高頻地波雷達(dá)垂直向電離層電子濃度估計方法

楊旭光　于長軍　劉愛軍　權(quán)太范

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院,哈爾濱 150001;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院,威海 264209)

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高頻地波雷達(dá)垂直向電離層電子濃度估計方法

楊旭光1,2于長軍3劉愛軍3權(quán)太范1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院,哈爾濱 150001;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院,威海 264209)

摘要高頻地波雷達(dá)工作時,往往同時接收到大量的電離層反射回波,這些電離層雜波會對目標(biāo)檢測造成嚴(yán)重影響,因此,電離層雜波抑制是當(dāng)前高頻地波雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 文章將電離層回波視為可用信源,從中反演出垂直方向電離層對應(yīng)的電子濃度與等離子體頻率. 對R-D(Range-Doppler)譜圖進(jìn)行預(yù)處理,獲取垂直方向的電離層回波譜,建立其回波功率與電離層雷達(dá)散射截面積之間的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而得到對應(yīng)的電子濃度. 在高頻地波雷達(dá)站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并將反演結(jié)果與IRI-2012進(jìn)行對比,驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性.

關(guān)鍵詞高頻地波雷達(dá);電離層垂直探測;電子濃度;相關(guān)特性

引言

高頻地波雷達(dá)利用高頻段垂直極化電磁波沿海面繞射的特性,已經(jīng)在海面超視距目標(biāo)探測和海態(tài)遙感領(lǐng)域取得了顯著的成就. 理想情況下,海面構(gòu)成無限大理想導(dǎo)電平面,高頻地波雷達(dá)發(fā)射的垂直極化電磁波均沿海面?zhèn)鞑?不會向上空輻射. 但在實(shí)際系統(tǒng)中,由于地網(wǎng)尺寸有限、陣元誤差等工程原因,部分能量向高空輻射,經(jīng)過電離層反射、折射調(diào)制后,以多種路徑返回雷達(dá)接收機(jī),形成電離層回波,對目標(biāo)探測帶來嚴(yán)重的干擾[3-4].

目前已有大量文章對電離層雜波抑制進(jìn)行了研究[5-7],同時也獲得了許多關(guān)于電離層回波的特性. 文獻(xiàn)[8]研究表明近垂直方向的鏡面散射電離層回波沒有明顯方向性,而低仰角入射進(jìn)雷達(dá)接收陣列的擴(kuò)展電離層回波具有一定的方向性. 文獻(xiàn)[9]對高頻地波雷達(dá)電離層回波的統(tǒng)計特性進(jìn)行了分析,指出大部分距離單元的電離層回波近似滿足瑞利分布,不滿足瑞利分布的電離層回波則滿足威布爾分布. 文獻(xiàn)[10]指出占據(jù)較少距離單元的電離層回波,例如來自Es層、F層鏡面散射的回波,具有一致的方向性,而占據(jù)較多距離單元的電離層回波,例如擴(kuò)展F層,則不具有方向性等特點(diǎn). 并且,電離層雜波的一致方向性不隨頻率的改變而變化. 文獻(xiàn)[11]指出高頻地波雷達(dá)電離層回波受電離層高度的影響,E層引起的回波多普勒頻移較小,F層較大;某些電離層回波具有明顯的方向性. 文獻(xiàn)[12]利用L陣對高頻地波雷達(dá)電離層回波空間分布進(jìn)行研究,大量實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明:雖然電離層回波的俯仰角范圍為0°～90°,但絕大多數(shù)回波來向?yàn)榇笥?0°的高仰角. 一般情況下高頻地波雷達(dá)的接收天線為垂直極化鞭狀天線,理論上天頂方向接收不到電離層回波,但實(shí)際系統(tǒng)中地網(wǎng)的鋪設(shè)使得陣列天線垂直方向圖的零點(diǎn)偏離原來的天頂方向,因此仍會接收到天頂方向的電離層回波,并且高仰角回波強(qiáng)度明顯大于低仰角回波[4]. 文獻(xiàn)[13]通過連續(xù)數(shù)小時的長時觀測,利用時頻分布的方法獲得了電離層的虛高及多普勒頻移等信息,但沒有分析對應(yīng)電離層的具體空間位置. 本文試圖通過短時間(一個相干積累周期,一般30 s左右)的觀測數(shù)據(jù),通過雷達(dá)探測方程來獲取垂直向電離層區(qū)域的電子濃度及對應(yīng)等離子體頻率.

本文第2部分給出了從高頻地波雷達(dá)不同方向R-D譜中提取垂直方向電離層回波的方法. 第3部分建立了雷達(dá)觀測方程與電離層雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section, RCS)的數(shù)學(xué)關(guān)系. 第4部分給出了高頻地波雷達(dá)上午、下午和晚間實(shí)測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果,并與IRI-2012進(jìn)行對比驗(yàn)證.

1提取垂直向電離層回波的方法

高頻地波雷達(dá)一般發(fā)射的是線性調(diào)頻信號,每個天線單元在接收回波信號后需要進(jìn)行脈沖解壓,然后將各個天線單元回波信號進(jìn)行相位加權(quán),形成多個波束方向圖,覆蓋整個探測區(qū)域. 再對某一波束,在一個相干積累周期內(nèi),對同一距離單元進(jìn)行快速傅里葉變換,就得到該距離門上的多普勒頻移. 對所有的距離門做這樣的處理后,就得到了本文中要處理的數(shù)據(jù)源——R-D譜. 由于高頻地波雷達(dá)一般采用一維線陣,通過波束形成只能得到電離層所在的方位角,無法得到俯仰角. 而每個方向的R-D譜中均包含了各個仰角的電離層回波,因此首先必須提取出垂直方向的電離層回波.

同時,電離層具有高度的時變特性,即使單個積累周期內(nèi)也會發(fā)生顯著變化. 圖1是2013年1月20日在威海雷達(dá)站采用L陣(8×8,水平向陣元間距15 m,垂直向陣元間距10 m)電離層回波在一個相參積累周期內(nèi)的空間譜,可見在150 s內(nèi)電離層回波的方位角和俯仰角都發(fā)生了明顯的變化.

(a) 水平向空間譜

(b) 垂直向空間譜圖1　單個相干積累周期內(nèi)電離層回波的空間譜

在一個相干積累周期內(nèi),每個方向波束R-D譜均包含對應(yīng)方位角、0°～90°俯仰面所有的電離層回波,而所有波束的重疊部分只有俯仰角0°方向. 因此,同一時刻各個方向波束R-D圖的重疊部分,即是垂直向電離層的回波.

由于R-D圖中不僅包含電離層回波,還有海雜波、流星余跡、噪聲等背景噪聲,因此提取垂直向電離層回波前,首先需對R-D圖進(jìn)行預(yù)處理. 預(yù)處理包括四部分:

1) 閾值分割

在高頻段,一般80 km以下沒有電離層回波,取該區(qū)域的平均功率為噪聲功率PN. 典型的雜噪比為20～35 dB[14],因此取閾值δ為δ=PN+20.

將R-D譜上所有分辨單元大于等于閾值的分辨單元記為1,其它記為0,這樣就得到回波掩膜. 下面判斷該掩膜上是否存在電離層回波.

2) 模板卷積

設(shè)計一個二維模板

式中:M為模板覆蓋的距離單元個數(shù);N為模板覆蓋的多普勒單元個數(shù).根據(jù)電離層回波的特點(diǎn),取距離覆蓋范圍為15 km,多普勒覆蓋范圍為0.5 Hz.

將電離層回波掩膜與二維模板進(jìn)行二維卷積運(yùn)算,如果得到的卷積結(jié)果矩陣最大值與模板的比值大于或等于閾值γ(0<γ<1),則雜波掩膜中存在能覆蓋電離層回波模板γ×100%以上檢測單元的連續(xù)區(qū)域,因此認(rèn)為存在電離層回波,檢測結(jié)果D=1,否則D=0. 若檢測閾值γ太小,會將其他非電離層回波誤判為電離層回波,如高海態(tài)時的二階海雜波. 若γ太大,則可能使部分電離層回波不符合模板標(biāo)準(zhǔn)而漏檢. 通過對100批實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),取γ=0.8較為合理.

3) 方差分離

這步是將垂直向電離層回波與斜向電離層回波分離. 由于非垂直方向的電波具有較強(qiáng)的方向性,而垂直方向的回波方向性并不明顯. 因此,可通過R-D譜中像素的方差來刻畫回波信號的波束角度. 首先計算R-D圖中每個點(diǎn)像素值的方差,如果該點(diǎn)的方差較大,說明該像素點(diǎn)對應(yīng)較強(qiáng)方向性的斜射回波;如果該像素值的方差較小,說明該點(diǎn)對應(yīng)接近天頂方向的回波. 因此,可通過對像素點(diǎn)歸一化的方差值來去除非垂直方向的電離層回波[15].

4) 連通區(qū)域生成

以上處理均沒有考慮電離層回波形態(tài)特征——面狀或帶狀分布,因此繼續(xù)使用區(qū)域生成法通過選取種子元素,逐步完成圖像分割,以濾除海雜波及零星回波等.

此時結(jié)合電離層先驗(yàn)信息,選擇100～150 km距離門的回波作為E層回波,150 km距離門以上回波作為F層回波. 最后,將各個方向R-D圖重疊部分作為垂直方向的電離層回波.

2電子濃度估計方法

一般情況下,單基地高頻地波雷達(dá)探測方程為

(1)

式中: R為雷達(dá)與目標(biāo)的距離,文中為電離層虛高,m; Pt為雷達(dá)發(fā)射功率,W; Pr為雷達(dá)接收功率,W; Gr、Gt為發(fā)射天線與接收天線的增益; σt為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面,m2; λ為雷達(dá)工作波長,m; Pn=KBT0Fa為噪聲功率,W,KB為玻爾茲曼常數(shù),T0為環(huán)境絕對溫度,Fa為外部噪聲系數(shù),隨時間、季節(jié)、地點(diǎn)而變化,且隨頻率的增高而降低,根據(jù)中國沿海情況,一般取Fa=40dB; Ls為雷達(dá)設(shè)備的系統(tǒng)消耗; Lp為電離層傳播路徑中的損耗. 下面討論Lp和σt.

1) 高頻電波在電離層傳播路徑中的損耗

在中緯地區(qū),傳播損耗Lp主要包括電離層吸收Aie和附加衰減Az等[16]. 即Lp=Aie+Az.其中

(2)

式(2)中: I為吸收指數(shù),由太陽黑子數(shù)及太陽天頂角決定; f為電波頻率,MHz; fH為磁旋頻率,MHz.

除以上衰減外,實(shí)際電離層傳播衰減還受到沿途傳播條件的影響,因此還應(yīng)考慮附加衰減Az,一般Az=9.9dB.

2) 電離層RCS估計

高頻雷達(dá)中的電離層回波屬于面散射,需考慮主瓣范圍內(nèi)的散射表面. 由于照射面積受波束限制[17],因此實(shí)際的雷達(dá)照射面積為

S=RΔRθ3.

(3)

式中: θ3為天線的方位波瓣3dB寬度,弧度; R為雷達(dá)到電離層的距離;ΔR為距離分辨單元,ΔR=cτ/2,c為光速,τ為脈沖寬度.

由單個電子的散射截面[18]σe≈10-28m2,設(shè)照射范圍內(nèi)電子密度為Ne,則總散射截面σt為

σt=SNeσe.

(4)

因此,在已知發(fā)射頻率和電離層距離等參數(shù)后,將式(3)、(4)代回雷達(dá)探測方程(1),即可得到照射范圍內(nèi)的電離層電子濃度Ne

(5)

在獲得電離層電子濃度Ne后,便可得到對應(yīng)的等離子體頻率

(6)

3實(shí)驗(yàn)與分析

本實(shí)驗(yàn)使用的高頻地波雷達(dá)發(fā)射天線為豎籠天線,接收天線為八根鞭狀天線. 參數(shù)如下:

地點(diǎn):中國威海;東經(jīng)122.1°,北緯37.5°

7個波束指向依次為:-48°,-32°,-16°,0°,16°,32°,48°.

脈沖重復(fù)周期Tp=4 ms.

掃頻周期Tsw=32×Tp=128 ms.

相干積累周期TA=Tsw×256=32.8 s.

發(fā)射信號為線性調(diào)頻,帶寬Bw=30 kHz.

距離單元Rbin=5 km.

發(fā)射功率Pt=2 kW.

圖2是2014年5月22日10:00,方位角0°方向的R-D圖,圖3(a)為閾值分割后結(jié)果,圖3(b)為模板卷積后結(jié)果,圖3(c)為方差處理后結(jié)果,圖3(d)為連通域處理后結(jié)果,圖3(e)為最終提取出的垂直向F2層回波.

圖2　發(fā)射頻率5.5 MHz的R-D譜(波束指向0°)

(a) R-D譜閾值分割后結(jié)果

(b) R-D譜模板卷積后結(jié)果

(c) R-D譜方差處理后結(jié)果

(d) R-D譜連通區(qū)域生成后結(jié)果

(e) 提取F2層垂直回波圖3　預(yù)處理和提取F2層垂直回波結(jié)果

本文分別對不同時刻不同頻率的多組實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,表1是按照本文方法得到的電子濃度與IRI-2012模型估計值的對比結(jié)果,表2是按照本文方法得到的等離子體臨界頻率與IRI-2012模型估計值的對比結(jié)果,按時間順序依次為2014年5月23日晚間、24日下午和25日早晨.

表1　實(shí)測與IRI-2012模型的電子濃度比較

表2　實(shí)測等離子體頻率與IRI-2012模型的比較

表3為本文對電子濃度的反演結(jié)果與IRI-2012模型之間誤差分析,絕對誤差均值為8.39×1010m-3,相對誤差均值為33.6%;表4為本文對等離子體頻率的反演結(jié)果與IRI-2012模型之間誤差分析,絕對誤差均值為0.54 MHz,相對誤差均值為17.39%.總體上看，夜間的探測誤差大于白天,F層探測誤差大于E層，高頻誤差大于低頻. 但由于IRI-2012模型屬于統(tǒng)計模型,因此誤差在可接受范圍內(nèi).

表3　實(shí)測電子濃度與IRI-2012模型的誤差

表4　實(shí)測等離子體頻率與IRI-2012模型的誤差

4結(jié)論

本文通過高頻地波雷達(dá)回波不同方向R-D圖中提取出垂直方向電離層回波,并建立回波能量與電離層RCS之間關(guān)系模型,進(jìn)而估計出對應(yīng)電離層的電子濃度和等離子體頻率,拓展了高頻地波雷達(dá)的應(yīng)用范圍. 與IRI-2012統(tǒng)計模型對比表明,高頻地波雷達(dá)的電離層信息探測的途徑具有一定的可信度. 這一研究的意義在于在現(xiàn)有的對海超視距目標(biāo)探測高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)中增加了電離層探測功能,進(jìn)而對于電離層探測以及電離層-海態(tài)內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究提供了新的思路.

但高頻地波雷達(dá)探測采用定頻模式,各頻率之間切換至少要間隔一個相干積累周期(本文為32 s),不能像垂測儀那樣在高頻段快速掃頻,而電離層具有高度時變特性,因此該模型只能適用于電離層平穩(wěn)時期. 同時由于目前用于探測目標(biāo)的常規(guī)高頻地波雷達(dá)使用一維線陣,無法得到俯仰信息. 如何反演高頻地波雷達(dá)斜射方向電離層信息,進(jìn)而重構(gòu)出整個雷達(dá)覆蓋面內(nèi)的電離層特征,這是下一步要研究的問題.

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The vertical ionosphere electron density probing with high frequency surface wave radar

YANG Xuguang1,2YU Changjun3LIU Aijun3QUAN Taifan1

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.SchoolofScience,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;3.SchoolofCommunicationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Weihai264209,China)

AbstractHigh frequency surface wave radar(HFSWR) usually receives a mass of ionospheric echoes which degrade the capability of detecting target seriously, making the ionospheric clutter suppression a hot spot in the research of HFSWR. In this paper, however, the ionospheric echoes is taken as signal sources rather than clutters, thus providing a method to extract electron density and plasma frequency regarding the vertical ionosphere. First, the pretreatment is taken in the Range-Doppler(R-D) Spectrum to extract the vertical ionospheric echoes. Then, the corresponding electron density is obtained from the mathematic relationship between echoes power and ionosphere RCS. At last, experiments is proceeded in the HFSWR station, and the effectiveness and feasibility of ionosphere remote sensing is verified in comparison with the inversion results with that of IRI-2012.

KeywordsHFSWR; vertical ionosphere probing; electron density; relevance characteristic

收稿日期：2015-06-14

中圖分類號TN011.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0291-07

DOI10.13443/j.cjors.2015061402

作者簡介

楊旭光(1984-),男,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生,哈爾濱工程大學(xué)講師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理技術(shù)及電離層探測技術(shù)等.

于長軍(1962-),男,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)博士生導(dǎo)師,教授,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理及電子測量技術(shù)等.

劉愛軍(1971-),男,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)碩士生導(dǎo)師,副教授,主要研究方向?yàn)楦哳l地波雷達(dá)信號處理及極化抗干擾等.

權(quán)太范(1949-),男,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師,教授,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理、數(shù)據(jù)融合、目標(biāo)跟蹤等.

楊旭光, 于長軍, 劉愛軍, 等. 高頻地波雷達(dá)垂直向電離層電子濃度估計方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(2):291-296+381. DOI:10.13443/j.cjors.2015061402

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資助項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(61571159，61171188)

聯(lián)系人： 于長軍 E-mail: Yuchangjun@hit.edu.cn