基于空間監(jiān)視雷達(dá)散射回波的電離層電子密度探測(cè)方法

丁宗華，代連東，許正文，吳健，楊嵩

（1.中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266107；2.電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266107）

基于空間監(jiān)視雷達(dá)散射回波的電離層電子密度探測(cè)方法

丁宗華1,2，代連東1,2，許正文1,2，吳健1,2，楊嵩1,2

（1.中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266107；2.電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266107）

目的提高空間監(jiān)視雷達(dá)的電離層電波環(huán)境適應(yīng)性。方法VHF-L波段大功率雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過電離層傳播時(shí)會(huì)發(fā)生非相干散射，散射回波中包含電離層信息。結(jié)合雷達(dá)方程和電離層目標(biāo)特征，基于電離層非相干散射原理，理論分析空間監(jiān)視雷達(dá)用于電離層電子密度非相干散射探測(cè)的條件（包括雷達(dá)參數(shù)設(shè)置和波束掃描方式），給出電離層回波功率、自相關(guān)函數(shù)和電子密度表達(dá)式，利用Matlab編程對(duì)某大功率空間監(jiān)視雷達(dá)原始數(shù)據(jù)處理得到電離層散射回波及電子密度。結(jié)果給出了空間監(jiān)視雷達(dá)用于電離層電子密度非相干散射探測(cè)的基本條件，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電離層回波和電子密度符合電離層變化特征。結(jié)論利用VHF-L波段大功率雷達(dá)空間散射回波探測(cè)電離層電子密度是可行的，為空間監(jiān)視雷達(dá)電離層環(huán)境感知與傳播自適應(yīng)修正提供了一種可能的新途徑。

雷達(dá)；散射回波；電離層；電子密度；非相干散射

KEYWORDS:radar;scatter echo;ionosphere;electron density;incoherent scatter

利用大功率雷達(dá)探測(cè)空間目標(biāo)時(shí)，若雷達(dá)信號(hào)穿過電離層（地面以上90～1000 km的區(qū)域）傳播，電離層中的電子、離子等將對(duì)入射電磁波產(chǎn)生非相干散射。通過對(duì)這種空間非相干散射回波的提取和分析，可以反演雷達(dá)信號(hào)傳播路徑上的電離層電子密度等參數(shù)，從而可能實(shí)現(xiàn)一種電離層探測(cè)新手段，并且用于大功率空間監(jiān)視雷達(dá)的電離層電波傳播自適應(yīng)修正。Gordon等[1]從理論上提出了利用大功率雷達(dá)探測(cè)電離層非相干散射散射回波和物理參數(shù)的設(shè)想，隨后Bowles等[2]利用美國(guó)Long Branch雷達(dá)（工作頻率為41 MHz，峰值功率為6 MW）進(jìn)行了首次電離層非相干散射探測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了大功率雷達(dá)探測(cè)電離層的原理可行性，隨后電離層非相干散射技術(shù)得到迅速發(fā)展[3—5]，目前國(guó)際上已建設(shè)了10多部非相干散射雷達(dá)[6]。

作為目前最強(qiáng)大的電離層地基探測(cè)手段，大功率非相干散射雷達(dá)在空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)方面也具有重要應(yīng)用價(jià)值[7—8]，同樣，反過來其他大功率空間監(jiān)視雷達(dá)也可能用于電離層非干散射探測(cè)。20世紀(jì)80年代初中國(guó)電波傳播研究所[5]利用原7010相控陣空間目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)，通過研制專門的信號(hào)采集與處理終端，成功檢測(cè)出電離層非相干散射回波[9—10]，并計(jì)算了電離層電子密度、電子溫度、離子溫度等參數(shù)。由于受當(dāng)時(shí)雷達(dá)技術(shù)、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)反演方法的限制，在信號(hào)處理方法實(shí)時(shí)性、探測(cè)分辨率、反演參數(shù)精度等方面存在許多不足，也未說明利用大功率雷達(dá)開展電離層非相干散射探測(cè)的條件與要求，無法滿足大功率空間監(jiān)視雷達(dá)電離層探測(cè)與自適應(yīng)修正的需求。文中重點(diǎn)分析了利用大功率雷達(dá)開展電離層非相干散射探測(cè)的條件并介紹了有關(guān)的電離層參數(shù)反演方法，最后給出了某大功率雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析結(jié)果。

1 大功率雷達(dá)的電離層非相干散射探測(cè)條件

1.1 電離層非相干散射方程

電離層非相干散射是指電離層等離子體隨機(jī)熱起伏對(duì)入射電磁波產(chǎn)生的散射，由于散射截面與等離子體電荷質(zhì)量比緊密相關(guān)，因此實(shí)際上主要是電離層中自由電子產(chǎn)生的非相干散射。由于電離層電子散射截面非常小，散射信號(hào)很弱，因此一般需要大功率雷達(dá)才能夠探測(cè)到。電離層非相干散射信號(hào)主要來自電離層自由電子散射，它彌散分布在雷達(dá)波束內(nèi)，屬于分布式軟目標(biāo)。設(shè)電離層探測(cè)目標(biāo)的散射體積為：

式中：Pt為發(fā)射功率；A為天線有效面積；L為系統(tǒng)損耗；τ為脈沖寬度。與常見的硬目標(biāo)雷達(dá)方程不同，電離層非相干散射回波信號(hào)功率與距離的平方成反比。

1.2 非相干散射信號(hào)的可檢測(cè)性和測(cè)量誤差

假設(shè)在300 km高度處散射，電離層電子密度為1012/m3（對(duì)應(yīng)最強(qiáng)的散射回波），脈沖寬度為32 μs，散射點(diǎn)處雷達(dá)波束橫向面積為1 km2，則單個(gè)距離門內(nèi)總電子數(shù)目為5×1021，總散射截面為5×10－7，雷達(dá)天線有效口徑面積為500 m2，雷達(dá)發(fā)射功率為1 MW。代入式（2）可得，達(dá)到天線處的空間散射回波功率為2.5×10－16W。

另一方面，設(shè)接收機(jī)帶寬為500 kHz，雷達(dá)系統(tǒng)噪聲溫度為200 K，則天線接收的噪聲功率為1.38×10－15W。由此可見，在不采取相干積累條件下，最強(qiáng)的電離層散射回波還遠(yuǎn)低于噪聲。因此，非相干散射探測(cè)一般應(yīng)采用大功率發(fā)射、大口徑天線接收、低系統(tǒng)噪聲溫度、非相干積累、復(fù)雜編碼和信號(hào)處理等技術(shù)才能檢測(cè)到電離層散射回波。

電離層非相干散射測(cè)量誤差主要與回波信噪比、脈沖積累系數(shù)等有關(guān)，表達(dá)式為[3]：

式中：n為積累次數(shù)；Pn為背景電磁噪聲功率；m為噪聲測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

一般來說，電離層F2層電子密度大，散射信號(hào)強(qiáng)，信噪比較高。圖1給出了非相干散射功率測(cè)量誤差隨積累次數(shù)和信噪比的變化，橫坐標(biāo)表示脈沖積累次數(shù)，縱坐標(biāo)表示相對(duì)測(cè)量誤差，不同曲線對(duì)應(yīng)不同信噪比。從圖1可見，非相干散射回波測(cè)量誤差對(duì)信噪比的依賴性很強(qiáng)。當(dāng)信噪比低于0.1時(shí)，功率測(cè)量誤差很大。當(dāng)信噪比為0.01時(shí)，即使積累1萬(wàn)次（探測(cè)時(shí)間約100 s），功率測(cè)量誤差可達(dá)100%。另外當(dāng)探測(cè)積累次數(shù)在2000次以上時(shí)，非相干散射功率測(cè)量誤差基本不隨積累次數(shù)增加而發(fā)生改善。因此當(dāng)電離層電子密度很弱，散射信號(hào)信噪比很低時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)很大，單純?cè)黾臃e累次數(shù)不一定能改善測(cè)量誤差，還需結(jié)合其他手段，如采用靈活的波形設(shè)計(jì)等。

圖1 非相干散射測(cè)量誤差與信噪比、脈沖積累數(shù)的關(guān)系

1.3 對(duì)雷達(dá)參數(shù)和波束掃描方式的要求

1.3.1 工作頻率

一般要求雷達(dá)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于等離子體德拜長(zhǎng)度，而電離層等離子體德拜長(zhǎng)度為厘米量級(jí)甚至更小，所以頻率通常應(yīng)小于S波段。但頻率不能太低，頻率越低，則背景電磁噪聲偏大，同時(shí)天線和雷達(dá)發(fā)射機(jī)等硬件設(shè)備更復(fù)雜。低于VHF波段時(shí)背景噪聲過大，而且電離層散射譜譜寬很窄，導(dǎo)致散射信號(hào)信噪比很低，因此非相干散射探測(cè)的頻率一般為VHF～L波段。

1.3.2 發(fā)射功率

由于電離層散射信號(hào)非常微弱，為了得到滿意的信噪比，通常要求發(fā)射峰值功率在兆瓦量級(jí)。

1.3.3 天線及掃描方式

非相干散射信號(hào)非常微弱，為了提高對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，一般采用大口徑拋物面天線和天線陣，此時(shí)天線有效面積至少數(shù)百平米，天線增益約40 dB或更大。由于電離層不是空間均勻分布的，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種尺度的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。為了提高對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)探測(cè)的橫向分辨率，要求具有較窄的波束寬度。為了減小旁瓣信號(hào)的干擾，要求天線的旁瓣電平比主瓣低得多。此外為了快速調(diào)整波束指向，以實(shí)現(xiàn)電離層三維空間掃描探測(cè)，要求天線具有一定的波束指向控制能力。

對(duì)于大功率空間監(jiān)視雷達(dá)，當(dāng)采用波束凝視探測(cè)模式時(shí)，由于波束指向固定的電離層空間區(qū)域，此時(shí)與電離層非相干散射探測(cè)相似，只需對(duì)固定指向的電離層區(qū)域進(jìn)行連續(xù)數(shù)千次以上（10 s以上）積累，即可得到電離層非相干散射回波。

當(dāng)采用跟蹤掃描模式時(shí)，由于雷達(dá)波束指向快速變化，不同指向的電離層回波不一定相關(guān)，因此對(duì)雷達(dá)波束掃描速度和脈沖積累次數(shù)具有一定限制。如果雷達(dá)波束掃描速度為1(°)/s，則不同掃描時(shí)間對(duì)應(yīng)的不同高度處的掃描弧長(zhǎng)見表1。由于電離層具有一定的水平空間均勻性（一般認(rèn)為水平方向50 km范圍內(nèi)電離層狀態(tài)均勻，散射回波具有相關(guān)性），則掃描10 s時(shí)300 km處的弧長(zhǎng)已超過50 km，無法滿足水平均勻性條件。另一方面由于電離層至少在1 min之內(nèi)滿足時(shí)間均勻性(在1 min之內(nèi)，電離層狀態(tài)基本不變)。因此若在1 min內(nèi)，雷達(dá)波束始位于同一相關(guān)區(qū)域，則可將此時(shí)間和相關(guān)區(qū)域內(nèi)的散射回波進(jìn)行相干積累，以便獲取電離層非相干散射回波。

表1 不同掃描時(shí)間、不同高度處的掃描弧長(zhǎng)

1.3.4 系統(tǒng)噪聲溫度

非相干散射探測(cè)除了采用高發(fā)射功率和高增益天線外，還應(yīng)最大限度地降低系統(tǒng)噪聲溫度，通常要求小于300 K。

1.3.5 脈沖寬度與波形

為了得到較強(qiáng)的散射回波，一般要求脈沖寬度盡可能寬，至少為數(shù)百微秒。此時(shí)自相關(guān)函數(shù)時(shí)延范圍可達(dá)數(shù)百微秒，對(duì)應(yīng)的非相干散射功率譜分辨率為千赫茲量級(jí)，滿足電離層非相干散射要求。脈沖寬度不能過寬，否則在同樣占空比條件下，脈沖重復(fù)周期太長(zhǎng)，脈沖重復(fù)頻率太低，速度模糊嚴(yán)重。為了獲得高時(shí)寬帶寬積，一般采用相位編碼脈沖，可同時(shí)獲得較寬的脈寬寬度和較高的距離分辨率。

常見的硬目標(biāo)不同，電離層為分布式軟目標(biāo)。為了適應(yīng)不同探測(cè)高度上對(duì)距離分辨率和功率譜分辨率的要求，同時(shí)為了盡可能壓縮旁瓣，提高信噪比，需采用復(fù)雜的編碼。常用的脈沖波形為交替碼、巴克碼、互補(bǔ)碼等。其中交替碼是非相干散射雷達(dá)專用相位調(diào)制碼。

2 信號(hào)處理與電離層反演方法

設(shè)雷達(dá)空間散射回波信號(hào)采樣數(shù)據(jù)為z，發(fā)射脈沖為m，則積累后的電離層回波功率為：

式中：?表示卷積運(yùn)算；Pn為噪聲功率；i表示距離門（一般從100～700 km）的序號(hào)；N為相干積累次數(shù)；j表示積累次數(shù)的序號(hào)；cj為某次積累時(shí)的系數(shù)。

雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式[3]：

由非相干散射雷達(dá)方程得到電離層電子密度表達(dá)式為[3,9,11]：

式中：k與雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，如發(fā)射峰值功率、脈沖寬度、天線增益和系統(tǒng)損耗等有關(guān)，一般需利用其他手段（如電離層垂直探測(cè)儀探測(cè)的最大電子密度）來標(biāo)校；α為電離層等離子體德拜長(zhǎng)度與雷達(dá)波長(zhǎng)之比；Tr為電離層電子溫度與離子溫度之比。由于德拜長(zhǎng)度為厘米量級(jí)甚至更小，而對(duì)VHF-L波段頻率來說，雷達(dá)波長(zhǎng)大于15 cm，因此2α一般很小（約0.001），可以忽略。電離層的電子與離子溫度比隨著高度變化，一般約1～3，需利用散射功率譜反演的電子溫度和離子溫度計(jì)算獲得。若假定電子離子溫度比為常數(shù)（通常在夜間滿足）則式（4）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2015年1月使用某P波段大功率空間環(huán)境監(jiān)測(cè)雷達(dá)[5]進(jìn)行電離層非相干散射探測(cè)實(shí)驗(yàn)。雷達(dá)參數(shù)：拋物面天線口徑為29 m、峰值功率為2 MW、平均功率為100 kW、工作頻率為500 MHz、天線增益為41 dB、系統(tǒng)損耗為3.5 dB，采用凝視探測(cè)模式，發(fā)射脈沖為13位巴克碼，脈沖重復(fù)周期為12 ms、脈寬為390 μs、碼元寬度為30 μs。圖2給出了該雷達(dá)空間散射回波的原始采樣，可見空間散射回波電平隨機(jī)變化，無顯著的電離層高度分層變化特征。利用1024次（約12.3 s）和10240次（約123 s）脈沖重復(fù)周期的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相干積累，在普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)上利用Matlab語(yǔ)言編程處理得到了電離層散射回波功率剖面和電子密度剖面，耗時(shí)為數(shù)十分鐘，如圖3和圖4所示?？梢钥闯觯婋x層電子密度剖面具有先增加后降低的趨勢(shì)，在約250 km具有最大電子密度，此外在150～200 km具有疑似分層結(jié)構(gòu)，這些都符合電離層基本變化規(guī)律。相對(duì)于圖3，圖4的回波信噪比更高，電子密度變化曲線更光滑，精度相對(duì)更高。這里利用Matlab編程處理的時(shí)效性很低，為了滿足實(shí)時(shí)的電離層探測(cè)與修正的需求，可從以下幾個(gè)方面提高數(shù)據(jù)處理速度和實(shí)時(shí)反演：采用C語(yǔ)言等底層語(yǔ)言編程，因?yàn)镸atlab編程執(zhí)行效率低，占用內(nèi)存高，耗時(shí)長(zhǎng)；采用高性能的計(jì)算設(shè)備；進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法和程序代碼。

圖2 大功率雷達(dá)空間散射回波的原始采樣

圖3 電離層散射回波功率和電子密度剖面（積累1024次）

圖4 電離層散射回波功率和電子密度剖面（積累10240次）

4 結(jié)語(yǔ)

詳細(xì)分析了利用大功率雷達(dá)開展電離層電子密度非相干散射探測(cè)的基本方法，并就雷達(dá)參數(shù)和天線掃描方式設(shè)置進(jìn)行了討論，最后給出了某大功率雷達(dá)實(shí)際采集數(shù)據(jù)及其電離層回波功率剖面和電子密度剖面，初步驗(yàn)證了以上方法的原理可行性。這對(duì)利用大功率空間監(jiān)視雷達(dá)開展電離層探測(cè)進(jìn)而用于雷達(dá)目標(biāo)定位的電波折射修正，從而提高目標(biāo)定位精度提供了一種新思路，同時(shí)可能為電離層空間環(huán)境探測(cè)提供一種新手段，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Ionospheric Electron Density Measurement Based on Scattered Echo from the Space Surveillance Radar

DING Zong-hua1,2,DAI Lian-dong1,2,XU Zheng-wen1,2,WU Jian1,2,YANG S ong1,2
(1.China Research Institute of Radio-wave Propagation,Qingdao 266107,China 2.National Key Laboratory of Electro-Magnetic Environment,Qingdao 266107,China)

ObjectiveTo improve the environmental adaptation of ionospheric radio from space surveillance radar.MethodsWhen the VHF-L radio propagated through the ionosphere,the radar signal was incoherently scattered by the ionospheric free electron and the ionosphere information was included in the scattered echo.Combined with the radar equation and ionospheric target property,the radar parameter setting and beam scanning mode were investigated by the incoherent scatter mechanism of ionosphere.The ionospheric echo power,auto-correlation function and electron expression were introduced.And the raw sampling data from one space radar with high power was processed by using the Matlab routine and the ionospheric echo and electron density were obtained.ResultsConditions for the ionospheric incoherent scatter from the space surveillance radar was described.ionospheric echo and The electron density varied in accordance with the ionospheric characteristic.ConclusionIt is feasible to derive the ionospheric electron density from the scattered echo of space surveillance radar with high power in VHF-L band,which might be a new method for ionospheric environment measurement and propagation correction.

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.005

TJ06；TN011

A

1672-9242(2017)07-0024-05

2017-03-30；

2017-04-22

裝備預(yù)研基金項(xiàng)目

丁宗華（1978—），男，湖北人，博士，主要研究方向?yàn)殡婋x層空間環(huán)境探測(cè)。