专利名称：一种顶层电离层探测星载mimo雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于顶层电离层探测星载MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)雷达系统，属于雷达技术领域。
背景技术：
电离层是地球空间环境的重要组成部分之一，其高度约从地面上60公里延伸到 1000公里。电离层会对电磁波的传播产生较为严重的干扰，对卫星通信、导航定位和微波遥 感等空间信息系统造成很大影响，因此探测电离层的结构有利于改善上述空间信息系统的 信息获取与应用的质量。此外，通过探测电离层物理参数(电子密度等)的变化，可以对地 震、海啸等自然灾害进行预警。台湾学者利用相关卫星数据针对近10年来台湾地区震级为 5级以上的地震进行了分析，发现地震前高空电离层会出现电子密度下降的现象。因此，电 离层探测对于科学研究和灾害预警都具有重要的意义。电离层的垂直结构按电子密度分为D、E、FU F2层，其中F2层的电子密度最大。 通常，根据电子密度的分布又将电离层分为底层电离层和顶层电离层。底层电离层是指F2 层以下到电离层底的区域；顶层电离层是指F2层以上到电离层顶的区域，约海拔200公里 到1000公里。同样，电离层探测也分为底层探测和顶层探测两类。底层探测是利用地面探 测设备对底层电离层进行观测。顶层探测指的是利用卫星等航天飞行器平台搭载电离层探 测载荷对顶层电离层进行观测。星载电离层探测器主要用于探测顶层电离层。早期电离 层探测为底层探测。随着运载火箭和人造卫星的出现和迅速发展，使得人们能够实现利用 星载探测设备从太空对顶层电离层进行探测。1962年，第一颗电离层探测卫星Alouette-I 发射升空，获取了第一批顶层电离层的电离图。它的工作模式和地面探测相同，采用频率 扫描的方式来测量电离层垂直电子密度的一维分布，即每个脉冲周期内发射一个单频脉冲 信号，不同脉冲周期发射不同频率的脉冲信号，不同频率的信号会在电离层不同高度处发 生反射，在一个扫频周期里测量每个频率回波信号的延迟时间，得到电子密度在高度向的 一维分布(随虚高的变化)；之后，又出现了美国的ISIS(International Satellites for IonosphericStudies)-I&II,日本的 ISS (Ionosphere Sounding Satellite)-I 等电离层探 测卫星，它们和Alouette-I的工作模式相同，并且发射功率大。20世纪90年代以后，随着 大规模集成电路、高性能计算机和信号处理技术的发展，使得星载电离层探测器向小型化、 智能化的方向发展。这一时期出现的电离层探测卫星有很大改进，主要体现在采用小卫星 技术，降低了发射成本；发射脉冲采用线性调频信号或脉冲编码信号，提高了信噪比，从而 降低了发射功率。典型代表有美国国家航空航天局(NASA) 2000年发射的磁层探测IMAGE 卫星和乌克兰2001年发射的顶层电离层探测WARNING卫星，它们分别搭载了 RPI (Radio Plasma Imager)禾口 TOPADS (TOPside Automated Doppler Sounder)两种先进的电离层探测 雷达。RPI主要获取磁层的电子密度图，其高度方向的分辨率(距离分辨率)为480公里， 而TOPADS主要获取顶层电离层的电子密度图，其高度方向的分辨率为5公里。但是，它们 的工作模式仍为传统的扫频工作模式。这种扫频模式的扫频周期较长，导致几乎没有方位向(沿卫星飞行方向)上电子密度的分辨能力，例如T0PADS的扫频周期为10秒，它的方位 分辨率低达75公里。
近年来，随着多输入多输出(MIMO)通信系统的研究，人们将MIMO思想扩展到 了雷达体制设计与雷达信号处理领域，提出了 MIMO雷达的概念，它的工作模式是通过多 个发射天线同时发射多种波形信号并通过多个接收天线接收回波信号。它可利用信号 间的正交性来恢复各个波形信号，常用的信号有相位编码信号等。完全互补序列(CC-S， completecomplementary sequence)作为一种相位编码信号，能够保证信号间的完全正交 性及高处理增益，近年来开始用于MIMO雷达研究。利用MIMO雷达信号多发多收的优势，可 将MIMO雷达用于电离层探测。
发明内容
本发明目的是为了突破传统电离层探测中扫频工作模式的限制，提高方位分辨 率，提出一种用于顶层电离层探测的MIMO雷达系统，该系统由N个发射天线同时发射多个 不同频率的不同相位编码脉冲信号，由N个接收天线接收回波信号。此系统能够大大提高 方位分辨率，得到二维电离图(电子密度在高度向和方位向的分布)。一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，包括完全互补序列生成器、脉冲周期延 迟器、调制器、发射天线、接收天线、解调器、脉冲压缩系统和电子密度分布生成系统；完全互补序列生成器每隔一个序列对的脉冲重复周期Τ_，同时生成N对完全互 补序列(Ai5BJ, i = 1,…，N, Ai序列、Bi序列具体为
权利要求
1.一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，其特征在于，包括完全互补序列生成器、 脉冲周期延迟器、调制器、发射天线、接收天线、解调器、脉冲压缩系统和电子密度分布生成 系统；完全互补序列生成器每隔一个序列对的脉冲重复周期Tprf，同时生成N对完全互补序 列(Ai5BJ, i = 1,…，N，Ai序列、Bi序列具体为
2.根据权利要求1所述的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，其特征在于，完全 互补序列生成器生成N对完全互补序列，其中N的取值由式O)限定
3.根据权利要求1所述的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，其特征在于，所述 的Ai序列、Bi序列具有高处理增益并且满足完全正交性，如式(3)和式(4)所示；
4.根据权利要求1所述的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，其特征在于，所述 的解调器包括混频器和低通滤波器，混频器对接收天线通道的信号进行混频，低通滤波器对混频后的信号进行低通滤波处理。
5.根据权利要求1所述的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，其特征在于，所述 的脉冲压缩系统包括匹配滤波器和求和器，匹配滤波器对解调器解调出的互补的两个信号 进行匹配滤波，求和器再进行叠加。
6.根据权利要求1所述的一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，其特征在于，所述 的二维电离图的方位分辨率为Vs · Tprf，Vs表示卫星速度大小。
全文摘要
本发明公开了一种顶层电离层探测星载MIMO雷达系统，属于雷达技术领域，包括完全互补序列生成器、脉冲周期延迟器、调制器、发射天线、接收天线、解调器、脉冲压缩系统和电子密度分布生成系统；完全互补序列生成器同时生成N对互补序列，脉冲周期延迟器使两个互补的序列交替输入至调制器，N对信号分别进行N个载频的调制，由N个发射天线发射出去，回波信号由N个接收天线接收，解调器解调出N个载频上的信号，信号经脉冲压缩后送入电子密度分布生成系统，生成二维电离图。本发明的星载MIMO雷达系统用于顶层电离层探测，与现有的电离层探测器相比，具有超高的方位分辨率，可生成二维电离图；与现有的电离层探测器相比，有很高的工作效率。
文档编号G01S13/02GK102073041SQ201010539079
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者周健, 李卓, 李春升, 陈杰 申请人:北京航空航天大学