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CN116256718A - 一种基于小型化vhf雷达系统的高距离分辨率成像方法 - Google Patents

一种基于小型化vhf雷达系统的高距离分辨率成像方法 Download PDF

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CN116256718A CN202310107649.2A CN202310107649A CN116256718A CN 116256718 A CN116256718 A CN 116256718A CN 202310107649 A CN202310107649 A CN 202310107649A CN 116256718 A CN116256718 A CN 116256718A
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许娜
孙芳
余侯芳
陈博
刘祎
尹文杰
乔玮
周晨
张玉强
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China Institute of Radio Wave Propagation CETC 22 Research Institute
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China Institute of Radio Wave Propagation CETC 22 Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，包括如下步骤：步骤1，利用小型化VHF雷达系统的发射机，发射多个频点的高斯脉冲；步骤2，通过对周天线对来自不规则体的散射回波进行接收，由三组接收天线组成的阵列将回波信号传输到接收机；步骤3，接收机中的信号最终上传到PC端，通过对原始数据进行读取，在提取到基带IQ数据后，利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理，得到不规则体的精细化结构。本发明公开的成像方法能够对雷达探测目标的结构进行精细化的处理，从而获取不规则体在空间分布中的精细化结构（分层现象和物理结构），能够将原始成像的空间分辨率从500m提升到50m，解决了雷达自身距离分辨率不够导致的成像不精细问题。

Description

一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法
技术领域
本发明属于空间物理学领域，特别涉及该领域中的一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像(RIM)方法。
背景技术
电离层中的不规则体，即漂浮在正常电离层结构中的各种尺度的电离“团块”或“波状”结构，这些结构的电子密度与背景电离层的电子密度存在显著差异，该处结构的电子密度高于或低于周围介质的平均电子密度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，利用小型化VHF雷达系统的发射机，发射多个频点的高斯脉冲；
步骤2，通过对周天线对来自不规则体的散射回波进行接收，由三组接收天线组成的阵列将回波信号传输到接收机；
步骤3，接收机中的信号最终上传到PC端，通过对原始数据进行读取，在提取到基带IQ数据后，利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理，得到不规则体的精细化结构。
进一步的，VHF雷达的中心频率为48.2MHz，天线采用1发3收对周天线，发射机峰值功率为20Kw，接收机为6数字通道接收系统，还有3根用于E层FAI观测的天线。
进一步的，在步骤1中，设置的实验参数包括站点经纬度坐标、多频点的载波频率、发射信号带宽、相干积累次数、脉冲重复频率、探测距离、码制、单频点采样点数以及原始距离分辨率。
进一步的，在步骤3中，利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理具体为：
读取出原始基带IQ数据，就是带有幅度和相位的回波散射数据，将每个时间分辨率下各个频率采集到的距离门数据进行处理，也就是第m个频率对应的基带IQ数据乘以第n个频率的基带IQ数据的共轭，再进行整体平均，得到互相关矩阵的第m行、第n列的数据Rmn，对每个频率都进行上述操作得到整个互相关矩阵R；
按下式求出扫描向量e：
Figure BDA0004075665430000021
上式中，j表示第j个基本散射体，kn为第n个载波频率对应的波数，r表示门限距离，T表示转置算子；
基于Capon算法的RIM技术，将相关矩阵R和扫描向量e代入，获得细分后不规则体的亮度分布函数，也就是处理后的不规则体的精细化时空分布结果。
进一步的，在步骤3中，RIM技术的频率个数选择范围为5-11个，频率间隔为10kHz-100kHz，时间分辨率下的单频率采集数为256-1500，数据码制采用16位互补码。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的成像方法，利用小型化VHF雷达系统进行不规则体的探测，通过发射多个频点的脉冲信号，能够对雷达探测目标的结构进行精细化的处理，从而获取不规则体在空间分布中的精细化结构(分层现象和物理结构)，能够将原始成像的空间分辨率从500m提升到50m，解决了雷达自身距离分辨率不够导致的成像不精细问题。
本发明所公开的成像方法，结合了Capon算法和频域干涉技术，对中纬度电离层E区不规则体观测进行扫描和细化，消除距离加权效应后，使得雷达探测结果具有很好的距离分辨率，接收到的回波可辨度比较高，能够对中小尺度的电离层不规则体精细结构进行有效观测，获得更多细节信息，并可从图中快速分辨出不规则体对应的时空位置，因此其对E层场向不规则体的研究工作提供了有利条件，也为后续对不规则体开展更深入的研究奠定了技术基础。
附图说明
图1是本发明所公开成像方法的流程框图；
图2是本发明所公开成像方法针对数据的处理流程图；
图3(a)是单频点1分钟内的回波功率密度函数分布图；
图3(b)是高距离分辨率后1分钟的回波功率密度函数分布图；
图4(a)是单频点1小时回波功率密度函数分布图；
图4(b)是高距离分辨率后1小时回波功率密度函数分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于经过论证后的小型化VHF雷达系统，通过多频干涉实验去获取不规则体辐射信号源信息，即在较短的时间间隔内发射频率相近的高斯脉冲信号来观测同一距离门内的不规则体结构，利用多个频率信号的最佳组合，不仅能够估算电离层中不规则体层的高度和厚度，同时可以在分辨率范围内重构出精细尺度的不规则体结构。本发明在原始雷达系统探测距离分辨率为500m的情况下，通过高距离分辨率成像技术，利用多频信号组合产生的互相关矩阵，以及构造出每个距离门的门限扫描向量，通过扫描向量和互相关矩阵实现将500m的距离门分为10层，进而能够实现50m的距离分辨率的成像结果。
针对于距离分辨率来说，脉冲雷达的空间分辨率由雷达分辨率大小决定，而雷达分辨率又由雷达波束宽度(角度)和脉冲宽度与接收机带宽(距离)确定。由于发射机脉冲功率有限，雷达探测的距离分辨率有限，这是雷达研究中较为严重的问题。提高分辨率能够使我们精细地观察电离层的结构，有助于学习和理解电离层物理和大气动力学的基础知识，并增强探测和预报能力。
提高距离分辨率的标准方法是减小发射脉冲的宽度，然而，由于一个脉冲中所包含的传输能量降低，雷达探测的灵敏度也会降低。为了减少分辨率的限制，可以通过发射一对间隔很近的频率来观测同一距离门内的单一薄层，这种方法即为频域干涉算法(FDI)。在此基础上，利用多个频率信号的最佳组合，可以在分辨率范围内重构出精细尺度大气结构，这种方法在MST雷达领域被称为距离成像(RIM)或频率干涉成像(FII)。下面给出FDI技术和RIM/FII技术的基本原理和具体应用过程。
多频干涉距离成像算法原理：
众所周知，单站脉冲雷达在一个载频下工作，这使得它不可能解决一个嵌入在由脉冲长度定义的散射体积内的孤立的水平湍流单一薄层。然而，频域干涉(FDI)技术的出现，使我们能够通过发射两个频率间隔很近的信号来检测这样的薄层。利用这种技术，可以根据两种工作频率略有不同的雷达回波得到的归一化复相关函数的幅值和相位(即相干性)，分别估计薄层的厚度σr和位置r。
首先假设在垂直指向后向散射雷达上方的距离r处存在单个基本散射体，在两个不同的雷达发射机频率ω1和ω2上，相干探测到该散射体回波的相位差为2Δωr/c，其中Δω＝ω1-ω2为频率差，单位为弧度/秒，c为自由空间中的光速。由于Δω是已知的，所以r可以从测量所得的相位差精确地确定。由于雷达技术限制，相位差测量可能受到整周模糊度的影响，进而导致距离r计算混淆，这一问题可以通过选择Δω来避免，因为从雷达探测门限范围可以获得r的粗略估计。例如，使用100kHz的雷达发射机频率差将1.5km厚的散射体探测区域限制在干涉模式的一个波瓣内，即测量的弧度相位角从散射体底部到顶部的变化仅为2π。因此，这种技术可以精确地确定有限散射体积内基本散射体的位置。
推广到现实情况下，散射体在频率ω1处的相关检测信号可以表示为：
Figure BDA0004075665430000041
其中，φj是对应于特定的基本散射体的随机相角，Aj是对应的振幅。同样，在频率ω2处的相关检测信号可以表示为：
Figure BDA0004075665430000042
其中，rj为第j个基本散射体的距离值，g为可能的增益。
当φj在区间[0，2π]上独立且均匀分布时，总集平均<V1>＝<V2>＝0，但是
Figure BDA0004075665430000043
其中*表示复数共轭。原本的归一化复互相关定义为：
Figure BDA0004075665430000044
在消去增益和振幅项后，现在变为：
Figure BDA0004075665430000045
对于一个足够薄的局域散射层的合理模型，rj具有均值r和方差
Figure BDA0004075665430000046
的高斯分布，σr表示散射层厚度，其归一化后的互相关性将降低到S12＝|S12|exp(iΦ)，其中式(6)表示相干幅度，式(7)为相干相位角。
Figure BDA0004075665430000047
Φ＝2Δωr/c (7)
如果雷达回波的功率信噪比(S/N)是有限的，则式(6)的右侧应除以1+(N/S)。当相干性和相位角的实际测量值可以获得时，由式(6)和式(7)得到的参数σr和r是对局域散射层厚度和距离的合理估计。当散射层厚度较小时，相干性较大，平均层距离的测定相对准确。参数r的统计不确定性由式(8)给定：
ε＝(c/2Δω)(2K)-1/2(|S12|2-1)1/2 (8)
其中，K是互相关估计器的积分长度，当相干性接近于1时，明显较小。当散射层较宽或散射体内部存在多个散射层时，使得单峰分布不再真实，相干性较小，位置信息不再可靠。综上所述，FDI互相关技术在距离分辨率最不稳定时提供了更高的垂直分辨率，当散射层弥散时，它就失效了，而通常的多普勒技术，就所有实际用途而言，已经足以研究层的特性了。
上述归一化互相关分析可以通过首先采用对应于每个频率的两个独立时间序列进行离散傅里叶变换来进一步细化。这两个多普勒频率序列的归一化互相关给出了雷达干涉数据分析中常用的归一化互谱。用这种方法实现的多普勒分选有助于分辨具有不同视距速度的不同散射层的位置。此外，互谱相位角随多普勒频率的变化原则上可以提供关于散射层方向的额外信息。
早期的FDI频域干涉技术仅仅使用基于两个距离间隔相近的频率来观测同一个距离门内的单一湍流薄层。事实上，由于只使用了两个频率，FDI模式的结果是模糊的，复杂的大气结构也可以产生多个FDI薄层。为了消除FDI中单一高斯层的局限性假设的影响，进一步提高分辨率，Palmer等人开发了距离成像(range imaging,RIM)，利用多个频率信号的最佳组合，从而可以在分辨率范围内重构出精细尺度大气结构。
RIM和FII技术最初被引入到多接收机相干雷达成像(CRI)中，用于确定雷达探测区域中的观测到的多个回波中心。通过类似的处理，这些算法能够帮助我们识别雷达探测区域中的多个电离层不规则层，然后估算这些不规则体层的高度和厚度，因此，回波分布的距离分辨率大大提高。利用层高度、层厚度和回波分布等信息，可以开展大量的电离层E区不规则体研究。在本章中，我们继续使用武汉地区VHF雷达进行雷达频率扫描探测距离成像(RIM)，利用多个邻近频率信号的最佳组合，在雷达探测区域内获得出精细尺度的不规则体结构。
RIM/FII雷达成像是利用傅里叶法、Capon法、最大熵法等反演算法的过程，得到与空间折射率波动有关的所谓功率密度或亮度函数的估计。RIM/FII的复杂之处在于反演过程，在RIM/FII使用的反演算法中，Capon方法是鲁棒性极强且方便的。在不考虑回波的多普勒频率排序的情况下，Capon方程可以简单地表示为：
Figure BDA0004075665430000051
Figure BDA0004075665430000052
Figure BDA0004075665430000053
式中P(r为距离扫描(细分)处理后在距离r处的散射成像功率。即RIM成像后的功率密度函数。式(9)中的上标H和-1分别代表埃尔米特(Hermitian)算子和逆算子，式(11)中的T表示转置算子。k3为第n个载波频率对应的波数，矢量e表示n维频率在门限距离r处的扫描向量。Rmn是在零时延处针对第m个频率和第n个频率计算所得的频域信号非归一化互相关函数，代表着两个信号的总集平均。Rmn可以简单地表示为：
Figure BDA0004075665430000061
其中，<·>表示整体平均，rm和rn表示散射体的探测距离，
Figure BDA0004075665430000062
和
Figure BDA0004075665430000063
为系统对不同发射频率响应相关的相位项。式(12)的相位角进行整体平均后，在这里称为FDI相位。
实施例1，本实施例公开了一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，VHF雷达的中心频率为48.2MHz，天线采用1发3收对周天线，发射机峰值功率为20Kw，接收机为6数字通道接收系统，还有3根用于E层FAI观测的天线。如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，利用小型化VHF雷达系统的发射机，发射多个频点的高斯脉冲；设置的实验参数包括站点经纬度坐标、多频点的载波频率、发射信号带宽、相干积累次数、脉冲重复频率、探测距离、码制、单频点采样点数以及原始距离分辨率。
步骤2，通过对周天线对来自不规则体的散射回波进行接收，由三组接收天线组成的阵列将回波信号传输到接收机；
步骤3，接收机中的信号最终上传到PC端，通过对原始数据进行读取，在提取到基带IQ数据后，利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理，得到不规则体的精细化结构。
利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理具体为：
读取出原始基带IQ数据，就是带有幅度和相位的回波散射数据，将每个时间分辨率下各个频率采集到的距离门数据进行处理，也就是第m个频率对应的基带IQ数据乘以第n个频率的基带IQ数据的共轭，再进行整体平均，得到互相关矩阵的第m行、第n列的数据Rmn，对每个频率都进行上述操作得到整个互相关矩阵R；
按下式求出扫描向量e：
Figure BDA0004075665430000064
上式中，j表示第j个基本散射体，kn为第n个载波频率对应的波数，r表示门限距离，T表示转置算子；
扫描向量e主要表征的是不同频率对应的波数乘上距离门内细分后的层数距离，以达到扫描原始距离门内更为精细的分层数据。如设置为11个频点，将原始500m的距离门分层为10层，那么扫描向量e即为距离门内各个分层下的11维列向量。
基于Capon算法的RIM技术，将相关矩阵R和扫描向量e代入，获得细分后不规则体的亮度分布函数，也就是处理后的不规则体的精细化时空分布结果。
RIM技术的频率个数选择范围为5-11个，频率间隔为10kHz-100kHz，时间分辨率下的单频率采集数为256-1500，数据码制采用16位互补码。
图2是本发明所公开成像方法针对数据的处理流程图。
利用武汉地区的VHF雷达进行频率扫描初步探索。武汉VHF雷达主要在48.2MHz的中心频率工作，在满足发射带宽的情况下，载波频率可以在中心频率附近变化。载波频率是由同一个振荡器产生的，可以从一个脉冲改变到另一个脉冲，以满足多频率扫描的基本要求，即几乎同时接收不同载波频率的回波，为了提高信噪比，雷达脉冲形状可以是高斯脉冲，也可以是矩形脉冲。
于2017年2月-11月，2021年3月，2022年6-8月利用距离成像RIM技术对电离层E区进行了雷达频率扫描试验。在目前的RIM试验中使用了11个在48.15MHz到48.25MHz之间的频率，频率间隔设置为0.01MHz，发射信号的带宽为320kHz，上述雷达参数的选择和使用受制于武汉VHF雷达系统的能力限制，并且出于保护雷达系统的原因。表2列出了试验中使用的一些重要雷达参数。这些试验发射信号的脉冲重复频率为525Hz，采样时间约为2ms，相干积累次数为8，每个载波频率上使用256个数据点对式(12)中的Rmn非归一化值进行估计，因此信号的时间分辨率为1分钟左右。
武汉地区VHF雷达频率扫描模式观测参数
Figure BDA0004075665430000071
以一分钟内的观测数据为例，记录每个通道每个频率对应的241*2816个数据，将单通道的基带IQ数据用公式(10)对11组数据进行处理，得到每个门限值内11*11的R矩阵，计算其逆矩阵R-1。根据频率计算出波数kn，将每个Δr＝500m的门限扫描细分为10层，即细分后相邻r之间的间距为50m。然后，利用公式(11)计算出门限扫描向量e及共轭转置矩阵eH，将其代入公式(9)得到散射成像功率P(r)，再利用式(13)找到误差ER的最小值对应的距离权重函数标准差σz，使用高斯距离加权函数消除对P(r)的距离加权效应。
最终的结果示意图如图3(a)、3(b)、4(a)、4(b)所示，3(a)和4(a)是单频点的回波检测结果，3(b)和4(b)则是高距离分辨率成像技术处理后的结果，可以明显发现，多频率扫描模式下回波持续的时间更长，覆盖范围更宽，且回波信号在距离范围内更加连续，单一模式下的回波分布模糊不清，呈弥散状态，而多频率扫描模式下的回波层次分明，结构清晰。不难发现，将多频率扫描成像应用于电离层场向不规则(FAI)的观测，经过适当的扫描和细化，消除距离加权效应后，回波探测区域的距离分辨率有所提高，能够观测到更多精细的不规则体结构，使得FAI的一些精细结构可以被分辨出来，并且可以从回波功率图中快速地分辨出FAI回波对应的时空位置，这有助于研究电离层E区不规则体的物理特征和运动规律，可以对不规则体进行更多、更细致的研究。

Claims (5)

1.一种基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用小型化VHF雷达系统的发射机，发射多个频点的高斯脉冲；
步骤2，通过对周天线对来自不规则体的散射回波进行接收，由三组接收天线组成的阵列将回波信号传输到接收机；
步骤3，接收机中的信号最终上传到PC端，通过对原始数据进行读取，在提取到基带IQ数据后，利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理，得到不规则体的精细化结构。
2.根据权利要求1所述基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，其特征在于：VHF雷达的中心频率为48.2MHz，天线采用1发3收对周天线，发射机峰值功率为20Kw，接收机为6数字通道接收系统，还有3根用于E层FAI观测的天线。
3.根据权利要求1所述基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，其特征在于：在步骤1中，设置的实验参数包括站点经纬度坐标、多频点的载波频率、发射信号带宽、相干积累次数、脉冲重复频率、探测距离、码制、单频点采样点数以及原始距离分辨率。
4.根据权利要求1所述基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，其特征在于：在步骤3中，利用高距离分辨率成像技术对基带数据展开处理具体为：
读取出原始基带IQ数据，就是带有幅度和相位的回波散射数据，将每个时间分辨率下各个频率采集到的距离门数据进行处理，也就是第m个频率对应的基带IQ数据乘以第n个频率的基带IQ数据的共轭，再进行整体平均，得到互相关矩阵的第m行、第n列的数据Pmn，对每个频率都进行上述操作得到整个互相关矩阵R；
按下式求出扫描向量e：
Figure FDA0004075665420000011
上式中，j表示第j个基本散射体，kn为第n个载波频率对应的波数，r表示门限距离，T表示转置算子；
基于Capon算法的RIM技术，将相关矩阵R和扫描向量e代入，获得细分后不规则体的亮度分布函数，也就是处理后的不规则体的精细化时空分布结果。
5.根据权利要求4所述基于小型化VHF雷达系统的高距离分辨率成像方法，其特征在于：在步骤3中，RIM技术的频率个数选择范围为5-11个，频率间隔为10kHz-100kHz，时间分辨率下的单频率采集数为256-1500，数据码制采用16位互补码。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118311570A (zh) * 2024-03-04 2024-07-09 武汉大学 电离层散射函数的超分辨率成像方法、装置

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CN118311570A (zh) * 2024-03-04 2024-07-09 武汉大学 电离层散射函数的超分辨率成像方法、装置

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