一種天波超視距雷達電離層信道模型的製作方法
2023-07-09 23:13:21 2
專利名稱：一種天波超視距雷達電離層信道模型的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷達電波傳播領域，特別涉及天波超視距雷達電磁波的電離層傳播技術。
背景技術：
天波超視距雷達利用電離層對高頻信號的折射實現對遠程目標的超視距探測。電離層是隨機的、色散的、各向異性和雙折射的複雜介質，會嚴重影響天波超視距雷達的探測。因此，建立天波超視距雷達電離層信道模型，描述電離層對回波信號的影響，對天波超視距雷達的設計和運作意義重大。目前，國內外學者對電離層信道建模已經進行了大量研究，其中，大多數從短波天波通信的角度出發建立單向傳播模型，如Watterson等提出的高斯散射增益抽頭延遲線模型(簡稱Watterson模型)，美國海軍研究實驗室(NRL)提出的以信道散射函數為基礎的電離層參數模型(IPM模型)等。以上模型均為經驗型模型，通過實測數據統計分析，加以數學抽象得到，結構簡單，但是不能與具體信道條件準確對應。為更精確刻信道特性，人們從電離層電波傳播的物理機制出發建立信道模型。電離層電波傳播的物理機制較為複雜，按照作用機理和研究方法分為兩大類一類是無隨機變化的背景電離層對電波傳播的影響，利用確定性方法研究，如全波法、幾何光學(射線追蹤)法等，其中幾何光學(射線追蹤)法是應用較廣的一類方法。自20世紀50年代由Haselgrove等人奠定了完善的理論基礎後，數值射線追蹤方法得到了眾多國內外學者的關注，數十年來，不斷發展並得到了越來越廣泛的應用。在20世紀70年代由Jones等開發了一組射線追蹤程序，它提供了一系列電離層剖面、地磁場模型和碰撞剖面，至今仍然被廣泛採用或借鑑。為了改善精度和使程序更加實用，人們從多個方面對Jones等人的程序進行了改進,例如,用國際參考電離層(International ReferenceIonosphere, IRI)模型產生電離層剖面，用國際地磁參考場(International GeomagneticReference, IGRF)模型替換了原有地磁場模型，有學者還根據中國科學家的一些觀測結果，對國際參考電離層IR1-2007進行了修正。由於碰撞效應僅造成能量的吸收的，對信號的傳 播路徑影響不大，上述模型中僅關心射線路徑，故在計算中均忽略了碰撞效應。對於雷達信道而言，信道的衰減會影響雷達作用距離的預測，不同頻率的信道衰減不同也會影響雷達發射頻率的選擇，因此，雷達的情形需考慮碰撞效應。另一類是電子密度不規則體引起的隨機電波傳播，主要針對電波的電離層閃爍現象，利用隨機和統計方法研究。研究結果表明，以Rytoy解為核心的弱閃爍理論是比較滿意的，弱閃爍情況下，閃爍指數S4、互相干函數以及譜密度都可以利用相位屏理論或者Rytov解來計算。對於強閃爍的情形，多相位屏方法(Mult1-phase Method)和相位屏衍射方法(PhaseScreen/Diffraction Method)更為適合。對天波超視距雷達電離層信道的建模而言，既要考慮背景電離層對電波傳播的影響，又要考慮電子密度不規則體引起的隨機電波傳播特性。然而，目前，基於物理信道的模型多數以單向傳播為背景，僅關注其相關函數、散射函數等隨機特性。有學者提出了一種基於相位屏衍射方法和數值射線追蹤的高精度電離層信道模型，可適用於雷達情形。該模型考慮物理因素較為全面，適用性較好，但其採用的相關函數忽略了都卜勒和角度-時延之間的相關性，該相關性，尤其是都卜勒與時間的相關性對於在時頻域的信號處理較為重要。另外，關於雷達情形下的難點一收發射線路徑的匹配也未給出詳細的說明。
發明內容
1.要解決的技術問題本發明的目的在於建立一種通用性好，物理因素考慮較為全面，可與具體信道物理特性相對應的天波超視距雷達電離層信道模型。其中要解決的技術問題包括(I) IRI模型和IGRF模型在射線追蹤計算中的應用； (2)收發射線路徑的匹配；(3)天波雷達信號在電離層中的傳播損耗計算；(4)電離層信道模型需體現都卜勒、角度和時延起伏特性之間的相互耦合關係。2.技術方案本發明所述的天波雷達電離層信道模型的建立，包括以下技術措施(I)將IRI模型和IGRF模型集成到Jones等開發的射線追蹤代碼中，在考慮碰撞效應的前提下，計算得到電離層中射線傳播路徑等參數；(2)針對雷達的情形，提出了一種新的收發射線路經匹配方法；(3)對碰撞效應造成的電離層損耗進行了計算；(4)直接採用由相位屏/衍射方法計算得到的雙頻、雙點、雙時互相關函數來描述信道的隨機特性，該函數包涵了都卜勒、角度和時延三者之間的相互耦合關係，根據相關函數和衝擊響應之間的關係，得到了信道的衝激響應函數；(5)對收發匹配路徑的衝擊響應函數進行卷積，並計入相應的電離層損耗，得到了雙程電離層信道衝擊響應函數。3.有益效果本發明相比背景技術具有如下的優點(I)該模型中射線追蹤以國際公認的IRI模型和IGRF模型為基礎，信道隨機特性的描述可適用於強、弱閃爍條件下的電離層信道，通用性較好；(2)該模型較為全面地考慮了影響天波雷達發射信號電離層傳播的物理因素，考慮了都卜勒和角度-時延之間的相關性，可與電離層的物理條件相對應，逼真度高；(3)該模型可以較為方便地推廣到單向通信信道建模的情形；(4)該模型可以支持天波雷達的信號建模以及信號處理的研究。
四
說明書附圖是本發明的實施原理流程圖。
五具體實施例方式以下結合說明書附圖對本發明作進一步詳細描述。參照說明書附圖，本發明的具體實施方式
分以下幾個步驟(I)設定電離層參數，將其輸入裝置I電離層模型IR1-2012，計算根據雷達系統參數(包括收發天線位置及波束寬度等)估算的雷達收發電磁波可能經過的電離層區域的電子濃度值，將其保存在裝置2中。(2)將模型3第11代國際地磁參考場模型加以修改，並加入相應導數與偏導數的計算，集成到射線追蹤計算裝置4中。(3)將雷達系統參數(包括發射頻率，收發天線位置及波束寬度，觀測區域等)以及射線追蹤參數(包括方位/俯仰角範圍、步長，跳數，最大允許單步誤差，碰撞模型及其參數等)輸入裝置4，並將裝置2中存儲數據讀入，進行射線追蹤計算，基於以下公式
權利要求
1.本發明的天波超視距雷達電離層信道模型，其特徵在於包括以下技術措施 (1)採用文件讀寫的方法將國際參考電離層模型集成到射線追蹤計算中； (2)收發射線路徑的匹配； (3)用來描述信道隨機特性的雙頻、雙點、雙時相關函數包涵了都卜勒、角度和時延三者之間的相互耦合關係。
2.根據權利要求1所述的天波超視距雷達電離層信道模型，其特徵在於射線追蹤計算中具有以下技術措施步驟 首先，設定電離層參數，將其輸入國際參考電離層模型，計算根據雷達系統參數(包括收發天線位置及波束寬度等)估算的雷達收發電磁波可能經過的電離層區域的電子濃度值，將其保存為數據文件； 其次，將國際地磁參考場模型加以修改，並加入相應導數與偏導數的計算，集成到射線追蹤計算中； 最後，將雷達系統參數(包括發射頻率，收發天線位置及波束寬度，觀測區域等)以及射線追蹤參數(包括方位/俯仰角範圍、步長，跳數，最大允許單步誤差，碰撞模型及其參數等)輸入射線追蹤計算程序中，並將存儲的電子濃度數據讀入，進行射線追蹤計算。
3.根據權利要求1所述的天波超視距雷達電離層信道模型，其特徵在於收發射線路徑的匹配具有以下技術措施步驟 將天波超視距雷達發射波束覆蓋區域按接收波束覆蓋區域劃分成若干方位單元；假設每條射線代表了其附近小空間立體角內的能量，取合適的方位/俯仰角步長進行射線追蹤，射線路徑在發射波束覆蓋區的著地點按順序連線後形成一系列柵格，發射射線落在該柵格裡，即認為該發射射線與柵格對應的接收射線匹配，由於電離層的多層性，往往會出現多模傳播的現象，當出現多模傳播時，針對每個傳播模式內的接收射線分別進行匹配。
4.根據權利要求1所述的天波超視距雷達電離層信道模型，其特徵在於用來描述信道隨機特性的雙頻、雙點、雙時相關函數為
全文摘要
本發明公開了一種天波超視距雷達電離層信道模型，屬於雷達電波傳播領域。現有模型以單向傳播模型為主，不適用於天波雷達信號雙程傳播的情形，少數模型可用於雙程傳播情形，但其物理因素考慮不夠全面。本發明將IRI模型和IGRF模型集成到三維射線追蹤計算，給出了一種新的收發射線匹配算法，計算了信道損耗。利用相位屏/衍射方法直接計算信道互相關函數，得到強閃爍下的信道衝擊響應函數，對該函數進行修正，使模型也適用於弱閃爍情形。對匹配的收發射線對應衝擊響應函數進行二維卷積並計入損耗後得到天波雷達雙程信道模型。該模型全面考慮了天波雷達發射電波電離層傳播物理機制，精度高，通用性好，具有推廣應用價值。
文檔編號H04B17/00GK103023586SQ20121048484
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者關鍵, 薛永華, 蔡復青, 王國慶, 包中華, 黃勇, 何友 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學院