[發明專利]基于CLEAN算法的電離層電子密度反演方法

有效

• 申請號: 202010430957.5
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111580061B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 郝紅連;趙必強;樂新安;丁鋒;曾令旗
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 北京市恒有知識產權代理事務所(普通合伙) 11576
• 代理人: 郭文浩;尹文會

本發明屬于信號與信息處理領域，具體涉及一種基于CLEAN算法的電離層電子密度反演方法、系統、裝置，旨在解決非相干散射等離子體譜線計算量大以及電子密度剖面反演精度不夠的問題。本系統方法包括：獲取IQ數字信號；提取并刪除IQ數字信號中脈沖發射期間采集的信號部分，構建二維矩陣；通過頻域FFT算法解碼計算各距離門高度的信號功率譜；迭代獲取各距離門高度的功率譜數據進行累加，并通過系統頻率響應函數進行去噪；基于CLEAN算法對去噪后的功率譜數據解卷積；通過樣條插值法獲取整個高度剖面的等離子體譜線，并利用朗繆爾色散關系擬合得到電離層電子密度剖面。本發明提高了等離子體譜線計算的實時性和電子密度剖面反演的精度。

技術領域

本發明屬于信號與信息處理領域，具體涉及一種基于CLEAN算法的電離層電子密度反演方法、系統、裝置。

背景技術

在電離層研究中使用超大天線增益的大功率甚高頻/超高頻雷達系統叫做非相干散射雷達。非相干散射的機理是發射的雷達脈沖入射到電離層中每個自由電子上時，會引起電子振蕩并加速電子，從而引起電磁能的再輻射，這種過程稱作湯姆遜散射或非相干散射。因此非相干散射信號譜是非相干散射雷達對電離層電子密度的熱起伏引起電磁散射的統計測量。

非相干散射雷達發射電磁波信號后散射回來的回波信號功率譜由具有雙峰結構的窄帶離子譜線和較弱更窄的上移、下移等離子體譜線組成，它們分別是與離子聲波和朗繆爾波的色散關系有關。離子譜線中包含有等離子體漂移速度、電子密度、電子/離子溫度和離子成分等信息。通過離子聲波散射的離子譜線來獲取的測量精度受到雷達系統的狀態、積累時間、脈沖編碼方式等多種因素的影響，使得某些電離層參量如電子密度時空分辨率變得比較差，還需要進一步的標校和定標。那么如果能準確獲取朗繆爾波散射的等離子體譜線，然后提取等離子體譜線每個高度的頻偏，利用朗繆爾色散關系，就可以反演得到精度更高的電子密度剖面，這樣得到的電子密度信息也可以作為離子譜線散射模型的先驗信息。但是由于等離子體譜線通常位于信號功率譜中心頻帶外的1～15MHz處，帶寬非常窄并且很微弱，而且散射信號在被接收采樣后帶來的距離模糊使得更加難以從回波信號中分離出等離子體譜線。因此等離子體譜線的測量需要非相干散射雷達接收系統帶寬要大于等于兩倍等離子體頻率以及較好的頻譜分辨率。同時要在整個高度剖面范圍內進行數據采樣并獲得所需的頻譜分辨率，尤其是對于實時計算來說，就需要在數據處理方面也要具備較強的數據計算能力。

CLEAN算法是一種在去除特定頻率信號的同時將信號副瓣也可以同時去除的解卷積技術，在改善圖像質量方面有廣泛應用。在常規硬目標雷達回波處理中常用來抑制雜噪信號。在非相干散射雷達信號處理領域，將CLEAN算法應用于等離子體譜線的提取問題目前還沒有研究。實際上，計算實測的非相干散射回波信號的自相關過程就是某個高度的等離子體自相關與對應模糊函數的卷積過程，因此對實測回波信號自相關解模糊的過程其實就是對實測回波信號的解卷積。在頻域，就是實測回波信號的功率譜等于等離子體譜線與模糊函數做傅里葉變換后的乘積。因此，本發明提出了一種基于CLEAN算法的電離層電子密度反演方法、系統、裝置。

發明內容

為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決現有的非相干散射等離子體譜線計算量大以及電子密度剖面反演精度不夠的問題，本發明第一方面，提出了一種基于CLEAN算法的電離層電子密度反演方法，該方法包括：

步驟S100，獲取一個脈沖重復周期內電離層散射的回波信號并進行下變頻，得到IQ數字信號；所述回波信號包括脈沖發射期間，雷達接收機采樣的回波信號；

步驟S200，提取并刪除IQ數字信號中脈沖發射期間采集的信號部分；基于剩余的信號數據，結合預設的距離門個數及各門的FFT點數，通過預設的第一方法構建二維矩陣；

步驟S300，基于所述二維矩陣中各距離門對應的信號數據，通過頻域FFT算法解碼計算各距離門高度的信號功率譜，作為第一功率譜數據；