高频地波雷达垂直向电离层电子浓度估计方法

杨旭光　于长军　刘爱军　权太范

(1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨 150001;2.哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨 150001;3.哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院,威海 264209)



高频地波雷达垂直向电离层电子浓度估计方法

杨旭光1,2于长军3刘爱军3权太范1

(1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨 150001;2.哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨 150001;3.哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院,威海 264209)

摘要高频地波雷达工作时,往往同时接收到大量的电离层反射回波,这些电离层杂波会对目标检测造成严重影响,因此,电离层杂波抑制是当前高频地波雷达领域的研究热点. 文章将电离层回波视为可用信源,从中反演出垂直方向电离层对应的电子浓度与等离子体频率. 对R-D(Range-Doppler)谱图进行预处理,获取垂直方向的电离层回波谱,建立其回波功率与电离层雷达散射截面积之间的数学模型,进而得到对应的电子浓度. 在高频地波雷达站进行了实验,并将反演结果与IRI-2012进行对比,验证了该方法的可行性和有效性.

关键词高频地波雷达;电离层垂直探测;电子浓度;相关特性

引言

高频地波雷达利用高频段垂直极化电磁波沿海面绕射的特性,已经在海面超视距目标探测和海态遥感领域取得了显著的成就. 理想情况下,海面构成无限大理想导电平面,高频地波雷达发射的垂直极化电磁波均沿海面传播,不会向上空辐射. 但在实际系统中,由于地网尺寸有限、阵元误差等工程原因,部分能量向高空辐射,经过电离层反射、折射调制后,以多种路径返回雷达接收机,形成电离层回波,对目标探测带来严重的干扰[3-4].

目前已有大量文章对电离层杂波抑制进行了研究[5-7],同时也获得了许多关于电离层回波的特性. 文献[8]研究表明近垂直方向的镜面散射电离层回波没有明显方向性,而低仰角入射进雷达接收阵列的扩展电离层回波具有一定的方向性. 文献[9]对高频地波雷达电离层回波的统计特性进行了分析,指出大部分距离单元的电离层回波近似满足瑞利分布,不满足瑞利分布的电离层回波则满足威布尔分布. 文献[10]指出占据较少距离单元的电离层回波,例如来自Es层、F层镜面散射的回波,具有一致的方向性,而占据较多距离单元的电离层回波,例如扩展F层,则不具有方向性等特点. 并且,电离层杂波的一致方向性不随频率的改变而变化. 文献[11]指出高频地波雷达电离层回波受电离层高度的影响,E层引起的回波多普勒频移较小,F层较大;某些电离层回波具有明显的方向性. 文献[12]利用L阵对高频地波雷达电离层回波空间分布进行研究,大量实测数据统计表明:虽然电离层回波的俯仰角范围为0°～90°,但绝大多数回波来向为大于70°的高仰角. 一般情况下高频地波雷达的接收天线为垂直极化鞭状天线,理论上天顶方向接收不到电离层回波,但实际系统中地网的铺设使得阵列天线垂直方向图的零点偏离原来的天顶方向,因此仍会接收到天顶方向的电离层回波,并且高仰角回波强度明显大于低仰角回波[4]. 文献[13]通过连续数小时的长时观测,利用时频分布的方法获得了电离层的虚高及多普勒频移等信息,但没有分析对应电离层的具体空间位置. 本文试图通过短时间(一个相干积累周期,一般30 s左右)的观测数据,通过雷达探测方程来获取垂直向电离层区域的电子浓度及对应等离子体频率.

本文第2部分给出了从高频地波雷达不同方向R-D谱中提取垂直方向电离层回波的方法. 第3部分建立了雷达观测方程与电离层雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)的数学关系. 第4部分给出了高频地波雷达上午、下午和晚间实测数据的反演结果,并与IRI-2012进行对比验证.

1提取垂直向电离层回波的方法

高频地波雷达一般发射的是线性调频信号,每个天线单元在接收回波信号后需要进行脉冲解压,然后将各个天线单元回波信号进行相位加权,形成多个波束方向图,覆盖整个探测区域. 再对某一波束,在一个相干积累周期内,对同一距离单元进行快速傅里叶变换,就得到该距离门上的多普勒频移. 对所有的距离门做这样的处理后,就得到了本文中要处理的数据源——R-D谱. 由于高频地波雷达一般采用一维线阵,通过波束形成只能得到电离层所在的方位角,无法得到俯仰角. 而每个方向的R-D谱中均包含了各个仰角的电离层回波,因此首先必须提取出垂直方向的电离层回波.

同时,电离层具有高度的时变特性,即使单个积累周期内也会发生显著变化. 图1是2013年1月20日在威海雷达站采用L阵(8×8,水平向阵元间距15 m,垂直向阵元间距10 m)电离层回波在一个相参积累周期内的空间谱,可见在150 s内电离层回波的方位角和俯仰角都发生了明显的变化.

(a) 水平向空间谱

(b) 垂直向空间谱图1　单个相干积累周期内电离层回波的空间谱

在一个相干积累周期内,每个方向波束R-D谱均包含对应方位角、0°～90°俯仰面所有的电离层回波,而所有波束的重叠部分只有俯仰角0°方向. 因此,同一时刻各个方向波束R-D图的重叠部分,即是垂直向电离层的回波.

由于R-D图中不仅包含电离层回波,还有海杂波、流星余迹、噪声等背景噪声,因此提取垂直向电离层回波前,首先需对R-D图进行预处理. 预处理包括四部分:

1) 阈值分割

在高频段,一般80 km以下没有电离层回波,取该区域的平均功率为噪声功率PN. 典型的杂噪比为20～35 dB[14],因此取阈值δ为δ=PN+20.

将R-D谱上所有分辨单元大于等于阈值的分辨单元记为1,其它记为0,这样就得到回波掩膜. 下面判断该掩膜上是否存在电离层回波.

2) 模板卷积

设计一个二维模板

式中:M为模板覆盖的距离单元个数;N为模板覆盖的多普勒单元个数.根据电离层回波的特点,取距离覆盖范围为15 km,多普勒覆盖范围为0.5 Hz.

将电离层回波掩膜与二维模板进行二维卷积运算,如果得到的卷积结果矩阵最大值与模板的比值大于或等于阈值γ(0<γ<1),则杂波掩膜中存在能覆盖电离层回波模板γ×100%以上检测单元的连续区域,因此认为存在电离层回波,检测结果D=1,否则D=0. 若检测阈值γ太小,会将其他非电离层回波误判为电离层回波,如高海态时的二阶海杂波. 若γ太大,则可能使部分电离层回波不符合模板标准而漏检. 通过对100批实测数据统计发现,取γ=0.8较为合理.

3) 方差分离

这步是将垂直向电离层回波与斜向电离层回波分离. 由于非垂直方向的电波具有较强的方向性,而垂直方向的回波方向性并不明显. 因此,可通过R-D谱中像素的方差来刻画回波信号的波束角度. 首先计算R-D图中每个点像素值的方差,如果该点的方差较大,说明该像素点对应较强方向性的斜射回波;如果该像素值的方差较小,说明该点对应接近天顶方向的回波. 因此,可通过对像素点归一化的方差值来去除非垂直方向的电离层回波[15].

4) 连通区域生成

以上处理均没有考虑电离层回波形态特征——面状或带状分布,因此继续使用区域生成法通过选取种子元素,逐步完成图像分割,以滤除海杂波及零星回波等.

此时结合电离层先验信息,选择100～150 km距离门的回波作为E层回波,150 km距离门以上回波作为F层回波. 最后,将各个方向R-D图重叠部分作为垂直方向的电离层回波.

2电子浓度估计方法

一般情况下,单基地高频地波雷达探测方程为

(1)

式中: R为雷达与目标的距离,文中为电离层虚高,m; Pt为雷达发射功率,W; Pr为雷达接收功率,W; Gr、Gt为发射天线与接收天线的增益; σt为目标的雷达散射截面,m2; λ为雷达工作波长,m; Pn=KBT0Fa为噪声功率,W,KB为玻尔兹曼常数,T0为环境绝对温度,Fa为外部噪声系数,随时间、季节、地点而变化,且随频率的增高而降低,根据中国沿海情况,一般取Fa=40dB; Ls为雷达设备的系统消耗; Lp为电离层传播路径中的损耗. 下面讨论Lp和σt.

1) 高频电波在电离层传播路径中的损耗

在中纬地区,传播损耗Lp主要包括电离层吸收Aie和附加衰减Az等[16]. 即Lp=Aie+Az.其中

(2)

式(2)中: I为吸收指数,由太阳黑子数及太阳天顶角决定; f为电波频率,MHz; fH为磁旋频率,MHz.

除以上衰减外,实际电离层传播衰减还受到沿途传播条件的影响,因此还应考虑附加衰减Az,一般Az=9.9dB.

2) 电离层RCS估计

高频雷达中的电离层回波属于面散射,需考虑主瓣范围内的散射表面. 由于照射面积受波束限制[17],因此实际的雷达照射面积为

S=RΔRθ3.

(3)

式中: θ3为天线的方位波瓣3dB宽度,弧度; R为雷达到电离层的距离;ΔR为距离分辨单元,ΔR=cτ/2,c为光速,τ为脉冲宽度.

由单个电子的散射截面[18]σe≈10-28m2,设照射范围内电子密度为Ne,则总散射截面σt为

σt=SNeσe.

(4)

因此,在已知发射频率和电离层距离等参数后,将式(3)、(4)代回雷达探测方程(1),即可得到照射范围内的电离层电子浓度Ne

(5)

在获得电离层电子浓度Ne后,便可得到对应的等离子体频率

(6)

3实验与分析

本实验使用的高频地波雷达发射天线为竖笼天线,接收天线为八根鞭状天线. 参数如下:

地点:中国威海;东经122.1°,北纬37.5°

7个波束指向依次为:-48°,-32°,-16°,0°,16°,32°,48°.

脉冲重复周期Tp=4 ms.

扫频周期Tsw=32×Tp=128 ms.

相干积累周期TA=Tsw×256=32.8 s.

发射信号为线性调频,带宽Bw=30 kHz.

距离单元Rbin=5 km.

发射功率Pt=2 kW.

图2是2014年5月22日10:00,方位角0°方向的R-D图,图3(a)为阈值分割后结果,图3(b)为模板卷积后结果,图3(c)为方差处理后结果,图3(d)为连通域处理后结果,图3(e)为最终提取出的垂直向F2层回波.

图2　发射频率5.5 MHz的R-D谱(波束指向0°)

(a) R-D谱阈值分割后结果

(b) R-D谱模板卷积后结果

(c) R-D谱方差处理后结果

(d) R-D谱连通区域生成后结果

(e) 提取F2层垂直回波图3　预处理和提取F2层垂直回波结果

本文分别对不同时刻不同频率的多组实测数据进行了处理,表1是按照本文方法得到的电子浓度与IRI-2012模型估计值的对比结果,表2是按照本文方法得到的等离子体临界频率与IRI-2012模型估计值的对比结果,按时间顺序依次为2014年5月23日晚间、24日下午和25日早晨.

表1　实测与IRI-2012模型的电子浓度比较

表2　实测等离子体频率与IRI-2012模型的比较

表3为本文对电子浓度的反演结果与IRI-2012模型之间误差分析,绝对误差均值为8.39×1010m-3,相对误差均值为33.6%;表4为本文对等离子体频率的反演结果与IRI-2012模型之间误差分析,绝对误差均值为0.54 MHz,相对误差均值为17.39%.总体上看，夜间的探测误差大于白天,F层探测误差大于E层，高频误差大于低频. 但由于IRI-2012模型属于统计模型,因此误差在可接受范围内.

表3　实测电子浓度与IRI-2012模型的误差

表4　实测等离子体频率与IRI-2012模型的误差

4结论

本文通过高频地波雷达回波不同方向R-D图中提取出垂直方向电离层回波,并建立回波能量与电离层RCS之间关系模型,进而估计出对应电离层的电子浓度和等离子体频率,拓展了高频地波雷达的应用范围. 与IRI-2012统计模型对比表明,高频地波雷达的电离层信息探测的途径具有一定的可信度. 这一研究的意义在于在现有的对海超视距目标探测高频地波雷达系统中增加了电离层探测功能,进而对于电离层探测以及电离层-海态内在关联的研究提供了新的思路.

但高频地波雷达探测采用定频模式,各频率之间切换至少要间隔一个相干积累周期(本文为32 s),不能像垂测仪那样在高频段快速扫频,而电离层具有高度时变特性,因此该模型只能适用于电离层平稳时期. 同时由于目前用于探测目标的常规高频地波雷达使用一维线阵,无法得到俯仰信息. 如何反演高频地波雷达斜射方向电离层信息,进而重构出整个雷达覆盖面内的电离层特征,这是下一步要研究的问题.

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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

中图分类号TN011.2

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0291-07

DOI10.13443/j.cjors.2015061402

作者简介

杨旭光(1984-),男,哈尔滨工业大学博士研究生,哈尔滨工程大学讲师,主要研究方向为雷达信号处理技术及电离层探测技术等.

于长军(1962-),男,哈尔滨工业大学(威海)博士生导师,教授,主要研究方向为雷达信号处理及电子测量技术等.

刘爱军(1971-),男,哈尔滨工业大学(威海)硕士生导师,副教授,主要研究方向为高频地波雷达信号处理及极化抗干扰等.

权太范(1949-),男,哈尔滨工业大学博士生导师,教授,主要研究方向为雷达信号处理、数据融合、目标跟踪等.

杨旭光, 于长军, 刘爱军, 等. 高频地波雷达垂直向电离层电子浓度估计方法[J]. 电波科学学报,2016,31(2):291-296+381. DOI:10.13443/j.cjors.2015061402

YANG X G, YU C J, LIU A J, et al. The vertical ionosphere electron density probing with high frequency surface wave radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):291-296+381. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015061402

资助项目: 国家自然科学基金(61571159，61171188)

联系人： 于长军 E-mail: Yuchangjun@hit.edu.cn