一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法技术

本发明专利技术提出了一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法。本发明专利技术根据输入的初始半径和双极性扩散系数得到流星余迹中随时间和半径变化的电子密度函数；根据电子密度函数，计算以流星飞行轴线为中心一定半径范围内所有电子微团的电子密度；根据单个电子微团的电子密度，结合雷达硬件参数计算单个电子微团的回波电场强度；对所有电子微团的回波电场强度进行三重积分和相干处理，得到流星余迹中电子群的回波相干函数；构建高斯噪声和一定的信噪比序列,将回波相干函数与高斯噪声依照信噪比序列相结合，得到不同的流星回波模拟信号。本发明专利技术较好地模拟了雷达探测中流星余迹的回波信号，为后续探索和验证与流星事件相关的各物理参量提供了可靠的模型。参量提供了可靠的模型。参量提供了可靠的模型。

【技术实现步骤摘要】
一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法


[0001]本专利技术涉及空间探测
，具体涉及一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法。

技术介绍

[0002]流星体以11.2
‑
72.8km/s的速度冲进地球大气，在100
‑
300km的高度范围内，稀薄的大气预热了流星体，使其温度在数秒之内快速上升，进而发生熔化和汽化的相态转变，最后烧蚀在70
‑
120km的高度。气化的流星原子与大气分子发生激烈碰撞从而电离，伴随着流星体的飞行形成一条等离子体柱，该等离子体柱通常也被称为流星余迹。流星余迹在形成之后会迅速扩散，研究表明，双极性扩散是扩散过程中最主要的作用，因而，双极性扩散的物理过程很大程度上决定了流星余迹回波信号的性质。
[0003]不同的流星余迹的双极性扩散会产生不同的电子线密度，根据其各自的电子对回波的散射性质可以将不同的流星余迹分为两类：电子分布较为稀疏，流星余迹的回波信号可以视作其所有电子反射探测波的简单相加，则该流星余迹被定义为欠密的流星余迹；电子分布较为密集，探测波在等离子体电子间的二次散射效应和吸收效应不可忽略从而影响回波性质的，该流星余迹被定义为过密的流星余迹。在主流的风场探测中，一般用到的是欠密的流星余迹回波信号，因此本专利重点模拟欠密流星回波信号的物理模型和回波性质(忽略地磁场影响)。
[0004]对雷达探测中欠密流星余迹回波信号有效反演,可以较好地模拟欠密流星余迹中电子的运动情况和它对雷达探测波的反射过程，为后续探索和验证与流星事件相关的多普勒频移、接收机间信号的相位差、流星飞行速度、双极性扩散系数等参量提供可靠的物理模型。但是目前尚未有系统全面的对雷达探测中欠密流星余迹回波信号的反演方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的技术缺陷,提供一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法,以较好地模拟雷达探测中流星余迹的回波信号，为后续探索和验证与流星事件相关的多普勒频移、相位差、流星飞行速度、双极性扩散系数等参量提供了可靠的物理模型。
[0006]为实现以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案为一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：根据输入的初始半径和双极性扩散系数得到随时间变化的所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值，根据所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值得到流星余迹中随时间和半径变化的电子密度函数；
[0008]步骤2：截取一定的时间长度，依据流星飞行速度得到该时间内的流星飞行距离；截取一定的流星余迹半径范围，在以流星飞行轴线为中心的半径范围内随机铺满均匀分布的电子微团，根据步骤1中的电子密度函数，计算所有电子微团的电子密度；
[0009]步骤3：根据电子微团与接收机的距离、探测波频率和脉冲重复时间计算单个电子微团的回波电场强度；对流星余迹中所有电子微团的回波电场强度进行三重积分和相干处理，得到流星余迹中电子群反射雷达探测波的回波相干函数；
[0010]步骤4：构建相位在[
‑
π,π]均匀分布，振幅服从高斯分布的高斯噪声；构建一定信噪比序列的流星余迹回波复信号；将上述流星余迹回波复信号与高斯噪声依照信噪比序列使用复数加法相叠加，得到不同信噪比的流星余迹模拟信号。
[0011]作为优选，步骤1所述根据输入的初始半径和双极性扩散系数得到随时间变化的所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值，具体为：
[0012][0013]t∈(0,+∞)
[0014]其中，t表示时间；r0表示初始半径；D表示双极性扩散系数；r0和D是用户反演时需要输入的值，a表示该均方根值；
[0015]步骤1所述根据所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值得到流星余迹中随时间和半径变化的电子密度函数，具体为：
[0016]设n(r,t)为该电子密度函数，则
[0017][0018]r∈(0,+∞)
[0019]其中，r表示与电子所在位置相对应的流星余迹的半径；
[0020]作为优选，步骤2所述的截取一定的时间长度为：
[0021]t∈(0,T][0022]其中，T表示一定的时间长度；
[0023]步骤2所述的依据流星飞行速度得到的该时间内的流星飞行距离，具体为：
[0024]设流星飞行速度为V
m
，且在t∈(0,T]的时间区间内流星做匀速直线飞行运动为：
[0025]L＝V
m
*T
[0026]l∈(0,L][0027]其中，l表示流星飞行的距离区间，L表示研究时段内流星飞行的最大距离；步骤2所述的截取一定的流星余迹半径范围为：
[0028]r∈(0,λ/2][0029]其中，λ为雷达探测波的波长；
[0030]步骤2所述的在以流星飞行轴线为中心的半径范围内随机铺满均匀分布的电子微团，具体为：
[0031]在l∈(0,L]，r∈(0,λ/2]三维空间内，设l所在的直线为Z轴，与l垂直的平面内两条垂直的直线分别为X轴和Y轴,有：
[0032]X＝λ*RAND(1,N)
‑
λ/2
[0033]Y＝λ*RAND(1,N)
‑
λ/2
[0034]Z＝L*RAND(1,N)
[0035]其中，X表示电子微团在三维直角坐标系中x轴的分量；Y表示电子微团在三维直角
坐标系中y轴的分量；Z表示电子微团在三维直角坐标系中z轴的分量；RAND(1,N)表示随机函数，生成N个均匀分布在区间(0,1)的随机数；
[0036]步骤2所述的根据步骤1中的电子密度函数，计算所有电子微团的电子密度，具体为：
[0037]设在流星余迹中的第i个电子微团的三维坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，其中，x
i
表示第i个电子微团在三维直角坐标系中x轴的分量；y
i
表示第i个电子微团在三维直角坐标系中y轴的分量；z
i
表示第i个电子微团在三维直角坐标系中z轴的分量；那么，所述第i个电子微团所对应的流星余迹的半径为：
[0038][0039]i∈(1,N][0040]所述第i个电子微团所对应的时间为：
[0041]t
mic,i
＝T
‑
z
i
/V
m
[0042]i∈(1,N][0043]所述第i个电子微团所对应的电子密度为：
[0044][0045]其中，r0表示初始半径；
[0046]对所有的N个电子微团进行如上计算，即可得到所有电子微团的电子密度；
[0047]作为优选，步骤3所述的根据电子微团与接收机的距离、探测波频率和回波时间计算单个电子微团的回波相位，具体为：
[0048]设流星余迹中第i个电子微团与接收机的距离为R
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测风雷达探测中流星回波信号的反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据输入的初始半径和双极性扩散系数得到随时间变化的所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值，根据所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值得到流星余迹中随时间和半径变化的电子密度函数；步骤2：截取一定的时间长度，依据流星飞行速度得到该时间内的流星飞行距离截取一定的流星余迹半径范围，在以流星飞行轴线为中心的半径范围内随机铺满均匀分布的电子微团，根据步骤1中的电子密度函数，计算所有电子微团的电子密度；步骤3：根据电子微团与接收机的距离、探测波频率和脉冲重复时间计算单个电子微团的回波电场强度；对流星余迹中所有电子微团的回波电场强度进行三重积分和相干处理，得到流星余迹中电子群反射雷达探测波的回波相干函数；步骤4：构建相位在[
‑
π，π]均匀分布，振幅服从高斯分布的高斯噪声；构建一定信噪比序列的流星余迹回波复信号将上述流星余迹回波复信号与高斯噪声依照信噪比序列使用复数加法相叠加，得到不同信噪比的流星余迹模拟信号。2.根据权利要求1所述的测风雷达探测中流星回波信号的反演方法，其特征在于，步骤1所述根据输入的初始半径和双极性扩散系数得到随时间变化的所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值，具体为：t∈(0，+∞)其中，t表示时间；r0表示初始半径；D表示双极性扩散系数；r0和D是用户反演时需要输入的值，a表示该均方根值；步骤1所述根据所有电子与流星飞行轴线距离的均方根值得到流星余迹中随时间和半径变化的电子密度函数，具体为：设n(r,t)为该电子密度函数，则r∈(0，+∞)其中，r表示与电子所在位置相对应的流星余迹的半径。3.根据权利要求1所述的测风雷达探测中流星回波信号的反演方法，其特征在于，步骤2所述的截取一定的时间长度为：t∈(0，T]其中，T表示一定的时间长度；步骤2所述的依据流星飞行速度得到的该时间内的流星飞行距离，具体为：设流星飞行速度为V
m
，且在t∈(0，T]的时间区间内流星做匀速直线飞行运动为：L＝V
m
*Tl∈(0，L]其中，l表示流星飞行的距离区间，L表示研究时段内流星飞行的最大距离；步骤2所述的截取一定的流星余迹半径范围为：r∈(0，λ/2]
其中，λ为雷达探测波的波长；步骤2所述的在以流星飞行轴线为中心的半径范围内随机铺满均匀分布的电子微团，具体为：在l∈(0，L]，r∈(0，λ/2]三维空间内，设l所在的直线为Z轴，与l垂直的平面内两条垂直的直线分别为X轴和Y轴，有：X＝λ*RAND(1,N)
‑
λ/2Y＝λ*RAND(1，N)
‑
λ/2Z＝L*RAND(1，N)其中，X表示电子微团在三维直角坐标系中x轴的分量；Y表示电子微团在三维直角坐标系中y轴的分量；Z表示电子微团在三维直角坐标系中z轴的分量；RAND(1，N)表示随机函数，生成N个均匀分布在区间(0，1)的随机数；步骤2所述的根据步骤1中的电子密度函数，计算所有电子微团的电子密度，具体为：设在流星余迹中的第i个电子微团的三维坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，其中，x
i
表示第i个电子微团在三维直角坐标系中x轴的分量；y
i
表示第i个电子微团在三维直角坐标系中y轴的分量；z
i
表示第i个电子微团在三维直角坐标系中z轴的分量；那么，所述第i个电子微团所对应的流星余迹的半径为：i∈(1，N]所述第i个电子微团所对应的时间为：t
mic,i
＝T
‑
z
i
/V
m
i∈(1，N]所述第i个电子微团所对应的电子密度为：i∈(1，N]其中，r0表示初始半径；对所有的N个电子微团进行如上计算，即可得到所有电子微团的电子密度。4.根据权利要求1所述的测风雷达探测中流星回波信号的反演方法，其特征在于，步骤3所述的根据电子微团与接收机的距离、探测波频率和回波时间计算单个电子微团的回波相位，具体为：设流星余迹中第i个电子微团与接收机的距离为R
i
，探测波的频率为ω，探测波的波数为k；脉冲重复时间为t
PRF
，设第i个电子微团回波的回波电场强度为E
R,mic,i
，那么有：E
R,mic,i
＝(2Z0Φ
e，i
)
1/2
*n(r
mic,i
,t
mic,i
)*ex
p
(
‑
j*(ωt
PRF
‑
2kR
i
))i∈(1，N]其中，Z0为自由空间的波阻抗；Φ
e，i
为第i个电子微团散射的辐射在接收天线处的功率通量；n(r
mic,i
,t
mic,i
)表示第i个电子微团所对应的电子密度；步骤3所述的对流星余迹中所有电子微团的回波电场强度进行三重积分和相干处理，得到流星余迹中电子群反射雷达探测波的回波相干函数，具体为：将步骤2中的l∈(0，L]区间向左平移1/4，重新命名为对于时间区间t∈(0，

【专利技术属性】
技术研发人员：张绍东，关宇廷，龚韵，马铮，黄春明，黄开明，樊燚，李潜，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：