高頻電離層動(dòng)態(tài)建模及其抗擾動(dòng)技術(shù)研究.pdf

1、高頻天波超視距雷達(dá)利用電離層對(duì)高頻電磁波的折射作用實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離探測(cè)，這是目前其他類型陸基雷達(dá)無(wú)法比擬的突出優(yōu)點(diǎn)。然而，電離層時(shí)時(shí)刻刻都處于動(dòng)態(tài)變化中，對(duì)電磁波的折射和傳播也隨時(shí)變化，天波雷達(dá)需要實(shí)時(shí)評(píng)估其探測(cè)能力以及削弱電離層擾動(dòng)影響。針對(duì)上述情況，本文從兩個(gè)主要方向入手，即研究適用于天波雷達(dá)的電離層動(dòng)態(tài)建模和電離層擾動(dòng)去除算法。電離層動(dòng)態(tài)建模的研究重點(diǎn)是根據(jù)電離層垂測(cè)圖分析電離層層結(jié)構(gòu)、電離層穩(wěn)定程度、路徑傳播條件（單路徑或多路徑、

2、單模式或多模式）以及電離層擾動(dòng)造成的譜展寬，解決天波雷達(dá)探測(cè)能力評(píng)估問(wèn)題。電離層擾動(dòng)去除算法研究則以成功應(yīng)用于工程的Parent & Bourdillon算法為基礎(chǔ)，對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行改造，給出可工程化的參量式自適應(yīng)的電離層相徑擾動(dòng)去除算法，以提高回波譜質(zhì)量。
　　本文所使用的電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)是我國(guó)海南省電離層觀測(cè)站（北緯19.4°，東經(jīng)109.0°）每天發(fā)布的以15分鐘為間隔的2005年12月1日到2006年11月30日當(dāng)?shù)仉婋x層

3、垂測(cè)圖。對(duì)上述垂測(cè)圖的反演結(jié)果進(jìn)行逐一驗(yàn)證，形成電離層結(jié)構(gòu)分析的原始數(shù)據(jù)。
　　對(duì)電離層原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)分析處理，研究表明：電離層的層狀特性是其常態(tài)性分布，也是產(chǎn)生高頻電磁波折射從而實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)的基本條件，即天波雷達(dá)的探測(cè)能力取決于電離層的層狀分布特性；根據(jù)各個(gè)時(shí)段電離層結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析電離層層結(jié)構(gòu)的日變化和月變化趨勢(shì)，建立電離層結(jié)構(gòu)模型，用以天波雷達(dá)探測(cè)能力分析；異常結(jié)構(gòu)（突發(fā)E層和無(wú)層情況）的出現(xiàn)概率因季節(jié)和時(shí)段不同而異

4、，將影響雷達(dá)的探測(cè)能力。同時(shí)，為了判斷當(dāng)前電離層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，引入模態(tài)分析。即根據(jù)原始數(shù)據(jù)，將海南地區(qū)全年的電離層分布量化描述為9種模態(tài)，根據(jù)各模態(tài)出現(xiàn)時(shí)段及出現(xiàn)幾率，確定了各時(shí)段主模態(tài)，作為天波雷達(dá)能否穩(wěn)定工作的判斷依據(jù)。
　　為了使雷達(dá)系統(tǒng)預(yù)判電離層的可資用狀態(tài)（回波譜質(zhì)量好壞），本文利用已建立的電離層模型，反演了電離層相徑調(diào)制干擾現(xiàn)象，進(jìn)而推導(dǎo)了譜展寬程度與電離層傳播路徑變化的關(guān)系式，定義了傳播路徑質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合所建的

5、電離層結(jié)構(gòu)模型以及傳播路徑質(zhì)量評(píng)估準(zhǔn)則，本文綜合考慮工作參數(shù)、探測(cè)距離、多模與多徑、傳播路徑擾動(dòng)以及Es層影響等因素，開(kāi)發(fā)了天波雷達(dá)探測(cè)能力分析軟件，用以輔助天波雷達(dá)工作參數(shù)的設(shè)定以及探測(cè)條件分析。
　　電離層動(dòng)態(tài)變化通常會(huì)對(duì)天波雷達(dá)回波譜產(chǎn)生慢相徑調(diào)制干擾，因干擾的調(diào)制形式隨機(jī)、始末時(shí)刻不定、等效起伏周期大于信號(hào)調(diào)制周期、小于信號(hào)相參處理周期，對(duì)信號(hào)頻譜的污染程度較嚴(yán)重。一般直接經(jīng)距離－速度二維譜變換的頻譜數(shù)據(jù)不能作信號(hào)檢測(cè)處理

6、。因此，需要首先對(duì)回波數(shù)據(jù)作去擾動(dòng)預(yù)處理。時(shí)頻域強(qiáng)度均絕對(duì)占優(yōu)且單頻特性極好的一階海浪回波為慢相徑干擾譜估計(jì)提供了可行途徑，即通過(guò)對(duì)一階海浪回波譜估計(jì)來(lái)獲得對(duì)干擾的譜估計(jì)，利用所估計(jì)的干擾譜得到瞬時(shí)干擾相位變化，再對(duì)被污染的接收信號(hào)作去調(diào)制處理，最終達(dá)到比較理想的距離－速度譜重構(gòu)。本文以成功應(yīng)用于工程的Parent & Bourdillon算法為基礎(chǔ)，就算法中統(tǒng)計(jì)平均樣本獲取方式、正負(fù)一階海浪回波譜擾動(dòng)估計(jì)貢獻(xiàn)權(quán)值、數(shù)據(jù)窗選取方式、低通

7、濾波器參數(shù)設(shè)置、最佳估計(jì)方式等方面進(jìn)行研究，得到一種自適應(yīng)相徑擾動(dòng)處理方法。數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了該方法可有效地抑制了電離層慢相徑干擾造成的回波信號(hào)多普勒譜展寬與位移，為天波雷達(dá)工程實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。
　　此外，相徑擾動(dòng)去除算法針對(duì)的是電離層擾動(dòng)導(dǎo)致的雷達(dá)回波多普勒譜展寬現(xiàn)象。與此相似的情況是，機(jī)動(dòng)目標(biāo)因加速或機(jī)動(dòng)變向也會(huì)導(dǎo)致其自身的雷達(dá)回波多普勒譜展寬，會(huì)引發(fā)其它鄰近目標(biāo)可能被遮蓋或自身沒(méi)有足夠的發(fā)現(xiàn)信噪比等諸多不利結(jié)果。實(shí)際上，當(dāng)目