[发明专利]基于双频改正法估计电离层总电子含量的方法

说明书

技术领域

本发明属于数据处理技术领域，具体说是一种估计电离层总电子含量的方法，用于天基雷达系统、卫星通信等以减少电离层的影响。

背景技术

电离层总电子含量TEC是描述电离层的一个重要参量，电离层是地球大气电离的部分，它是由太阳高能电磁辐射、宇宙射线和沉降粒子作用于地球高层大气，使大气分子发生电离，产生大量的自由电子、离子和中性分子；这些电离的分子无规则分布在整个大气中，含有大量的不规则体结构和随机起伏的介质；这些电离的分子对穿过电离层的信号有严重影响。

对天基雷达，电离层是重要的工作环境，雷达电波在电离层区域产生折射或反射等一系列传播效应，严重影响雷达的性能，电离层对作为天基雷达载体的航天器，特别是低轨道航天器，又会产生轨道姿态的离子阻力效应、充电效应和空间高压系统的电流泄露效应等，危及航天器的安全，影响雷达的工作性能。

电离层中存在各种尺度的电子密度不规则体结构，导致电离层TEC的时空变化和雷达信号发生闪烁，电离层不规则体具有宽广的尺度谱，其产生机理与电子密度梯度不稳定性、大地电场引起的双流不稳定性及中性大气重力相关，并与太阳及地磁活动有一定联系。不规则体可导致信号的极化起伏，它归因于小尺度不规则体的闪烁；雷达系统测距、成像等性能的提高在相当大的程度上依赖于所使用频段范围内电离层的平稳性。

电离层是介电常数随机起伏的色散介质，随机起伏的尺度、形状、空间取向及其分布以及起伏的方差、相关函数和功率谱等统计特性，决定了穿过其间的无线电信号的统计特性，使得雷达信号幅度、相位、到达角和极化状态等发生闪烁；随着技术的发展，设计工作向低频段发展，电离层对于较低频率的电磁波的折射、色散、衰减等效应会导致信号的传播延迟、相位失真、幅度衰落和分辨率降低。

国内外提出了很多方法来估计电离层总电子含量，以减少电离层对雷达信号的影响；卡普曼1931年提出的Chapman模型，以及后来的Bent模型、国际参考电离层模型等，都是在一些非常理想条件下得出的，估计TEC的精度不高，计算过程复杂。Arlen D.Schmidt在1999年提出双频改正法，首先对雷达接收到的数据进行滤波，滤出两个边带信号，由于两个边带信号的载频不同，延迟就不同，假设两个边带信号是沿同一路径到达雷达的，即TEC相同，利用两个边带信号的时延差就可以估计出TEC；双频改正法是一种估计TEC较好的方法，但存在的不足是估计误差较大、精度不高、有时需要进行多次迭代估计而造成运算量大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于双频改正法估计电离层总电子含量的方法，以提高估计TEC的精度、减少迭代估计的次数从而降低运算量。

为实现上述目的，本发明包括如下步骤：

(A)对雷达接收到的带宽为B₁的数据x(n)进行滤波，滤出带宽都为B的下边带信号x₁(n)和上边带信号x₂(n)，其中x₁(n)和x₂(n)的脉冲宽度均为t_p，采样频率均为f_s，长度均为N，载频频率分别为f₁和f₂；

(B)对滤出的两个边带信号x₁(n)和x₂(n)分别进行系数为L的零内插，得到内插后的信号分别为s₁(n)和s₂(n)，其中s₁(n)、s₂(n)的载频频率分别为f₁和f₂，采样频率均为f_LS＝L·f_s；

(C)将内插后的信号s₁(n)、s₂(n)分别进行脉冲压缩，得到脉压结果y₁(n)和y₂(n)，其中y₁(n)、y₂(n)载频频率分别为f₁和f₂；

(D)计算脉压y₁(n)与y₂(n)的时延差Δτ：