电子密度，
为真空中的介电常数，
为电子
质量，
为观测站本地的磁感应强度。
步骤S20，对所述原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比，根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度，具体包括：
步骤S21，对原始IQ数据进行低通滤波，根据数据带宽对滤波后的数据进行降采样，得到窄带的离子线观测数据。
设定截止频率，对大带宽的原始IQ数据低通滤波，然后根据带宽对滤波后的数据进行降采样，得到窄带的离子线观测数据。
步骤S22，计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，并根据时间分辨率进行积累，对积累后的功率剖面去除噪声，计算信噪比。
计算其功率剖面，并根据时间分辨率进行积累，对积累后的功率剖面去除背景噪声，计算信噪比。
步骤S23，在忽略德拜长度影响条件下生成电离层探测的雷达方程，如式（4）所示：
其中，
为信噪比，
为电子半径，
为天线极化角，
为电子温度，
为离
子温度，
为发射峰值功率，
为天线增益，
为信号波长，
为雷达天线与探测目标之间
的斜距，
为光速，
为有效脉宽，
为玻尔兹曼常数，
为雷达***噪声温度，
为带宽，
为电离层原始电子密度。
步骤S24，将雷达***参数的理论值代入所述雷达方程，并根据信噪比计算校准前的电离层原始电子密度。
步骤S30，将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数。
步骤S40，循环执行步骤S10-步骤S30，对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列，并代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本发明第二实施例的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准***，所述校准***包括：
数据采集模块，配置为获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据；
等离子体线观测的峰值电子密度计算模块，配置为提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，并基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度；
离子线观测的信噪比计算模块，配置为对原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比；
离子线观测的原始电子密度计算模块，配置为根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度；
校准系数获取模块，配置为将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数；
校准系数序列获取模块，配置为迭代通过数据采集模块、等离子体线观测的峰值电子密度计算模块、离子线观测的信噪比计算模块、离子线观测的原始电子密度计算模块和校准系数获取模块对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列；
校准模块，配置为将所述不同波束的校准系数序列代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：
至少一个处理器；
以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，其特征在于，所述校准方法包括：
步骤S10，获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据，并提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度；
步骤S20，对所述原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比，根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度；
步骤S30，将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数；
步骤S40，循环执行步骤S10-步骤S30，对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列，并代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，其特征在于，步骤S10包括：
步骤S11，进行非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据解译，得到与实验参数相关的数据信息文件；
步骤S12，基于所述数据信息文件获取实验波形和编码信息，并基于编码类型对每一帧数据解码，计算自相关函数，在一个时间分辨率内进行非相干积累，对积累后的自相关函数加汉明窗后进行傅里叶变换，获得等离子体线的功率谱；
步骤S13，基于磁场影响条件下的等离子体线色散关系，通过等离子体线功率谱上峰值处的频率偏移量计算电离层峰值电子密度。
3.根据权利要求2所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，其特征在于，所述等离子体线色散关系，其表示为：
其中，
为电子等离子体频率，
为电子回旋频率，
为等离子体线频率相对接收
中心频率的偏移量，
为波束与地磁场的夹角。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，其特征在于，所述电子等离子体频率，其表示为：
其中，
为电子质量，
为电离层电子密度，
为真空中的介电常数，
为电子质量。
5.根据权利要求3所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，其特征在于，所述电子回旋频率，其表示为：
其中，
为电子质量，
为观测站本地的磁感应强度，
为电子质量。
6.根据权利要求1所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，其特征在于，步骤S20包括：
步骤S21，对原始IQ数据进行低通滤波，根据数据带宽对滤波后的数据进行降采样，得到窄带的离子线观测数据；
步骤S22，计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，并根据时间分辨率进行积累，对积累后的功率剖面去除噪声，计算信噪比；
步骤S23，在忽略德拜长度影响条件下生成电离层探测的雷达方程；
步骤S24，将雷达***参数的理论值代入所述雷达方程，并根据信噪比计算校准前的电离层原始电子密度。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法，所述电离层探测的雷达方程，其表示为：
其中，
为信噪比，
为电子半径，
为天线极化角，
为电子温度，
为离子温
度，
为发射峰值功率，
为天线增益，
为信号波长，
为雷达天线与探测目标之间的斜
距，
为光速，
为有效脉宽，
为玻尔兹曼常数，
为雷达***噪声温度，
为带宽，
为
电离层原始电子密度。
8.一种基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准***，其特征在于，所述校准***包括：
数据采集模块，配置为获取非相干散射雷达等离子体线探测的原始IQ数据；
等离子体线观测的峰值电子密度计算模块，配置为提取等离子体线峰值处频率相对信号接收频率的偏移量，并基于等离子体线色散关系计算电离层峰值电子密度；
离子线观测的信噪比计算模块，配置为对原始IQ数据进行低通滤波和降采样，得到窄带的离子线观测数据，并计算所述窄带的离子线观测数据的功率剖面，去除背景噪声、计算信噪比；
离子线观测的原始电子密度计算模块，配置为根据信噪比以及电离层探测的雷达方程和雷达***参数的理论值计算校准前的电离层原始电子密度；
校准系数获取模块，配置为将等离子体线观测计算的电离层峰值电子密度与离子线观测计算的校准前的电离层原始电子密度的峰值对比，得到雷达***参数的校准系数；
校准系数序列获取模块，配置为迭代通过数据采集模块、等离子体线观测的峰值电子密度计算模块、离子线观测的信噪比计算模块、离子线观测的原始电子密度计算模块和校准系数获取模块对所有波束的观测依次计算校准系数，得到不同波束的校准系数序列；
校准模块，配置为将所述不同波束的校准系数序列代入雷达方程，完成对非相干散射雷达多波束的校准。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-7任一项所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-7任一项所述的基于等离子体线测量的非相干散射雷达多波束校准方法。
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