基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统技术方案

本发明专利技术属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统、装置，旨在解决现有非相干散射雷达的电离层参量提取方法获得的电离层参量分辨率差的问题。本方法包括：获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；得到理论自相关数据；得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；判断是否拟合完成，若否，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；若是，通过贝叶斯平滑算法进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。本发明专利技术提高了非相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统


[0001]本专利技术属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统、装置。

技术介绍

[0002]对于电离层的非相干散射探测，电离层可以看作是大范围连续分布的软目标，雷达接收到的回波信号是从地面发射的电磁波信号受电离层中的电子、离子的热起伏作用调制后的零均值的后向散射随机信号，回波功率相对于发射功率非常微弱，其功率谱密度是电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度等电离层参量的函数。为了从微弱的非相干散射回波信号中提取得到电离层基本参量，大功率的相控阵非相干散射雷达是目前最先进且最有效的探测手段，具有探测范围广、探测电离层参数较多且时间和空间分辨率较高等特点。
[0003]在非相干散射雷达探测中，通常采用长脉冲和交替码作为雷达发射信号。长脉冲回波信号功率相对较高，但是距离分辨率比较差，通常为几十公里，交替码由于其相位编码特性，回波信号功率较低，但是其距离分辨率比较高，通常为几百米到几公里。针对这两种编码形式的回波信号进行电离层参量提取，常规的反演方法是基于距离门分析，即将理论自相关数据与实测非相干散射回波信号的自相关逐个高度进行非线性最小二乘拟合，每个拟合高度使用的理论初值完全依赖于IRI理论模型，不同距离门以及不同时刻之间的拟合都是相互独立的，这样的拟合方法需要准确的非相干散射谱的测量才可以获取较高分辨率的电离层参量，也就是需要高信噪比的非相干散射回波信号。那么为了提高实测回波信号的信噪比，需要先在距离和时间上进行多周期积累后再进行参量反演。一般在相控阵体制的非相干散射雷达多波束扫描探测实验中，为了获取可靠的电离层参量，对于距离分辨率本身比较高的交替码回波信号，进行多个高度积累后，再进行距离门反演得到的电离层参量在十几分钟的时间分辨率和十几公里的距离分辨率量级，长脉冲距离分辨率则变得更差，这对于快速变化的电离层扰动的动力学研究是远远不够的。因此本专利技术结合时间上的贝叶斯平滑和距离向上的相关先验知识来获取高时间分辨率和高距离分辨率的电离层参量，这对电离层的精细结构研究具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有非相干散射雷达的电离层参量提取方法获得的电离层参量分辨率差的问题，本专利技术第一方面，提出了一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，该方法包括：步骤S100，根据IRI电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；
步骤S200，基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；步骤S300，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；步骤S400，判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转步骤S600；否则跳转步骤S500；步骤S500，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转步骤S200；步骤S600，通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。
[0005]在一些优选的实施方式中，实测自相关数据与理论自相关数据之间的关系为：其中， 、为雷达接收机实测的原始复信号回波序列，为时延值，为由原始信号计算得到的非相干散射回波信号自相关，即实测自相关数据，为雷达接收机阻抗，为雷达发射功率，为发射脉冲宽度，为从雷达天线到散射点的距离，为时延模糊函数，为距离门处由电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度决定的等离子体的理论自相关数据，为与雷达天线增益和雷达散射截面等相关的系统常量。
[0006]在一些优选的实施方式中，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到各距离门上拟合的电离层基本参量，其方法为：根据设定的距离门步进间隔，逐个高度对各距离门对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，进而得到各距离门上拟合的电离层基本参量。
[0007]在一些优选的实施方式中，在非相干散射雷达探测中，若采用交替码作为雷达发射信号，则将时延剖面矩阵各探测距离上的最小的时延积去掉，不参与实测自相关数据的距离门的拟合。
[0008]在一些优选的实施方式中，每个距离门处对应的误差协方差矩阵，其获取方法为：其中，为误差协方差矩阵，为拟合残差一阶偏导，为实测自相关数据的方差，T表示转置。
[0009]在一些优选的实施方式中，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的初始基本参量，其方法为：若未知的电离层基本参量x的先验值为真值，电离层基本参量x与其对应的理论
初值的映射关系为，先验方差为，则它们之间的线性关系为：将、分别以最大二阶差分形式展开：，其中，、、分别表示第零阶、第一阶、第二阶的先验方差；对于每个电离层基本参量，第零阶的差分矩阵为单位矩阵，即，第一阶和第二阶差分矩阵、分别为和的矩阵形式，表示为：，其中，表示距离门个数；前一时刻拟合获得的所有距离门上的误差协方差矩阵可以作为第零阶协方差矩阵，由此可以进一步推导得到第一阶和第二阶协方差矩阵，分别为其中，为取对角线，为距离门步进间隔，为每个参数的相关长度，正比于等离子体标高，为常量，表示k时刻第个距离门的协方差矩阵；运用最小二乘思想计算达到最小，那么从上述的线性关系的公式可得到：其中，为贝叶斯滤波后的参数剖面，为贝叶斯滤波后的协方差矩阵，T表示转置；因此基于贝叶斯滤波后下一时刻电离层基本参量的理论初值和对应的先验方差分别为
其中，为时间步进间隔，即拟合过程中的积累时间，为常量，为过程噪声方差。
[0010]本专利技术的第二方面，提出了一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演系统，该系统包括：参量初值获取模块、理论自相关计算模块、参量输出模块、循环判断模块、贝叶斯滤波模块、贝叶斯平滑模块；所述参量初值获取模块，配置为根据IRI电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；所述理论自相关计算模块，配置为基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；所述参量输出模块，配置为对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，该方法包括：步骤S100，根据IRI电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；步骤S200，基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；步骤S300，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；步骤S400，判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转步骤S600；否则跳转步骤S500；步骤S500，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转步骤S200；步骤S600，通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。2.根据权利要求1所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，实测自相关数据与理论自相关数据之间的关系为：其中， 、为雷达接收机实测的原始复信号回波序列，为时延值，为由原始信号计算得到的非相干散射回波信号自相关，即实测自相关数据，为雷达接收机阻抗，为雷达发射功率，为发射脉冲宽度，为从雷达天线到散射点的距离，为时延模糊函数，为距离门处由电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度决定的等离子体的理论自相关数据，为与雷达天线增益和雷达散射截面等相关的系统常量。3.根据权利要求1所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝红连，赵必强，
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：