[发明专利]用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法

说明书

本发明公开了一种用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法，用以解决现有技术针对电离层F探测分辨率低的问题。其方案是：截取雷达回波信号对应电离层F的数据D；对数据D使用高斯滤波器滤波；对滤波后的结果求自相关D1；由雷达发射信号码型与设置该码型的分数阶p生成符号修正系数，对自相关D1进行第一次符号修正，并进行多周期积累；对积累后的结果进行第二次模糊修正，再对二次修正后的结果求高度‑频率二维功率谱密度；重复上述步骤，选取分数阶p，生成相应的符号修正系数，进行相应的处理，并对所得结果进行高度‑频率‑分数阶的三维功率谱合成。本发明能提高时延分辨率，降低高度分辨率，更好的实现对电离层F的有效探测。

技术领域

本发明属于信息处理技术领域，特别涉及非相干散射雷达的信号处理方法，可用于对大气电离层F的探测。

背景技术

随着空间技术的发展，人类逐步认识到电离层空间天气对各项航天事业的影响。非相干散射雷达可探测电离层空间环境，获取电子密度、电子温度、离子温度、等离子体径向漂移速度等多个参数，为电离层空间天气特性研究与建模提供数据支持。自20世纪60年代初开始，美国和欧洲等发达国家在世界各地先后建设了十余部非相干散射雷达系统。我国也是亚洲首部非相干散射雷达于2012年在云南曲靖建成，并已获得了初步实验结果。

通常电离层距离地球表面约60～1000km，根据不同高度空气分子电离的情况不同，从低到高可将电离层分为D层、E层、F层和顶部电离层，F层又可分为F1层和F2层。D层分布在离地面大约60公里到90公里的高度范围内。E层分布在离地面大约90公里到150公里的高度范围内。F层大约在150公里以上，峰值高度一般在200公里到400公里的范围内。电离层各层的物理和化学变化与太阳辐射、粒子辐射、磁层扰动、地球磁场变化及高层大气的运动密切相关，所以电离层在不同时间和不同高度都有不同的特点。例如，F层随着高度的增高，靠近太阳，温度随之增高，导致等离子体更加活跃，接收到的回波信号随机性增强，其自相关函数变窄，相关时间变小。

非相干散射雷达针对大范围连续分布的电离层目标，其信号处理方法与传统雷达有着很大的不同。电离层的回波信号主要是由电子、离子等反射引起的非相干散射信号，是一种典型的随机信号。在几分钟的短时间内，电离层回波信号具有平稳性，可通过计算自相关函数和功率谱密度来表征信号的统计特性。电离层是典型的软目标，不同高度的雷达回波信号相互混叠，需要通过有效的信号编码设计和特殊的信号处理算法来消除距离模糊。

二相交替码作为一种标准的编码方式应用于非相干散射雷达信号处理中。它相较于传统的长脉冲编码，具有更好的高度分辨率与时延分辨率。由标准交替码信号处理方法计算等离子体自相关函数时，其高度分辨率等于时延分辨率，且都等于码元宽度。但是，在电离层F层区域，随着其等离子体自相关函数变窄、相关时间变小，所需的时延分辨率较高，高度分辨率较低。因此，标准交替码信号处理方法并不能很好地适用于电离层F层探测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有雷达信号处理方法的不足，提出一种用于电离层F探测的雷达回波信号处理方法，以提高时延分辨率，降低高度分辨率，更好的实现对电离层F的有效探测。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)截取雷达完整探测N个周期回波数据所对应电离层F的数据D；

(2)设计高斯窗滤波器对数据D进行滤波，在每一个回波周期内，对滤波后的数据两两进行相关处理，得到自相关数据D1：

(3)将每个周期的自相关数据D1截断为多个子数据，截断长度为回波的脉冲宽度，每个截断子数据的起始时间对应于自相关数据D1在目标电离层的高度；