电离层非相干散射雷达探测威力仿真方法
电离层非相干散射雷达探测威力仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于估算电离层非相干散射雷达探测威力的仿真设计方法。
【背景技术】
[0002] 大气层包围我们人类所生存的环境，电离层是地球大气电离的区域，其范围从80 Km-直延伸至大约1000 Km，该区域有非常多的自由电子和离子，足够影响无线电波的传播 速度，发生反射、散射和折射，从而可以对无线电通信，航空航天和导航测量等等人类的空 间活动都能产生重要的影响，所以对电离层的研宄显得颇为重要。
[0003] 电离层的探测主要有地基的测高仪、返回散射探测、斜向探测，以及天基的顶部探 测、掩星探测等手段，由于电离层中的大气很稀薄，根据能量守恒定律可以知道，地面大气 的一个小振幅扰动，可能引起电离层中振幅较大的扰动，比较容易观测到，电离层的主要特 性是其电子密度、电子温度、离子温度、漂移速度和离子成分等参数，非相干散射雷达是测 量电离层参数和电场最有效的设备，是研宄电离层结构和动力学过程最强有力的工具，也 是目前唯一能够测量整个电离层高度的探测设备，可以准确全剖面以及多参数的监测电离 层。
[0004] 非相干散射雷达利用高空大气中电子和等离子体热起伏的微弱散射信号，测量高 空大气的物理参数，由于这种热起伏引起的散射信号是非相干的，所以叫做非相干散射雷 达。非相干散射雷达的探测目标是电离层中的电子和离子，时间分辨率和高度分辨率较高， 能获取不同时间空间上的电离层等离子体自相关和功率谱。单个自由电子对电磁波的散射 称为汤姆孙散射，也被称为非相干散射，1958年戈登（W. E. Gordon)首次提出非相干散射 理论，电离层中存在的自由电子对无线电波的散射可以非相干叠加，并且使用地面大功率 雷达有可能测到散射回波。同年鲍尔斯（K. L. Bowles)测得了电离层的散射回波，之后非 相干散射探测逐渐的发展起来。非相干散射雷达具有天线有效面积大、发射功率高、系统噪 声低以及专用脉冲编码技术等特点。非相干散射雷达是对空间天气情况等现象进行监测和 预报的重要技术手段，所以对非相干散射雷达的研宄具有重大意义。
[0005] 微电子技术和数字技术的发展使得雷达信号处理的功能越来越强，算法也越来越 复杂，伴随着信号处理理论的发展，以及计算机技术的快速发展，不断的提高了存储空间和 计算能力，随即涌现了通过计算机实现全数字化的仿真系统，非相干散射雷达的信号处理 也从单纯的硬件实现转变为软件实现，越来越多的非相干散射雷达将探测到的实时数据存 入到计算机，然后用专业的软件进行高速处理，并且通过互联网实现数据共享，使得处理信 号更具有灵活性，维护和更新处理也是十分的方便。
【发明内容】
[0006] 本发明是的目的是提出一种估算电离层非相干散射雷达探测威力的仿真方法，非 相干散射探测是指电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的散 射，接收这种能量从而获取到电离层物理参数的电离层探测方法，通过非相干散射探测得 到的信号是很微弱的，为了获得足够的信噪比，需要选择具有合适功率孔径积的射频收发 设备、低噪声接收设备和复杂的信息处理技术，才能将它们从探测系统的噪声背景中提取 出来，实现电离层参数的精确测量，非相干散射雷达是一个耗资巨大的工程，为了不至于造 成过高的建造以及维修费用，所以需要比较精确的估算雷达的探测威力，从而确定非相干 散射雷达的探测性能，这对于指导非相干散射雷达的设计有重要的意义。
[0007] 雷达采用大口径的抛物面以及相控阵天线，对天线系统的仿真不但有助于优化系 统性能，在很大程度上能够降低建造成本，对于这种大口径的天线，仿真尤为重要，通过仿 真，以及不断的优化仿真，可以帮助我们选择最具有性价比的天线设计。
[0008] 非相干散射探测的目标是电离层这样一种特殊的软目标，通过对雷达方程进行一 系列推导，最终得到信噪比的计算方法，代入具体的参数值，来进行仿真，得到信噪比的仿 真结果。
[0009] 我们可以从雷达方程知道，系统信噪比可以表示是：
在这里，/堤探测距离，在距离为兄时信噪比为1，兄可以被定义为：
是平均发射功率，为天线增益，为目标的截面部分，4是损耗，在单站ISR 雷达工作系统中，工作在垂直入射和反向散射模式下，对于从一块电离层反射回的非相干 散射功率，近似表达为：
M肩示雷达峰值功率孔径乘积，是电子密度，假定发射器和接收器的孔径是相同 的，％可被定义为：
^是电子雷达截面（i〇_28m2)，是德拜长度，2是波长），/yz;是电 子-离子温度比。噪声功率
左是波尔兹曼常数，&为系统噪声温度，沒为接收机带宽。
[0010] 和普通雷达系统一样，ISR系统的距离分辨率是由传输的脉冲宽度T决定。
系统的瞬时（单脉冲）信噪比可以定义为：
4#为雷达系统损耗。
[0012] 在分析非相干散射雷达探测威力的过程中，主要包括，用开发的软件处理了国外 性能相近的雷达原始数据，并且将处理后的结果和软件仿真结果进行对比，主要在matlab 平台来完成。具体来说，我们分别从International Reference Ionosphere(IRI)， European Incoherent Scatter Scientific Association (ElSCAT)以及 Advanced Modular Incoherent Scatter Radar (AMISR)获得数据，得到回波信号功率4和噪声功率 4信噪比SNR可以直接求得：
从官方EISCAT和AMISR处获得某一时刻的实测数据，根据公式（8)，使用matlab画出 信噪比随着探测距离变化图形。然后利用公式（7)，处理IRI模型同一时刻的数据，得到信 噪比仿真结果，将实时数据处理的结果和我们的仿真结果进行相应的对比分析。
[0013] IRI是根据大量探测到的电离层数据得到的一个标准经验模型；EISCAT是在欧 洲建立的一种多站形式的非相干散射雷达，适用于电离层运动的测量，这里使用了 EISCAT Svalbard Radar (ESR)的测量数据，该雷达采用抛物面天线；AMISR是一种先进的模块化设 备，这里使用了 Poker Flat AMISR (PFISR)提供的数据，该雷达采用相控阵的天线。
[0014] 本发明对电离层非相干散射雷达探测威力的仿真，主要通过对雷达方程的推导， 得到信噪比公式，适用于探测电离层这种软目标，再利用软件仿真实现，使得操作更灵活， 优化更方便，模块化的仿真，具有很强的移植性，经过对比，该方法可以精确的分析非相干 散射雷达的探测威力。
【附图说明】
[0015] 图1为：估算非相干散射雷达探测威力的流程图； 图2为：2004年1月22日4:00仿真结果与EISCAT实测数据信噪比对比； 图3为：2004年1月22日5:00仿真结果与EISCAT实测数据信噪比对比； 图4为：2004年1月22日8:00仿真结果与EISCAT实测数据信噪比对比； 图5为：2011年9月11日4:00仿真结果与AMISR 64 panels实测数据信噪比对比； 图6为：2011年9月11日4:00仿真结果与AMISR 128 panels实测数据信噪比对比。
【具体实施方式】
[0016] 首先深入了解非相干散射雷达探测电离层的原理，根据雷达方程推导出适合探测 目标为电离层这样一种软目标的方程，得到计算信噪比的公式（7)。如图1是估算非相干 散射雷达探测威力的流程图，我们从EISCAT官方获得2004年1月22日4:00，5:00以及 8:00的实测数据，获得回波功率以及噪声功率，由公式（8)绘制出实测数据的信噪比，同时 在IRI经验模型上取得同一地点、同一时间对应的数据，将具体的参数值代入公式（7)，得 到对应时刻的仿真结果，将两者进行对比，如图2,图3,图4。从图中可以看出来，两者结果 是吻合的。
[0017] 之后我们从AMISR官方得到2011年9月11日4:00的实测数据，包括配置为64 panels和128panels，64 panels时，峰值发射功率为0. 9 MW，天线阵孔径为360 m2;128 panels时，峰值发射功率为1.8 MW，天线阵孔径为720 m2,获得回波功率和噪声功率，由公 式（8)绘制出实测数据的结果。同时在IRI经验模型上获得同一地点、同一时间所对应的数 据。将具体的参数值代入公式（7)，画出信噪比的仿真结果，将两者进行对比，如图5,图6， 可以发现在64 panels时，信噪比在低于500 Km的情况下，是很平滑吻合的；128 panels 时，信噪比在低于700 Km的情况下，有很好的吻合效果。
[0018] 经过对比，说明我们对于非相干散射雷达探测威力的仿真方法是可靠可行的，这 对其它的雷达系统设计有很重要的指导意义。
【主权项】
1.电离层非相干散射雷达探测威力仿真方法，其特征在于，首先官方EISCAT和AMISR 处获得某一时刻的实测数据，根据公式式中 /^一回波信号功率、噪声功率棄声功率， 计算出信噪比，使用matlab画出信噪比随着探测距离变化图形； 然后利用公￥ 式中示雷达峰值功率孔径乘积，距离分辨率淑，&是电子密度，疋是探测 距离，A是波尔兹曼常数，^为系统噪声温度，i?为接收机带宽，4,s为雷达系统损耗，'是电子雷达截面（l(T28m2)，是 德拜长度，2是波长），是电子-离子温度比，处理IRI模型同一时刻的数据，得到信 噪比仿真结果，将实时数据处理的结果和我们的仿真结果进行相应的对比分析。
【专利摘要】本发明提供了一种电离层非相干散射雷达探测威力仿真方法，首先从官方EISCAT和AMISR处获得某一时刻的实测数据，根据公式计算信噪比，使用matlab画出信噪比随着探测距离变化图形。然后利用公式处理IRI模型同一时刻的数据，得到信噪比仿真结果，将实时数据处理的结果和我们的仿真结果进行相应的对比分析。本发明通过对雷达方程的推导，得到信噪比公式，适用于探测电离层这种软目标，经过对比，该方法可以精确的分析非相干散射雷达的探测威力。
【IPC分类】G01S7/40
【公开号】CN104898101
【申请号】CN201510235116
【发明人】姚明, 鲁自清, 邓校华
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月11日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于估算电离层非相干散射雷达探测威力的仿真设计方法。
【背景技术】
[0002] 大气层包围我们人类所生存的环境，电离层是地球大气电离的区域，其范围从80 Km-直延伸至大约1000 Km，该区域有非常多的自由电子和离子，足够影响无线电波的传播 速度，发生反射、散射和折射，从而可以对无线电通信，航空航天和导航测量等等人类的空 间活动都能产生重要的影响，所以对电离层的研宄显得颇为重要。
[0003] 电离层的探测主要有地基的测高仪、返回散射探测、斜向探测，以及天基的顶部探 测、掩星探测等手段，由于电离层中的大气很稀薄，根据能量守恒定律可以知道，地面大气 的一个小振幅扰动，可能引起电离层中振幅较大的扰动，比较容易观测到，电离层的主要特 性是其电子密度、电子温度、离子温度、漂移速度和离子成分等参数，非相干散射雷达是测 量电离层参数和电场最有效的设备，是研宄电离层结构和动力学过程最强有力的工具，也 是目前唯一能够测量整个电离层高度的探测设备，可以准确全剖面以及多参数的监测电离 层。
[0004] 非相干散射雷达利用高空大气中电子和等离子体热起伏的微弱散射信号，测量高 空大气的物理参数，由于这种热起伏引起的散射信号是非相干的，所以叫做非相干散射雷 达。非相干散射雷达的探测目标是电离层中的电子和离子，时间分辨率和高度分辨率较高， 能获取不同时间空间上的电离层等离子体自相关和功率谱。单个自由电子对电磁波的散射 称为汤姆孙散射，也被称为非相干散射，1958年戈登（W. E. Gordon)首次提出非相干散射 理论，电离层中存在的自由电子对无线电波的散射可以非相干叠加，并且使用地面大功率 雷达有可能测到散射回波。同年鲍尔斯（K. L. Bowles)测得了电离层的散射回波，之后非 相干散射探测逐渐的发展起来。非相干散射雷达具有天线有效面积大、发射功率高、系统噪 声低以及专用脉冲编码技术等特点。非相干散射雷达是对空间天气情况等现象进行监测和 预报的重要技术手段，所以对非相干散射雷达的研宄具有重大意义。
[0005] 微电子技术和数字技术的发展使得雷达信号处理的功能越来越强，算法也越来越 复杂，伴随着信号处理理论的发展，以及计算机技术的快速发展，不断的提高了存储空间和 计算能力，随即涌现了通过计算机实现全数字化的仿真系统，非相干散射雷达的信号处理 也从单纯的硬件实现转变为软件实现，越来越多的非相干散射雷达将探测到的实时数据存 入到计算机，然后用专业的软件进行高速处理，并且通过互联网实现数据共享，使得处理信 号更具有灵活性，维护和更新处理也是十分的方便。
【发明内容】
[0006] 本发明是的目的是提出一种估算电离层非相干散射雷达探测威力的仿真方法，非 相干散射探测是指电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的散 射，接收这种能量从而获取到电离层物理参数的电离层探测方法，通过非相干散射探测得 到的信号是很微弱的，为了获得足够的信噪比，需要选择具有合适功率孔径积的射频收发 设备、低噪声接收设备和复杂的信息处理技术，才能将它们从探测系统的噪声背景中提取 出来，实现电离层参数的精确测量，非相干散射雷达是一个耗资巨大的工程，为了不至于造 成过高的建造以及维修费用，所以需要比较精确的估算雷达的探测威力，从而确定非相干 散射雷达的探测性能，这对于指导非相干散射雷达的设计有重要的意义。
[0007] 雷达采用大口径的抛物面以及相控阵天线，对天线系统的仿真不但有助于优化系 统性能，在很大程度上能够降低建造成本，对于这种大口径的天线，仿真尤为重要，通过仿 真，以及不断的优化仿真，可以帮助我们选择最具有性价比的天线设计。
[0008] 非相干散射探测的目标是电离层这样一种特殊的软目标，通过对雷达方程进行一 系列推导，最终得到信噪比的计算方法，代入具体的参数值，来进行仿真，得到信噪比的仿 真结果。
[0009] 我们可以从雷达方程知道，系统信噪比可以表示是：
在这里，/堤探测距离，在距离为兄时信噪比为1，兄可以被定义为：
是平均发射功率，为天线增益，为目标的截面部分，4是损耗，在单站ISR 雷达工作系统中，工作在垂直入射和反向散射模式下，对于从一块电离层反射回的非相干 散射功率，近似表达为：
M肩示雷达峰值功率孔径乘积，是电子密度，假定发射器和接收器的孔径是相同 的，％可被定义为：
^是电子雷达截面（i〇_28m2)，是德拜长度，2是波长），/yz;是电 子-离子温度比。噪声功率
左是波尔兹曼常数，&为系统噪声温度，沒为接收机带宽。
[0010] 和普通雷达系统一样，ISR系统的距离分辨率是由传输的脉冲宽度T决定。
系统的瞬时（单脉冲）信噪比可以定义为：
4#为雷达系统损耗。
[0012] 在分析非相干散射雷达探测威力的过程中，主要包括，用开发的软件处理了国外 性能相近的雷达原始数据，并且将处理后的结果和软件仿真结果进行对比，主要在matlab 平台来完成。具体来说，我们分别从International Reference Ionosphere(IRI)， European Incoherent Scatter Scientific Association (ElSCAT)以及 Advanced Modular Incoherent Scatter Radar (AMISR)获得数据，得到回波信号功率4和噪声功率 4信噪比SNR可以直接求得：
从官方EISCAT和AMISR处获得某一时刻的实测数据，根据公式（8)，使用matlab画出 信噪比随着探测距离变化图形。然后利用公式（7)，处理IRI模型同一时刻的数据，得到信 噪比仿真结果，将实时数据处理的结果和我们的仿真结果进行相应的对比分析。
[0013] IRI是根据大量探测到的电离层数据得到的一个标准经验模型；EISCAT是在欧 洲建立的一种多站形式的非相干散射雷达，适用于电离层运动的测量，这里使用了 EISCAT Svalbard Radar (ESR)的测量数据，该雷达采用抛物面天线；AMISR是一种先进的模块化设 备，这里使用了 Poker Flat AMISR (PFISR)提供的数据，该雷达采用相控阵的天线。
[0014] 本发明对电离层非相干散射雷达探测威力的仿真，主要通过对雷达方程的推导， 得到信噪比公式，适用于探测电离层这种软目标，再利用软件仿真实现，使得操作更灵活， 优化更方便，模块化的仿真，具有很强的移植性，经过对比，该方法可以精确的分析非相干 散射雷达的探测威力。
【附图说明】
[0015] 图1为：估算非相干散射雷达探测威力的流程图； 图2为：2004年1月22日4:00仿真结果与EISCAT实测数据信噪比对比； 图3为：2004年1月22日5:00仿真结果与EISCAT实测数据信噪比对比； 图4为：2004年1月22日8:00仿真结果与EISCAT实测数据信噪比对比； 图5为：2011年9月11日4:00仿真结果与AMISR 64 panels实测数据信噪比对比； 图6为：2011年9月11日4:00仿真结果与AMISR 128 panels实测数据信噪比对比。
【具体实施方式】
[0016] 首先深入了解非相干散射雷达探测电离层的原理，根据雷达方程推导出适合探测 目标为电离层这样一种软目标的方程，得到计算信噪比的公式（7)。如图1是估算非相干 散射雷达探测威力的流程图，我们从EISCAT官方获得2004年1月22日4:00，5:00以及 8:00的实测数据，获得回波功率以及噪声功率，由公式（8)绘制出实测数据的信噪比，同时 在IRI经验模型上取得同一地点、同一时间对应的数据，将具体的参数值代入公式（7)，得 到对应时刻的仿真结果，将两者进行对比，如图2,图3,图4。从图中可以看出来，两者结果 是吻合的。
[0017] 之后我们从AMISR官方得到2011年9月11日4:00的实测数据，包括配置为64 panels和128panels，64 panels时，峰值发射功率为0. 9 MW，天线阵孔径为360 m2;128 panels时，峰值发射功率为1.8 MW，天线阵孔径为720 m2,获得回波功率和噪声功率，由公 式（8)绘制出实测数据的结果。同时在IRI经验模型上获得同一地点、同一时间所对应的数 据。将具体的参数值代入公式（7)，画出信噪比的仿真结果，将两者进行对比，如图5,图6， 可以发现在64 panels时，信噪比在低于500 Km的情况下，是很平滑吻合的；128 panels 时，信噪比在低于700 Km的情况下，有很好的吻合效果。
[0018] 经过对比，说明我们对于非相干散射雷达探测威力的仿真方法是可靠可行的，这 对其它的雷达系统设计有很重要的指导意义。
【主权项】
1.电离层非相干散射雷达探测威力仿真方法，其特征在于，首先官方EISCAT和AMISR 处获得某一时刻的实测数据，根据公式式中 /^一回波信号功率、噪声功率棄声功率， 计算出信噪比，使用matlab画出信噪比随着探测距离变化图形； 然后利用公￥ 式中示雷达峰值功率孔径乘积，距离分辨率淑，&是电子密度，疋是探测 距离，A是波尔兹曼常数，^为系统噪声温度，i?为接收机带宽，4,s为雷达系统损耗，'是电子雷达截面（l(T28m2)，是 德拜长度，2是波长），是电子-离子温度比，处理IRI模型同一时刻的数据，得到信 噪比仿真结果，将实时数据处理的结果和我们的仿真结果进行相应的对比分析。
【专利摘要】本发明提供了一种电离层非相干散射雷达探测威力仿真方法，首先从官方EISCAT和AMISR处获得某一时刻的实测数据，根据公式计算信噪比，使用matlab画出信噪比随着探测距离变化图形。然后利用公式处理IRI模型同一时刻的数据，得到信噪比仿真结果，将实时数据处理的结果和我们的仿真结果进行相应的对比分析。本发明通过对雷达方程的推导，得到信噪比公式，适用于探测电离层这种软目标，经过对比，该方法可以精确的分析非相干散射雷达的探测威力。
【IPC分类】G01S7/40
【公开号】CN104898101
【申请号】CN201510235116
【发明人】姚明, 鲁自清, 邓校华
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月11日
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