专利名称：一种天波超视距雷达电离层信道模型的制作方法
技术领域：
本发明属于雷达电波传播领域，特别涉及天波超视距雷达电磁波的电离层传播技术。
背景技术：
天波超视距雷达利用电离层对高频信号的折射实现对远程目标的超视距探测。电离层是随机的、色散的、各向异性和双折射的复杂介质，会严重影响天波超视距雷达的探测。因此，建立天波超视距雷达电离层信道模型，描述电离层对回波信号的影响，对天波超视距雷达的设计和运作意义重大。目前，国内外学者对电离层信道建模已经进行了大量研究，其中，大多数从短波天波通信的角度出发建立单向传播模型，如Watterson等提出的高斯散射增益抽头延迟线模型(简称Watterson模型)，美国海军研究实验室(NRL)提出的以信道散射函数为基础的电离层参数模型(IPM模型)等。以上模型均为经验型模型，通过实测数据统计分析，加以数学抽象得到，结构简单，但是不能与具体信道条件准确对应。为更精确刻信道特性，人们从电离层电波传播的物理机制出发建立信道模型。电离层电波传播的物理机制较为复杂，按照作用机理和研究方法分为两大类一类是无随机变化的背景电离层对电波传播的影响，利用确定性方法研究，如全波法、几何光学(射线追踪)法等，其中几何光学(射线追踪)法是应用较广的一类方法。自20世纪50年代由Haselgrove等人奠定了完善的理论基础后，数值射线追踪方法得到了众多国内外学者的关注，数十年来，不断发展并得到了越来越广泛的应用。在20世纪70年代由Jones等开发了一组射线追踪程序，它提供了一系列电离层剖面、地磁场模型和碰撞剖面，至今仍然被广泛采用或借鉴。为了改善精度和使程序更加实用，人们从多个方面对Jones等人的程序进行了改进,例如,用国际参考电离层(International ReferenceIonosphere, IRI)模型产生电离层剖面，用国际地磁参考场(International GeomagneticReference, IGRF)模型替换了原有地磁场模型，有学者还根据中国科学家的一些观测结果，对国际参考电离层IR1-2007进行了修正。由于碰撞效应仅造成能量的吸收的，对信号的传 播路径影响不大，上述模型中仅关心射线路径，故在计算中均忽略了碰撞效应。对于雷达信道而言，信道的衰减会影响雷达作用距离的预测，不同频率的信道衰减不同也会影响雷达发射频率的选择，因此，雷达的情形需考虑碰撞效应。另一类是电子密度不规则体引起的随机电波传播，主要针对电波的电离层闪烁现象，利用随机和统计方法研究。研究结果表明，以Rytoy解为核心的弱闪烁理论是比较满意的，弱闪烁情况下，闪烁指数S4、互相干函数以及谱密度都可以利用相位屏理论或者Rytov解来计算。对于强闪烁的情形，多相位屏方法(Mult1-phase Method)和相位屏衍射方法(PhaseScreen/Diffraction Method)更为适合。对天波超视距雷达电离层信道的建模而言，既要考虑背景电离层对电波传播的影响，又要考虑电子密度不规则体引起的随机电波传播特性。然而，目前，基于物理信道的模型多数以单向传播为背景，仅关注其相关函数、散射函数等随机特性。有学者提出了一种基于相位屏衍射方法和数值射线追踪的高精度电离层信道模型，可适用于雷达情形。该模型考虑物理因素较为全面，适用性较好，但其采用的相关函数忽略了多普勒和角度-时延之间的相关性，该相关性，尤其是多普勒与时间的相关性对于在时频域的信号处理较为重要。另外，关于雷达情形下的难点一收发射线路径的匹配也未给出详细的说明。
发明内容
1.要解决的技术问题本发明的目的在于建立一种通用性好，物理因素考虑较为全面，可与具体信道物理特性相对应的天波超视距雷达电离层信道模型。其中要解决的技术问题包括(I) IRI模型和IGRF模型在射线追踪计算中的应用； (2)收发射线路径的匹配；(3)天波雷达信号在电离层中的传播损耗计算；(4)电离层信道模型需体现多普勒、角度和时延起伏特性之间的相互耦合关系。2.技术方案本发明所述的天波雷达电离层信道模型的建立，包括以下技术措施(I)将IRI模型和IGRF模型集成到Jones等开发的射线追踪代码中，在考虑碰撞效应的前提下，计算得到电离层中射线传播路径等参数；(2)针对雷达的情形，提出了一种新的收发射线路经匹配方法；(3)对碰撞效应造成的电离层损耗进行了计算；(4)直接采用由相位屏/衍射方法计算得到的双频、双点、双时互相关函数来描述信道的随机特性，该函数包涵了多普勒、角度和时延三者之间的相互耦合关系，根据相关函数和冲击响应之间的关系，得到了信道的冲激响应函数；(5)对收发匹配路径的冲击响应函数进行卷积，并计入相应的电离层损耗，得到了双程电离层信道冲击响应函数。3.有益效果本发明相比背景技术具有如下的优点(I)该模型中射线追踪以国际公认的IRI模型和IGRF模型为基础，信道随机特性的描述可适用于强、弱闪烁条件下的电离层信道，通用性较好；(2)该模型较为全面地考虑了影响天波雷达发射信号电离层传播的物理因素，考虑了多普勒和角度-时延之间的相关性，可与电离层的物理条件相对应，逼真度高；(3)该模型可以较为方便地推广到单向通信信道建模的情形；(4)该模型可以支持天波雷达的信号建模以及信号处理的研究。
四
说明书附图是本发明的实施原理流程图。
五具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。参照说明书附图，本发明的具体实施方式
分以下几个步骤(I)设定电离层参数，将其输入装置I电离层模型IR1-2012，计算根据雷达系统参数(包括收发天线位置及波束宽度等)估算的雷达收发电磁波可能经过的电离层区域的电子浓度值，将其保存在装置2中。(2)将模型3第11代国际地磁参考场模型加以修改，并加入相应导数与偏导数的计算，集成到射线追踪计算装置4中。(3)将雷达系统参数(包括发射频率，收发天线位置及波束宽度，观测区域等)以及射线追踪参数(包括方位/俯仰角范围、步长，跳数，最大允许单步误差，碰撞模型及其参数等)输入装置4，并将装置2中存储数据读入，进行射线追踪计算，基于以下公式
权利要求
1.本发明的天波超视距雷达电离层信道模型，其特征在于包括以下技术措施 (1)采用文件读写的方法将国际参考电离层模型集成到射线追踪计算中； (2)收发射线路径的匹配； (3)用来描述信道随机特性的双频、双点、双时相关函数包涵了多普勒、角度和时延三者之间的相互耦合关系。
2.根据权利要求1所述的天波超视距雷达电离层信道模型，其特征在于射线追踪计算中具有以下技术措施步骤 首先，设定电离层参数，将其输入国际参考电离层模型，计算根据雷达系统参数(包括收发天线位置及波束宽度等)估算的雷达收发电磁波可能经过的电离层区域的电子浓度值，将其保存为数据文件； 其次，将国际地磁参考场模型加以修改，并加入相应导数与偏导数的计算，集成到射线追踪计算中； 最后，将雷达系统参数(包括发射频率，收发天线位置及波束宽度，观测区域等)以及射线追踪参数(包括方位/俯仰角范围、步长，跳数，最大允许单步误差，碰撞模型及其参数等)输入射线追踪计算程序中，并将存储的电子浓度数据读入，进行射线追踪计算。
3.根据权利要求1所述的天波超视距雷达电离层信道模型，其特征在于收发射线路径的匹配具有以下技术措施步骤 将天波超视距雷达发射波束覆盖区域按接收波束覆盖区域划分成若干方位单元；假设每条射线代表了其附近小空间立体角内的能量，取合适的方位/俯仰角步长进行射线追踪，射线路径在发射波束覆盖区的着地点按顺序连线后形成一系列栅格，发射射线落在该栅格里，即认为该发射射线与栅格对应的接收射线匹配，由于电离层的多层性，往往会出现多模传播的现象，当出现多模传播时，针对每个传播模式内的接收射线分别进行匹配。
4.根据权利要求1所述的天波超视距雷达电离层信道模型，其特征在于用来描述信道随机特性的双频、双点、双时相关函数为
全文摘要
本发明公开了一种天波超视距雷达电离层信道模型，属于雷达电波传播领域。现有模型以单向传播模型为主，不适用于天波雷达信号双程传播的情形，少数模型可用于双程传播情形，但其物理因素考虑不够全面。本发明将IRI模型和IGRF模型集成到三维射线追踪计算，给出了一种新的收发射线匹配算法，计算了信道损耗。利用相位屏/衍射方法直接计算信道互相关函数，得到强闪烁下的信道冲击响应函数，对该函数进行修正，使模型也适用于弱闪烁情形。对匹配的收发射线对应冲击响应函数进行二维卷积并计入损耗后得到天波雷达双程信道模型。该模型全面考虑了天波雷达发射电波电离层传播物理机制，精度高，通用性好，具有推广应用价值。
文档编号H04B17/00GK103023586SQ20121048484
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者关键, 薛永华, 蔡复青, 王国庆, 包中华, 黄勇, 何友 申请人:中国人民解放军海军航空工程学院