一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法技术

本发明专利技术是一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法。本发明专利技术涉及天波雷达探测技术领域，本发明专利技术设定电离层参数，根据探测区域的经纬度信息、季节、天气和一日内时间变量，结合多准抛物线模型构建电离层模型；根据不同异常结构的特性，设立地理位置、异常结构尺寸，等离子体物理过程参数，建立电离层突发异常结构模型。根据电磁波空间传播，结合建立的电离层模型，得到天波雷达回波，经过傅里叶变换得到回波的距离

【技术实现步骤摘要】
一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法


[0001]本专利技术涉及天波雷达探测
，是一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法。

技术介绍

[0002]随着时代飞速发展，科技的不断进步，人们迈入了信息化的时代，光波、无线电波也成为了人们生活中必不可缺的一部分，无论在军用还是在民用领域都得到了广泛的应用。军事上，现代高科技战争是陆、海、空与声、光、电信息一体化的综合，如何快速地获取信息是现代战争成败的关键。在近代的海湾战争到伊拉克战争中，现代无线电技术在高信息化程度的战争中发挥的巨大作用使人们清楚的认识到了其在战争攻防中的重要程度，这也迫使世界各国争相增加对于无线电、光电侦察等信息
的研究与发展。近年来，随着通信系统的不断发展完善，所需要的探测距离要求也越来越高，由于受到地球曲率的影响，常规的地基雷达探测距离已经不能满足大范围地区的侦察预警功能，若依靠天基预警卫星系统进行侦察预警工作，但是由于其造价高昂、建设周期长、不变维护，难以成为最佳的选择，而天波超视距雷达(over
‑
the
‑
horizon radar，OTHR)则可以突破这种限制。天波超视距雷达是一种利用高频电磁波在电离层与地面之间反射或沿地球表面绕射机制，克服地球曲率限制从而探测到地平线以下目标的新体制雷达，其探测距离可到几千公里，对于远距离下目标的探测预警有极大的优势，这是使人们研究电离层对电波传播影响的一个重要原因。
[0003]由于太阳紫外辐射以及宇宙背景射线等与高层大气层之间相互作用，使得这部分大气分子发生电离，形成了一片准中性的等离子体聚集区，正常情况下，电离层位于60
‑
2000km高度的地球空间，但是其在本质上与磁层并不相同，在磁层，磁场会完全控制带电粒子的运动，所以处于一定能量范围内的带电粒子可能被地磁场捕获而在一定的位置上形成地球辐射带；而电离层则不同，带电粒子和中性粒子相对频繁的碰撞，从而使得磁场不能完全控制电子的运动。在110km以下，中性风控制带电粒子的运动；而在110km至160km左右，电子的磁回旋频率远大于其与中性粒子的碰撞频率，而离子仍然主要受碰撞的影响；在200km以上，电子、离子均逐渐磁化，磁场对带电粒子的影响越来越显著，而这种影响依赖于地方时、纬度等。通常，在赤道区域，地磁场是水平的，东西方向的电场和磁场形成的洛伦兹力白天推动等离子体向上漂移，并在300
‑
1000km左右高度上沿磁力线向磁赤道两边扩散，使得电离层F区中电子密度最大值在白天通常出现于磁赤道两侧。在中纬度地区，还时常出现不规则的突发E层(sporadic
‑
E，Es层)，由于Es突发形成，其很多特性尚不明确，目前可以得到的结论为：Es层是一片“电子云块”的集合体，电子浓度较高，不同的“电子云块”之间被弱电离气体所隔开,形成了网状的电薄层，高度在90
‑
140km范围之内，厚度为1
‑
2km，水平覆盖范围可达十几公里至几百公里不等。引起的离子浓度变化可能会引起射线的反射或散射现象，导致正常高频电磁波探测范围、回波强度发生变化。因此为了避免Es层对天波超视距雷达探测产生影响，需要有效地判断Es层的出现，对其规律与特性进行研究。
[0004]正常情况下，电离层介电常数、折射指数会受到电离层电子密度的不均匀性的影响而产生随机起伏，当电波在这样的随机环境中传播时，传播路径以及传播时间都会发生改变，从而使得信号的振幅、相位以及到达角等发生快速起伏，即为电离层闪烁。电离层闪烁通常会降低电波系统如雷达等的分辨率，另外，电离层闪烁直接与信号衰落的统计特性、信道设计、测距、测速和测角的精度、雷达图像的分辨率等因素直接相关从应用的角度讲，若电离层产生突发异常结构，将严重影响天波雷达的探测能力，但若对突发异常进行建模，研究其异常结构所带来的影响，不仅有利于人类认识电离层本身，而且有助于天波雷达探测问题的解决，能够探测外来入侵物在穿过电离层，在电离层造成的电离浓度变化，进而对外来入侵物进行判别与预警。

技术实现思路

[0005]本专利技术为对不同的突发异常结构进行探测分类，本专利技术提供了一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：设定电离层参数，根据探测区域的经纬度信息、季节、天气和一日内时间变量，结合多准抛物线模型构建电离层模型；
[0008]步骤2：根据不同异常结构的特性，设立地理位置、异常结构尺寸，等离子体物理过程参数，建立电离层突发异常结构模型。
[0009]步骤3：根据电磁波空间传播，结合建立的电离层模型，得到天波雷达回波，经过傅里叶变换得到回波的距离
‑
多普勒频率谱；
[0010]步骤4：将得到的回波的距离
‑
多普勒频率谱在频域上进行频域能量聚集，并根据不同突发异常结构特点，对回波进行分类与特征提取。
[0011]优选地，所述步骤1具体为：
[0012]于电离层中物理过程分为光化学过程与运输过程，确定三个物理量：产生率q，单位为cm
‑
3s
‑
1；损失率L(N)，关于电子浓度N的函数，单位为cm
‑
3s
‑
1；运输项V为净漂移速度，表示整个运动过程，根据探测区域的经纬度信息、季节、天气和一日内时间变量，结合多准抛物线模型构建电离层模型，通过下式表示电离层模型：
[0013][0014]优选地，所述步骤2具体为：
[0015]步骤2.1：设立等离子体损失过程，损失过程分为以下两种情况：
[0016]当β＞＞αN，则
[0017]q＝αN2(平方律损失)
[0018]当β＜＜αN，则
[0019]q＝βN(线性损失)
[0020]步骤2.2：电场与中性风驱动，忽略重力场、压力梯度及电子
‑
离子碰撞，电离层中的带电粒子运动方程通过下式表示：
[0021][0022]其中，V为带电粒子漂移速度，U是中性大气速度，B是地磁场强度，v是带电粒子同中性粒子的碰撞频率；
[0023]步骤2.3：通过带电粒子的磁旋频率解得速度V在x、y、z方向的三个分量，通过下式表示所述分量：
[0024][0025]其中，υ分量的符号用于离子，正号用于电子；
[0026]步骤2.4：根据设定的突发异常结构与正常情况下浓度差，计算等离子体扩散速度；由于电子与离子扩散速度相同，且单位时间内，离子同电子获得的动能等于离子同电子获得的动能，在重力场的作用下，由实验的方法，推导得到双极扩散系数为：
[0027][0028]其中，k为玻尔兹曼常数，q
e
为电子电荷量，T和P分别为大气中的温度与压强，K0为离子在零场的迁移率，此处取氮原子的的值为K0＝2.5
×
10
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：设定电离层参数，根据探测区域的经纬度信息、季节、天气和一日内时间变量，结合多准抛物线模型构建电离层模型；步骤2：根据不同异常结构的特性，设立地理位置、异常结构尺寸，等离子体物理过程参数，建立电离层突发异常结构模型。步骤3：根据电磁波空间传播，结合建立的电离层模型，得到天波雷达回波，经过傅里叶变换得到回波的距离
‑
多普勒频率谱；步骤4：将得到的回波的距离
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多普勒频率谱在频域上进行频域能量聚集，并根据不同突发异常结构特点，对回波进行分类与特征提取。2.根据权利要求1所述的一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法，其特征是：所述步骤1具体为：于电离层中物理过程分为光化学过程与运输过程，确定三个物理量：产生率q，单位为cm
‑
3s
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1；损失率L(N)，关于电子浓度N的函数，单位为cm
‑
3s
‑
1；运输项V为净漂移速度，表示整个运动过程，根据探测区域的经纬度信息、季节、天气和一日内时间变量，结合多准抛物线模型构建电离层模型，通过下式表示电离层模型：3.根据权利要求2所述的一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法，其特征是：所述步骤2具体为：步骤2.1：设立等离子体损失过程，损失过程分为以下两种情况：当β＞＞αN，则q＝αN2(平方律损失)当β＜＜αN，则q＝βN(线性损失)步骤2.2：电场与中性风驱动，忽略重力场、压力梯度及电子
‑
离子碰撞，电离层中的带电粒子运动方程通过下式表示：其中，V为带电粒子漂移速度，U是中性大气速度，B是地磁场强度，是带电粒子同中性粒子的碰撞频率；步骤2.3：通过带电粒子的磁旋频率解得速度V在x、y、z方向的三个分量，通过下式表示所述分量：
其中，υ分量的符号用于离子，正号用于电子；步骤2.4：根据设定的突发异常结构与正常情况下浓度差，计算等离子体扩散速度；由于电子与离子扩散速度相同，且单位时间内，离子同电子获得的动能等于离子同电子获得的动能，在重力场的作用下，由实验的方法，推导得到双极扩散系数为：其中，k为玻尔兹曼常数，q
e
为电子电荷量，T和P分别为大气中的温度与压强，K0为离子在零场的迁移率，此处取氮原子的的值为K0＝2.5
×
10
‑4m2s
‑1V
‑1通过下式表示双极扩散系数与回波衰减时间成反比关系：定义等离子体标高为：其中T
e
为电子温度，T
i
为离子浓度，m为离子质量，g为重力加速度。垂直地心方向上高度以h表示，以磁场B指向方向为z轴建立xyz坐标系，根据探测位置的经纬度由几何关系得出:d＝dz sin I则等离子体在垂直方向上的扩散速度通过下式表示：得到水平方向上的扩散速度：式中，N是电子浓度，H是中性标高，并有H
p
＝2H。4.根据权利要求3所述的一种天波雷达探测电离层突发异常结构方法，其特征是：所述步骤3具体为：步骤3.1：通过设立电离层模型中不同位置的电子浓度，计算自由电子碰撞频率，在等离子体中存在多种粒子...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯成宇，廖晨辰，陈迪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：