基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法及系统技术方案

本发明专利技术属于电离层漂移探测领域，具体涉及了一种基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法及系统，旨在解决目前没有应用于低纬正常运行的非相干散射雷达探测电离层漂移的评估系统，从而无法实现选择最优波束构型对电离层漂移进行准确探测的问题。本发明专利技术包括：构建地磁坐标系下矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系；对于不同波束构型，分别进行正演和反演，获取矢量漂移的相对偏差和相对反演误差；选取相对偏差小于第一设定阈值，且相对反演误差小于第二设定阈值的波束构型作为电离层漂移探测的最优波束构型；在最优波束构型所在位置，通过最优波束构型进行F层电离层漂移探测。本发明专利技术实现了F层电离层漂移的高精度的准确探测。精度的准确探测。精度的准确探测。

【技术实现步骤摘要】
基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法及系统


[0001]本专利技术属于电离层漂移探测领域，具体涉及了一种基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法及系统。

技术介绍

[0002]电离层F层等离子体漂移速度是地球电离层的关键参数之一。在低纬电离层，它与大多数众所周知的特征有关，如赤道电离层异常(EIA)、等离子体不规则体、赤道电集流(EEJ)、电离层F3层等。等离子体漂移速度可以提供直观的动力学和电动力学信息，有助于了解地磁平静期和扰动条件下地球电离层等离子体的行为，有利于揭示低纬度电离层磁层
‑
电离层
‑
热层系统耦合的物理机制。
[0003]等离子体漂移速度的观测主要来源于卫星原位测量、非相干/相干散射雷达(ISR/CSR)和电离层测高仪的遥感探测等。卫星探测可以提供广泛的经纬度覆盖，但在高度变化和时间连续性方面存在局限性。电离层测高仪作为一种造价低和运行成本低的仪器，可以提供长时间的等离子体漂移速度观测，但对于白天电离层的垂直漂移并不可靠。在所有的电离层探测手段中，地基非相干散射雷达是迄今为止最为强大的探测手段，其具有探测功能强、参量多(多种场和粒子成分)、精度高、分辨率好、高度范围覆盖大等众多优点，在电离层探测中占有主导地位。在非相干散射雷达探测过程中，其中有以电子密度为代表的各向同性参数，还有漂移速度为代表的各向异性参数。
[0004]作为目前低纬唯一正常运行的非相干散射雷达，其具有长时间连续运行，工作模式可选，操作灵活等优点，可用于“低纬大气层r/>‑
电离层
‑
磁层耦合”重大科学问题研究。在低纬度地区，等离子体漂移仅为每秒几米到几十米，与反演误差相当。因此，雷达扫描波束的配置对漂移矢量速度反演的精度有重要影响。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即目前没有应用于低纬正常运行的非相干散射雷达探测电离层漂移的评估系统，从而无法实现选择最优波束构型对电离层漂移进行准确探测的问题，本专利技术提供了一种基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，所述电离层漂移探测方法包括：
[0006]步骤S10，基于非相干散射雷达任一视线方向的速度，构建设定空间点在地磁坐标系下的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系；
[0007]步骤S20，对于全天空扫描模式的各个位置的不同波束构型：
[0008]分别进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的正演，并将正演矢量漂移三分量设置为真值，获得雷达波束方向视线速度，实现对雷达探测电离层漂移的仿真；
[0009]分别进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的反演，并将反演矢量漂移三分量设置为反演值；
[0010]步骤S30，以反演值减去真值后与真值之间的比值作为矢量漂移的相对偏差，以反演误差与真值之间的比值作为矢量漂移的相对反演误差；所述反演误差，其平方值为反演估计的误差协方差矩阵的对角元素；
[0011]步骤S40，选取所述矢量漂移的相对偏差小于第一设定阈值，且所述矢量漂移的相对反演误差小于第二设定阈值的波束构型作为电离层漂移探测的最优波束构型；
[0012]步骤S50，在最优波束构型所在位置，通过所述最优波束构型进行F层电离层漂移探测。
[0013]在一些优选的实施例中，所述非相干散射雷达任一视线方向的速度为：
[0014]其中，k＝[k
e k
n k
z
]代表波束的方向矢量，v＝[v
e v
n v
z
]T
代表速度三分量，i代表第i个视线方向，[e n z]在雷达中心地理坐标系中分别代表东向、北向、天顶方向。
[0015]在一些优选的实施例中，所述波束的方向矢量为：
[0016]其中，Dis代表观测点与非相干散射雷达的距离投影在地面上的弧距，φ代表方位角，代表观测点与非相干散射雷达的距离，[X Y Z]代表R在纬向、子午向和大地垂直方向的投影，H＝Z代表R在大地垂直方向的投影。
[0017]在一些优选的实施例中，所述R在大地垂直方向的投影，其计算方法为：(H+R
E
)2＝R
E2
+R2‑
2R
E
R cos(90+θ)
[0018]其中，R
E
代表地球半径，θ代表非相干散射雷达的波束仰角。
[0019]在一些优选的实施例中，所述观测点与非相干散射雷达的距离投影在地面上的弧距为：
[0020]其中，R
E
代表地球半径，θ代表非相干散射雷达的波束仰角。
[0021]在一些优选的实施例中，所述地磁坐标系下的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系为：v
los
＝Av+e
los
[0022]其中，n代表视线速度的个数，v
los
为矢量速度，e
los
是视线速度的误差，为波束方向矩阵。
[0023]在一些优选的实施例中，所述进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的正演，其方法为：
[0024]基于矢量速度v和波束方向矩阵A得到无误差的视线速度：v
los
0＝Av
[0025]在无误差的视线速度上增加误差：
v
los
＝v
los
0+αe
los
[0026]其中，α是均值为0、标准差为1的随机数。e
los
为视线速度误差。
[0027]在一些优选的实施例中，所述视线速度误差，其获取方法为：
[0028]采集非相干散射雷达设定时间段的视线速度误差测量值；
[0029]进行所述设定时间段的视线速度误差测量值的网格化插值，获得视线速度误差。
[0030]在一些优选的实施例中，所述进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的反演，其方法为：
[0031]基于贝叶斯估计方法，反演获得矢量速度和协方差矩阵：基于贝叶斯估计方法，反演获得矢量速度和协方差矩阵：
[0032]其中，是反演估计的矢量速度，是反演估计的误差协方差矩阵，的对角元素为反演误差的平方值，∑
v
和∑
e
分别是速度和误差的先验协方差矩阵。
[0033]本专利技术的另一方面，提出了一种基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测系统，所述电离层漂移探测系统包括：
[0034]映射关系构建模块，配置为基于非相干散射雷达任一视线方向的速度，构建设定空间点在地磁坐标系下的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系；
[0035]正演模块，配置为对于全天空扫描模式的各个位置的不同波束构型，分别进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的正演，并将正演矢量漂移三分量设置为真值，获得雷达波束本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，其特征在于，所述电离层漂移探测方法包括：步骤S10，基于非相干散射雷达任一视线方向的速度，构建设定空间点在地磁坐标系下的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系；步骤S20，对于全天空扫描模式的各个位置的不同波束构型：分别进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的正演，并将正演矢量漂移三分量设置为真值，获得雷达波束方向视线速度，实现对雷达探测电离层漂移的仿真；分别进行任一波束构型的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系的反演，并将反演矢量漂移三分量设置为反演值；步骤S30，以反演值减去真值后与真值之间的比值作为矢量漂移的相对偏差，以反演误差与真值之间的比值作为矢量漂移的相对反演误差；所述反演误差，其平方值为反演估计的误差协方差矩阵的对角元素；步骤S40，选取所述矢量漂移的相对偏差小于第一设定阈值，且所述矢量漂移的相对反演误差小于第二设定阈值的波束构型作为电离层漂移探测的最优波束构型；步骤S50，在最优波束构型所在位置，通过所述最优波束构型进行F层电离层漂移探测。2.根据权利要求1所述的基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，其特征在于，所述非相干散射雷达任一视线方向的速度为：其中，k＝[k
e k
n k
z
]代表波束的方向矢量，v＝[v
e v
n v
z
]
T
代表速度三分量，i代表第i个视线方向，[enz]在雷达中心地理坐标系中分别代表东向、北向、天顶方向。3.根据权利要求2所述的基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，其特征在于，所述波束的方向矢量为：其中，Dis代表观测点与非相干散射雷达的距离投影在地面上的弧距，φ代表方位角，代表观测点与非相干散射雷达的距离，[XYZ]代表R在纬向、子午向和大地垂直方向的投影，H＝Z代表R在大地垂直方向的投影。4.根据权利要求3所述的基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，其特征在于，所述R在大地垂直方向的投影，其计算方法为：(H+R
E
)2＝R
E2
+R2‑
2R
E
Rcos(90+θ)其中，R
E
代表地球半径，θ代表非相干散射雷达的波束仰角。5.根据权利要求4所述的基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，其特征在于，所述观测点与非相干散射雷达的距离投影在地面上的弧距为：其中，R
E
代表地球半径，θ代表非相干散射雷达的波束仰角。
6.根据权利要求5所述的基于相控阵非相干散射雷达的电离层漂移探测方法，其特征在于，所述地磁坐标系下的矢量速度和雷达波束方向视线速度的映射关系为：v
los

【专利技术属性】
技术研发人员：金钰妍，赵必强，郝红连，
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：