IJAP 国际期刊的天线和传播 1687 - 5877 1687 - 5869 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/8609372 8609372 研究文章 垂直高频表面波雷达电离层参数反演 杨 Xuguang 1、2 2 http://orcid.org/0000 - 0001 - 5139 - 2911 余 导致长郡 3 刘 唐爱军 3 王 Linwei 3 全 Taifan 1 El-Darymli 哈立德 1 电子与信息工程系 哈尔滨工业大学 哈尔滨 中国 hit.edu.cn 2 部门的科学 哈尔滨工程大学 哈尔滨 中国 hrbeu.edu.cn 3 信息和通信工程系 哈尔滨工业大学 威海 中国 hit.edu.cn 2016年 22 12 2016年 2016年 07年 05年 2016年 01 09年 2016年 13 10 2016年 2016年 版权©2016杨Xuguang et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

高频表面波雷达(HFSWR),目前应用在超视距探测目标和海洋遥感,可以得到大量的电离层回波,使电离层杂波的抑制成为研究领域的一个热点。本文从另一个角度来看,我们把电离层回波信号来源而不是杂波,它提供了关于电离层区域中提取信息的可能性并为HFSWR探索一个新的应用领域。主要是阈值分割的预处理以及连接区域生成用于Range-Doppler (r d)光谱提取电离层回波。然后,电子密度和等离子场的频率一致的违规行为(做)等离子体不稳定性造成的F地区得到的相干背散射雷达方程。做也可以的等离子体漂移速度估计多普勒频移。最终,反演的有效性验证与IRI2012进行比较。

 中国国家自然科学基金 61171188 61571159 1。介绍

HFSWR,利用海面垂直极化波的衍射特性,获得了巨大的成功在超视距海洋目标探测 1和海态遥感 2]。理想情况下,一个完美的导电平面组成的海洋表面覆盖范围是无限的,因此电磁波HFSWR完全沿着大海。但是考虑到实际的天线模式特点,贫穷,和阵列误差,部分能量辐射到天空,被电离层反射。最后的回声到达雷达接收机在不同的路径,严重干扰目标探测电离层杂波( 3, 4]。

许多调查了电离层杂波的抑制( 4- - - - - - 7),还获得许多电离层杂波的特征。电离层杂波来自不同电离层层有不同的多普勒频移,例如,多普勒频移的电离层E层小于。部分电离层杂波具有明显的方向性( 8]。根据统计结果,大多数电离层杂波的振幅是瑞利分布近似,而其他满足威布尔分布( 9]。此外,镜面杂乱来自近乎垂直方向的展品没有明显的方向性,杂波传播来自低仰角高方向性( 10]。此外,电离层杂波占据几箱,如镜面散射层或F层,有重合的方向性,而电离层杂波占领更多垃圾箱,如电离层传播,没有方向性。电离层杂波的方向性与频率不会改变 11]。

在本文中,我们以电离层杂波为信号源获取相关参数。电离层杂波信号绝对包含特征信息的从电离层的反射。目前有两种常见的电离层探测方法:统计模型和实时测深。广泛使用的统计模型是国际参考电离层(IRI)。对于一个给定的地理和时间,IRI可以提供每月平均电子密度、电子温度、离子、分子的组成和一些额外的参数范围内的高度从50公里到2000公里。最新的标准是iri - 2012。IRI的优势是它发展的基于数据模型来避免不确定性理论基础模型。这些纵向变化的振幅比什么是一般小IRI观察因为IRI是基于月度平均值和平均过程消除了一些结构。IRI的缺点是强烈依赖于底层数据库。没有很好覆盖的区域和时间段的数据库将导致减少可靠性模型在这些领域( 12]。在中国只有20 - 30电离层站;因此大部分地区来自插值的IRI参数应该有一定的偏离实际的测量。Ionosonde是广泛使用的电离层探测仪器。电子密度剖面、虚拟高度极化,可以获得多普勒频移的电离图外墙面MHz扫描频率的结果。但多普勒分辨率的局限性从ionosonde太低测量电离层扰动( 13]。在[ 13, 14),周等人试图利用HFSWR有关电离层探测信息。更准确地说,在 13),作者得到了时变范围,虚拟的高度和水平漂移速度的电离层不规则利用时频分布的方法和连续数小时的长时间观察。在[ 14),作者观察到的距离,电离层回波信号的多普勒频移和多路径传播,随着时间的推移而改变。但也有一些解释电离层杂波的物理机制。因此本文试图解释HFSWR波之间的物理机制和电离层而估算的电子密度、等离子体频率和漂移速度的违规行为由等离子体不稳定性在相应的电离层区域由相干背散射雷达方程。

本文的组织如下。节 2HFSWR系统介绍。节 3,该方法获得的垂直电离层回波r d光谱。节 4,电子密度、等离子体频率和漂移速度的违规行为。节 5,实验已经开始在不同的时间和与IRI2012比较,验证该方法的有效性。结论部分进行了总结 6。

 2。高频表面波雷达系统

本文设计的测量数据来自HFSWR哈尔滨理工学院。雷达系统传输调频中断连续波形与工作频率3至15 MHz。雷达由一个18-element对数周期偶极发射天线和一个8-element quadlet(一个数组元素,它是由四个垂直元素与1/4波长间距)垂直极化天线接收阵列,如图 1和 2分别在威海,山东。

发射天线。

接收天线阵列。

数据 3和 4显示地图草图的对数周期偶极子天线和垂直极化天线传输接收数组,分别。图 5显示了对数周期偶极发射天线的模式通过高频结构仿真器(基于)。很显然表明,天线辐射部分电磁波海拔尤其是天顶无论频率。图 69点显示接收天线的模式从基于MHz也。我们可以看到,天顶的接收增益仍然−8分贝在理想导电平面上。如果认为不理想的导电平面(电参数为穷人地面 σ 1 = 0.003 Ω−1米−1, ε r l = 4 ,在那里 σ 1 导电率和 ε r l 土地是相对介电常数),零的垂直模式转变从天顶向左,无论是在传输或接收模式( 4]。所以HFSWR肯定可以收到天顶电离层回波在实际工程系统中。

对数周期偶极子天线。

接收天线阵列。

对数周期偶极发射天线的模式。的最大长度是12.5米。的最小长度是2.5米。铜地面屏幕是100米2。网格是10厘米的直径。

发射天线的3 d模式9 MHz

3兆赫

6 MHz

9兆赫

15兆赫

垂直极化天线接收阵列的模式9 MHz。元素的长度是6.5米。 d 1 = 14.5 m和 d 2 = 8 m。铜地面屏幕约1002。网格是10厘米的直径。

接收阵列的3 d模式9 MHz

H 飞机

E 飞机

 3所示。预处理的电离层回波

一般来说,HFSWR传输调频中断连续(FMICW)和接收信号的均匀班轮数组(ULA)”。利用脉冲压缩、数字波束形成(DBF)和快速傅里叶变换(FFT)从每个天线接收信号元素,我们可以获得Range-Doppler (r d)光谱的任意方位角度。因为每个r d光谱包括电离层回波高度角,应首先提取电离层垂直回声。

每个梁的r d谱包含了电离层回波高度角,所以所有的重叠梁只覆盖90度的垂直方向。因此,可以获得垂直电离层回波提取重叠的光束在同一时间。

但r d光谱也含有海杂波,大气,噪音和大气,所以应该进行预处理。预处理过程包括阈值分割和一代的连接区域。

3.1。阈值分割

阈值分割主要消除背景噪音。从高频波电离层回波之后不应该存在不到60公里r d光谱,这一领域的平均功率几乎等于噪声功率。一般来说,杂波噪声比例大约是20 ~ 35分贝,让 δ = P N + 20. 为了保护电离层杂波, δ 阈值和 P N 噪声功率。

 3.2。代的连接区域

阈值分割的缺点是,它忽略了电离层回波的形状特点,总是显示为平面或乐队。因此,接下来的处理是图像分割的连接区域的一代。

r d光谱第二步后仍有零星的噪音和海杂波。最宽的连接选择地区电离层回波基于先验信息的高度。然后可以获得垂直电离层回波。

 4所示。建模HFSWR电离层后向散射特征 4.1。电子密度估计通过雷达方程

经典的单站HFSWR被定义为雷达方程 (1) P r = P t G t G r λ 2 4 π 3 R 4 l 年代 σ , 在哪里 P r 是接收功率; P t 是传输功率; G t 是发射机天线增益; G r 接收机天线增益; σ 是雷达截面(RCS); λ 是雷达波长; R 目标区间; l 年代 是系统的损失。

电离层散射不能被建模为一个单点分散但从三维分布散射体积。因此,一个更合适的形式的广义雷达方程可以给出的 (2) P r = P t λ 2 4 π 3 l 年代 ∫ Δ V R , θ , ϕ G t θ , ϕ G r θ , ϕ R 4 d σ R , θ , ϕ , 在哪里 Δ V ( R , θ , ϕ ) 分辨单元的体积在名义上的坐标 ( R , θ , ϕ ) , (3) Δ V R , θ , ϕ = π 4 R 2 Δ R θ 3 ϕ 3 ≈ R 2 Δ R θ 3 ϕ 3 , 在哪里 Δ R 分辨率和范围吗 θ 3 , ϕ 3 是3 dB梁宽度在方位角和仰角。考虑电磁波传播衰减的电离层和使用近似,我们可以减少( 2)为电离层散射方程的范围: (4) P r = P t λ 2 G t G r η V 4 π 3 R 4 l 年代 l p , 在哪里 η 是有效的散射体积的反射率(ESV)这是由雷达波束的交集与电离层。 V 电离层散射的体积。 l p 在电离层是电磁波传播的衰减。 η 和 l p 详细讨论如下。

以下4.4.1。ESV反射率

令人信服,HFSWR主要发生的电离层回波之间的相干散射电磁波和等离子体不稳定造成的违规行为。根据布拉格散射条件单站后向散射( 15), (5) λ 我 r r = λ r 一个 d 一个 r 2 , 在哪里 λ 我 r r 电离层的规模大小是违规行为,这意味着违规5至50米的规模大小可以HFSWR观察到。在电离层磁等离子体区域,违规行为在这些规模大小高度各向异性和与地磁场线保持一致。有效散射体积不规则的反射率可以表示如下( 16]: (6) η ∝ Δ N 2 ¯ 经验值 ⁡ - - - - - - 2 k 2 l ∥ 2 ψ 2 + l ⊥ 2 , 在哪里 Δ N 2 ¯ 的平均水平是电子密度的波动, k 是雷达波矢量中, l ∥ , ⊥ 是违规的规模大小,在外部磁场 B → ,分别。 ψ 之间的视线角吗 k 和 B → 。方程( 6)是基于的假设 l ∥ ≫ l ⊥ 和 k l ∥ ≫ 1 这 η 展品高峰时 ψ = 0 ° ,即 k → ⊥ B → 。为了简化( 6),我们再作一个猜想, Δ N 2 ¯ ∝ N 2 。这意味着,电子密度的大小与固定布拉格规模大小波动 λ 我 r r 与电子密度的线性关系,也与实验结果一致 17]。假定其它参数不变,( 6)减少 (7) η ∝ C N 2 。

4.1.2。电磁波传播衰减的电离层

在中纬度地区,高频波传播衰减主要包含额外吸收和衰减( 18]: (8) l p = 2 一个 我 e + 一个 z , 在哪里 一个 我 e D的吸收层和吗 一个 z 是额外的衰减。一般来说, (9) 一个 我 e = 677.2 我 f + f H 1.98 + 10.2 , 在哪里 我 是吸收指数: (10) 我 = 1 + 0.0037 R 12 因为 ⁡ 0.881 χ 1.3 , 在哪里 R 12 今年是太阳黑子的平均值。 χ 是当地的太阳天顶角。

考虑实际影响,如偏振耦合衰减,电离层违规行为,重点,和散焦现象,通常 一个 z = 9.9 dB。所以可以通过电子密度 (11) N e = P r R 4 l 年代 l p C P t λ 2 G t G r V 。

4.2。从HFSWR等离子体频率估计

根据Appleton-Hartree公式,可以表示为等离子体频率 (12) f p ≃ 80.6 N e 当 (13) v f 0 ≪ 1 , f B 2 f 0 2 ≪ 1 持有, v 电离层电子碰撞频率和吗 f B 是电离层电子回旋频率。HFSWR的操作频率 f 0 ≃3日- 15日兆赫,容易满足这些条件在整个E和F层。

 4.3。从HFSWR违规漂移速度估计

等离子体不稳定性造成的违规行为的速度可以获得多普勒频移的HFSWR相干后向散射信号: (14) v 我 r r = - - - - - - λ 0 2 f d , 在哪里 v 我 r r 是违规的HFSWR视距速度,漂移的 E → × B → 方向在电离层地区。 λ 0 HFSWR波长和吗 f d 多普勒频移。对于一个给定的范围本电离层回波,等离子体的平均漂移速度多普勒频谱的一阶矩: (15) v 我 r r ¯ = ∫ f d 年代 f d d f d ∫ 年代 f d d f d , 在哪里 年代 ( f d ) 的功率谱密度函数吗 f d 。

 5。实验和分析

HFSWR位置如下:

经度:122.1°和纬度:37.5°。

主要系统参数如下:

脉冲重复频率: T p = 4 ms。

扫描周期: T 年代 w = 32 × T p = 128年 ms。

相干处理时间间隔: T 一个 = T 年代 w × 256年 = 32.8 年代。

带宽: B w = 30. kHz。

距离分辨率: Δ R = 5 公里。

发射峰值功率: P t = 2 千瓦。

射束方向(1 - 7):−48°,−32°,−16°,0°16°,32°48°。

夜晚的实验,早上和下午,分别。图 7的r d光谱梁在北京时间2014.5.23.20:31工作频率为5.5 MHz, 2014.5.23.20:41当地时间。

r d光谱。

一般E层的高度约为90 - 150公里以上的地球表面而对应于F层150 - 500公里。有三个部分的电离层回波出现在约120公里,200公里,240公里,多普勒频移 ( - - - - - - 1,0 ] 赫兹, ( - - - - - - 4、1 ] 赫兹, ( - - - - - - 1,0 ] 分别赫兹。回声占据前几箱可能来自于镜面反射的Es层,因为E层通常晚上消失了。中间也可能来自电离层传播,因为它占据了约8范围内垃圾桶(40公里)和大量的多普勒垃圾箱。最后也可能是Es层second-bounce因为他们有相同的多普勒分布和雷达工作频率远低于 f 0 F2。

阈值分割和连接区域生成后,垂直电离层回波图所示 8。尽管Es层回声的峰值功率高于F层回声;总功率是恰恰相反。平均多普勒频移的电离层回波Es层和F层−0.48赫兹−1.68赫兹,分别。所以违规行为的平均漂移速度13 m / s和−−45 m / s,分别。电子密度和等离子体频率对应于电离层散射体积也可以估计( 11)和( 12),分别。表 1展示了实验结果的顺序比IRI2012时间:5月23日晚上,24日下午,25日上午2014。

实验结果与IRI2012相比。

时间 雷达频率 电离层的高度 电子密度 IRI2012估计 等离子体频率 IRI2012估计 平均速度
f /兆赫 h /公里 N e / m−3 N e / m−3 f p /兆赫 f p /兆赫 v /米/秒
二十20 4.5 215年 7.76 e + 11 2.54 E + 10 7.93 1.44 1.71
20:31 5.5 215年 5.15 e + 11 2.23 E + 10 6.46 1.34 −45.68
20:41 6.5 225年 1.35 e + 12 4.15 E + 10 10.44 1.83 −1.29
21:04 7.5 215年 8.81 e + 11 1.84 E + 10 8.45 1.22 −5.00
十五32 4.7 185年 9.27 e + 11 3.07 E + 11 8.67 4.98 1.65
15:41 5.6 200年 7.34 e + 11 4.19 E + 11 7.71 5.83 5.43
15:52 6.4 220年 6.87 e + 11 5.97 E + 11 7.46 6.96 9.10
9:44 4.7 160年 1.89 e + 11 2.95 E + 11 3.92 4.89 −15.45
帕克 6.5 185年 7.07 e + 11 4.02 E + 11 7.57 5.71 4.34
14 8.1 215年 3.22 e + 11 5.86 E + 11 5.11 6.89 −11.83

垂直的电离层回波。

表 1显示的电子密度( 11)大致相同的数量级IRI。估算值和IRI之间的差异可能是由于恒定的假设( 6)。估计的天符合IRI值比这更好。夜晚的观测数据一直是不同于IRI。例如,有很多激烈的电离层E层的回声HFSWR虽然E层消失在IRI。这些回声总是倾向于持续几小时并占领几个垃圾箱范围不同于西文层。因此江等人将新的电离层结构称为传播E层( 11]。

 6。结论

本文的主要目的是揭示HFSWR电离层杂波的物理机制。与大多数论文集中于电离层杂波抑制,本文试图粗加工的探测电离层的电离层杂波。因此HFSWR不仅可以检测目标在超视距探测和海洋遥感还执行探测电离层在雷达覆盖的范围。首先,发射天线和接收天线的模式是由基于模拟,这样我们可以知道电离层的空间分布。电离层回波预处理后得到垂直HFSWR电离层回波。然后我们讨论了相干散射机制,建立了数学建模的接收功率和电子密度的违规行为。所以做由等离子体的电子密度对应的电离层地区的不稳定可以通过相干背散射雷达方程而获得等离子体频率和漂移速度可以获得在同一时间。大多数的实验结果大致符合IRI2012晚上除了数据。

HFSWR看起来像ionosonde的功能。事实上,这是我们未来工作的第一步。接下来我们将检索整个HFSWR覆盖地区的电离层参数可能超过一万立方公里,几乎没有检测到其他的电离层探测。电离层信息将非常有利于短波通信、频率选择高频天波雷达和HFSWR和电离层和海洋之间的关系状态。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者想表达衷心感谢中国国家自然科学基金(授予号。61171188和61171188)和电子与信息工程学院的成员,研究中心,哈尔滨工业大学,技术支持。

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