基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统技术方案

本发明专利技术属于雷达技术领域，涉及一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统，旨在解决我国的全天空流星雷达分析处理不全面及时效性、准确性和分辨率有待提高的问题；本发明专利技术从全天空流星雷达探测的原始信号出发，以建立完善的全天空流星雷达分析处理系统和获取高分辨的背景大气参数为目标，考察雷达信号分析处理的主要流程和关键技术，实现全天空流星雷达的分析处理算法，获取全天空流星雷达探测的数据产品，促使我国自主的全天空流星雷达分析处理系统的建立；本发明专利技术建立了流星雷达信号预处理算法，实现了回波信号的相位校正、欠密流星事件的判定和筛选、流星尾迹的精密定位以及观测参数的反演，实现全天空流星雷达的分析处理。

【技术实现步骤摘要】
基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统
本专利技术属于雷达
，具体涉及一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统。
技术介绍
流星尾迹是流星体进入地球高层大气产生的长而密的等离子体柱。它滞留在背景大气中，对无线电波有强的散射作用，可被雷达追踪，为中间层和低热层（MLT区域）这一探测盲区提供完美的天然示踪物。流星雷达就是以流星尾迹为观测对象的一种非常重要的MLT区域探测手段。因其设备简单，造价适中，可全天空全天候、长期稳定的观测，测量精度高等优点，成为MLT区域的常规观测手段之一，在MLT区域的大气研究中发挥着不可或缺的作用，探测的大气风场也可应用于服务空间飞行等宇航目的的空间环境保障。另外，流星雷达还可应用于流星天文和空间碎片等的研究，为航天器的生存和防护安全提供参考，具有重要的科学和实际应用价值。流星雷达主要由硬件设备和软件系统两部分组成，硬件设备主要由空间分置的天线阵组成；软件系统主要包含控制部分和分析处理部分，控制部分控制信号的发射、接收和信号的采集、存储；分析处理部分实现原始信号的后续分析处理、数据产品的生成并可视化。其中，雷达分析处理系统及其中的数据处理技术（较为关键的分析过程包含实时流星事件的判定、流星尾迹的精确定位、观测参数的获取和背景大气参数的反演）至关重要，直接影响着流星雷达的探测能力和探测精度。随着我国空间物理探测的发展，我国已布置10余台流星雷达；在不久的将来，拟建立的与现有的雷达将布置成链网状态，为我国的MLT区域大气提供全面有效的监测系统，但目前我国的流星雷达探测具有一定的局限性：目前引进的流星雷达（包含硬件设备和分析处理软件）皆为进口，且进口的分析处理软件常陷入去干扰的迭代循环中，时效性较差，另外，由于模糊度的影响干涉定位技术精确性有限，反演的背景大气风场时间分辨率较低，我国自主的流星雷达的硬件设备正在自主研发中，与之匹配的分析处理软件尚待开发；即缺乏我国自主研制的流星雷达尤其是针对原始观测分析并反演参数的雷达分析处理系统，分析处理中流星事件的判定、流星尾迹的精确定位和观测参数的获取流星事件所反映背景大气参数的反演等关键技术和核心算法尚待全面实现并完善，关键技术的时效性、精确性和分辨率有待提高；系统性的信号获取、分析、处理、产品输出及可视化尚未实现；这些问题如不解决，会制约流星雷达相关探测技术的发展和我们对中高层大气的认识。因此，迫切需要打破零基础的局面开展相关研究。针对目前使用及将来可能发展的全天空流星雷达，自主发展和研制一种直接利用雷达原始观测信号实现流星尾迹的探测、精密定位和背景大气参数的精确反演的全天空流星雷达分析处理系统，来面向对MLT区域大气常规监测的迫切需求，在此基础上有效提高流星雷达的探测效率、能力、精度和时空分辨率，从而为我国MLT区域大气及其精细结构的监测提供有效而准确的保障。综上所述，当前全天空流星雷达数据分析处理的不足之处有：1）与全天空流星雷达探测设备对接的分析处理系统尚待开发；2）分析处理系统中的流星事件的判定、流星尾迹的精确定位和观测参数的获取及背景大气参数的反演等关键技术和核心算法尚待全面实现并完善，关键技术时效性、处理精度和分辨率有待提高；3）系统性的信号获取、分析、处理、产品输出及可视化尚未实现。
技术实现思路
为了解决上述问题，即为了解决我国自主的全天空流星雷达分析处理系统尚待开发，关键技术时效性较差、处理精度和分辨率较低的问题，本专利技术提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法、系统。本专利技术的第一方面提供了一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，该方法包括以下步骤：步骤S100，采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号，获取各通道的回波特征信息，形成RTI图，通过预处理方法去除干扰，获得第一信号。步骤S200，基于所述第一信号，利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号确定流星雷达各天线的相位偏差值；校正相位偏差，获得准确的各通道的回波复信号，作为第二信号；对所述第二信号进行相位调整并合成，获得可综合描述流星回波的回波复信号，作为第三信号。步骤S300，基于所述第三信号，结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则，获得终选流星事件。步骤S400，基于所述终选流星事件，利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律，对候选流星事件进行精确定位，获取流星尾迹的位置信息。步骤S500，基于所述终选流星事件，利用回波信号的相位变化率、回波信号的衰减演化规律，确定流星尾迹的运动、演化参数；同时基于所述流星尾迹的位置信息和运动、演化参数反演背景大气参数，以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。在一些优选实施例中，步骤S100具体包括以下步骤：步骤S110，回波信号的获取以及信号的特征确定，具体为：基于雷达接收天线接收的回波信号，获取数字化后的原始信号，生成原始观测回波复信号，基于所述原始观测回波复信号提取回波信息的特征信息；所述原始信号包含同相分量和正交分量；所述特征信息包含功率、幅度、相位和RTI图。步骤S120，去干扰具体为：对图中的图像进行灰度处理，进行边缘识别和检测，识别出的横向、纵向或者斜向线条作为干扰信号以进行去除。在一些优选实施例中，流星雷达第个通道、第个采样点的原始观测回波复信号为：；其中，为虚数单位，、分别为通道收到信号的幅度和相位，为多普勒频移，为采样周期。在一些优选实施例中，“相位偏差校正”具体为：确立两条基线上偏差的关系式，减少未知参数的个数，降低遍历维度，建立判定准则高效估计各天线s相位偏差量并进行校正；其中，、为同一基线上两个外部天线的相位偏差；为由外部天线估算的相位差与天线观测的相位差的差值；为外部天线与中心天线的距离；为外部天线与中心天线的距离。在一些优选实施例中，步骤S300具体包括：步骤S310，流星事件的预判，包括信号合成和流星事件的判定；其中，所述信号合成具体为：对回波信号进行分段筛选，在选取的时间窗口内，基于计算的不同天线、不同时延条件的互相关函数，确定外部天线与中心天线间的相位差，调整外部天线信号的相位差，再将调整后的各天线信号进行合成。所述流星事件的判定具体为：基于流星事件的典型回波特征，确立从回波信号中筛选事件的判据，判定流星事件并确立事件的特征信息；所述典型回波特征包括在预设时间内的上升速率、在预设时间内突出于噪声水平、到达峰值后准指数下降、持续时间低于预设时间；判定的依据为：在划定的窗口内依据流星雷达的回波特点确定噪声水平，基于该噪声水平确立判定流星事件的阈值，若窗口内预处理后的回波信号的功率连续两个时刻高于阈值，则初步认定为流星事件回波，并标记为候选流星事件。步骤S320，流星事件的核验；基于所述候选流星事件，排除其它回波信号，筛选出符合条件的欠密流星事件；所述其它回波信号包含电离层偶发E层、闪电和飞行物回波。步骤S330，流星事件的终判；基于核验完的流星事件回波信号，确定基本的探测参数：在流星事件的特征时间内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤S100，采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号，获取各通道的回波特征信息，形成RTI图，通过预处理方法去除干扰，获得第一信号；/n步骤S200，基于所述第一信号，利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号确定流星雷达各天线的相位偏差值；/n校正相位偏差，获得准确的各通道的回波复信号，作为第二信号；对所述第二信号进行相位调整并合成，获得可综合描述流星回波的回波复信号，作为第三信号；/n步骤S300，基于所述第三信号，结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则，获得终选流星事件；/n步骤S400，基于所述终选流星事件，利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律，对候选流星事件进行精确定位，获取流星尾迹的位置信息；/n步骤S500，基于所述终选流星事件，利用回波信号的相位变化率、衰减演化规律，确定流星尾迹的运动参数和流星尾迹的演化参数；/n同时基于所述流星尾迹的位置信息和运动、演化参数反演背景大气参数，以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S100，采集全天空流星雷达各接收通道的回波信号，获取各通道的回波特征信息，形成RTI图，通过预处理方法去除干扰，获得第一信号；
步骤S200，基于所述第一信号，利用空间分置的天线几何关系和流星回波信号确定流星雷达各天线的相位偏差值；
校正相位偏差，获得准确的各通道的回波复信号，作为第二信号；对所述第二信号进行相位调整并合成，获得可综合描述流星回波的回波复信号，作为第三信号；
步骤S300，基于所述第三信号，结合预设的流星时间判定准则和预设的欠密流星尾迹筛选原则，获得终选流星事件；
步骤S400，基于所述终选流星事件，利用全天空流星雷达接收天线的空间几何关系、信号的传播规律，对候选流星事件进行精确定位，获取流星尾迹的位置信息；
步骤S500，基于所述终选流星事件，利用回波信号的相位变化率、衰减演化规律，确定流星尾迹的运动参数和流星尾迹的演化参数；
同时基于所述流星尾迹的位置信息和运动、演化参数反演背景大气参数，以完成对全天空流星雷达信号的分析处理。


2.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，其特征在于，步骤S100具体包括以下步骤：
步骤S110，回波信号的获取以及信号的特征确定，具体为：基于雷达接收天线接收的回波信号，获取数字化后的原始信号，生成原始观测回波复信号，基于所述原始观测回波复信号提取回波信息的特征信息；所述原始信号包含同相分量和正交分量；所述特征信息包含功率、幅度、相位和RTI图；
步骤S120，去除干扰具体为：对RTI图中的图像进行灰度处理，进行边缘识别和检测，识别出的横向、纵向或者斜向线条作为干扰信号以进行去除。


3.根据权利要求2所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，其特征在于，流星
雷达第个通道、第个采样点的原始观测回波复信号为：



其中，为虚数单位，、分别为第个通道信号的幅度和相位，为多普勒频移，
为采样周期。


4.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，其特征在于，所述
校正相位偏差具体为：确立两条基线上偏差的关系式；减少未知
参数的个数，降低遍历维度，建立判定准则高效估计各天线相位偏差量并进行校正；其中，、为同一基线上两个外部天线的相位偏差；为由外部天线估
算的相位差与天线观测的相位差的差值；为外部天线与中心天线的距
离；为外部天线与中心天线的距离。


5.根据权利要求1所述的基于全天空流星雷达信号的分析处理方法，其特征在于，步骤S300具体包括：
步骤S310，流星事件的预判，包括信号合成和流星事件的判定；其中，所述信号合成具体为：对回波信号进行分段筛选，在选取的时间窗口内，基于计算的不同天线、不同时延条件的互相关函数，确定外部天线与中心天线间的相位差，调整外部天线信号的相位差，再将调整后的各天线信号进行合成；
所述流星事件的判定具体为：基于流星事件的典型回波特征，确立从回波信号中筛选事件的判据，判定流星事件并确立事件的特征信息；
所述典型回波特征包括在预设时间内的上升速率、在预设时间内突出于噪声水平、到达峰值后准指数下降、持续时间低于预设时间；
判定的依据为：在划定的窗口内依据流星雷达的回波特点确定噪声水平，基于该噪声水平确立判定流星事件的阈值，若窗口内预处理后的回波信号的功率连续两个时刻高于阈值，则初步认定为流星事件回波，并标记为候选流星事件；
步骤S320，流星事件的核验；基于所述候选流星事件，排除其它回波信号，筛选出符合条件的欠密流星事件；所述其它回...

【专利技术属性】
技术研发人员：余优，胡连欢，李国主，宁百齐，刘立波，熊建刚，解海水，万卫星，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11