天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法与流程

[0001]
本发明属于外辐射源雷达技术领域，具体涉及一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法。


背景技术：

[0002]
天基雷达是主动探测手段，具有雷达站位高、覆盖范围大、定位精度高和下视探测有利于反隐身等优势，填补了天基对飞机探测手段的空白。天基外辐射源雷达是一个双基地或多基地的雷达系统，其本身不配置发射机，需要利用其它途径的照射源，且接收机与发射机之间没有配合协议，可以利用其它雷达或地方雷达的发射机、广播电台或者电视台的发射机、卫星电视的转发器、无线通讯的发射机等对目标进行三维定位和跟踪。
[0003]
天基外辐射源雷达可以选择运行在几百公里高度的低轨卫星接收信号，中高轨道卫星信号作为信号源。外辐射源雷达的信号能量一般比较弱，需要长时间的相参积累来提高信噪比，相参积累时间达到几十秒的量级，相干时长的确定对于能有效的进行相参积累具有重要的意义。而且相较于常规的地基外辐射源雷达，天基外辐射源雷达的运动更为复杂。
[0004]
电离层效应是采用卫星信号时必须考虑一个因素。相较于地基接收机，天基接收机接收到的目标反射信号也会经过电离层，且两次经过电离层的路径完全不同，外辐射源和接收机的运动差异大，不是简单的单程模型，需要分开考虑，现有的外辐射源雷达研究中对这一问题均未涉及到，而且现有技术对天基外辐射源雷达背景下相干时长的计算过程复杂，需要的参数较多，计算效率较低。


技术实现要素：

[0005]
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]
一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法，包括：
[0007]
通过雷达接收机接收飞机目标回波信号，所述飞机目标回波信号由天基外辐射源发射至飞机目标产生，所述雷达接收机安装在低轨卫星上，所述天基外辐射源采用高轨道卫星信号；
[0008]
利用所述飞机目标回波信号提取所述飞机目标的中心频率；
[0009]
基于相关系数关于时间的估计模型，根据所述飞机目标回波信号和所述飞机目标的中心频率计算得到相关系数下降到相关性阈值的相干时长。
[0010]
在本发明的一个实施例中，基于相关系数关于时间的估计模型，根据所述飞机目标回波信号和所述飞机目标的中心频率计算相关系数下降到相关性阈值的相干时长，包括：
[0011]
步骤3.1、将0时刻作为初始时刻，利用所述飞机目标回波信号提取0时刻的所述飞机目标的初始俯仰角和初始距离，所述初始时刻为雷达接收机在相干时长中接收到第一个
飞机目标回波信号的时刻；
[0012]
步骤3.2、在电离层的影响下，根据所述飞机目标的中心频率、初始俯仰角和初始距离建立所述相关系数关于时间的估计模型；
[0013]
步骤3.3、利用所述相关系数关于时间的估计模型绘制相关系数关于时间的关系图；
[0014]
步骤3.4、根据所述相关系数关于时间的关系图得到相关系数下降到相关性阈值的相干时长；
[0015]
步骤3.5、判断所述相干时长与观测时间的关系，若所述相干时长小于观测时间时，将所述相干时长和第一极小值时间中的较小者作为初始时刻进行步骤3.1至3.4，直至所述相干时长大于或者等于所述观测时间时，得到最终的相干时长，若所述相干时长大于或者等于观测时间时，直接将所述步骤3.4的相干时长作为最终的相干时长。
[0016]
在本发明的一个实施例中，所述第一极小值时间为所述相关系数关于时间的关系图中的第一个极小值点对应的时间。
[0017]
在本发明的一个实施例中，根据所述飞机目标的中心频率、初始俯仰角和初始距离建立相关系数关于时间的估计模型，包括：
[0018]
根据初始时刻的所述雷达接收机的轨道高度和平均速度得到t时刻低轨卫星地心角；
[0019]
基于多普勒频移特性，利用所述t时刻低轨卫星地心角、0时刻低轨卫星地心角和所述雷达接收机的轨道高度得到t时刻低轨卫星目标距离；
[0020]
基于多普勒频移特性，利用所述雷达接收机的轨道高度和所述t时刻低轨卫星目标距离得到t时刻低轨卫星天顶角；
[0021]
将所述t时刻低轨卫星地心角、所述t时刻低轨卫星目标距离和所述t时刻低轨卫星天顶角代入实相关系数公式中得到所述相关系数关于时间的估计模型。
[0022]
在本发明的一个实施例中，所述相关系数关于时间的估计模型的表达式为：
[0023][0024]
其中，c为光在真空中的传播速度；f0为飞机目标回波信号的中心频率；vtec为垂直电离层电子总值；r
l
为低轨卫星的平均轨道高度；v
r
为低轨卫星的平均运动速度；r
e
为地球半径；r
ion
为等效电离层高度。
[0025]
在本发明的一个实施例中，所述相关性阈值的取值范围为0≤k≤1，其中，k表示相关性阈值。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
本发明针对天基外辐射源雷达背景下相干时长的计算过程复杂和参数较多的问题，提供了一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法，本方法在电离层的影响下，基于相关系数关于时间的估计模型，根据所述飞机目标回波信号和所述飞机目标的中心频率计算相关系数下降到相关性阈值的相干时长，计算方法简单、所需的参数较少，提高计算效率。
[0028]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例提供的一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法的流程图；
[0030]
图2是本发明实施例提供的天基外辐射源雷达运动模型图；
[0031]
图3是本发明实施例提供的天基外辐射源雷达信号穿过电离层的运动模型图；
[0032]
图4是本发明实施例提供的一种相关系数和时间的关系图；
[0033]
图5是本发明实施例提供的另一种相关系数和时间的关系图；
[0034]
图6是本发明实施例提供的另一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法的流程图。
具体实施方式
[0035]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0036]
实施例一
[0037]
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法的流程图。本发明实施例提供的一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法，包括：
[0038]
步骤1、通过雷达接收机接收飞机目标回波信号，飞机目标回波信号由天基外辐射源发射至飞机目标产生，雷达接收机安装在低轨卫星上，天基外辐射源采用高轨道卫星信号。
[0039]
具体地，雷达接收机安装在低轨道卫星上，用来接收飞机目标回波信号和外辐射源直达波信号，天基外辐射源采用高轨道卫星信号。本实施例主要研究电离层影响下的飞机目标回波信号的有效相干时长，所以外辐射源直达波信号仅作为参考，飞机目标回波信号为天基外辐射源发射至飞机上并被此飞机反射回到雷达接收机的信号。
[0040]
步骤2、利用飞机目标回波信号提取飞机目标的中心频率。
[0041]
具体地，通过快速傅里叶变换可从飞机目标回波信号提取飞机目标的中心频率。
[0042]
步骤3、基于相关系数关于时间的估计模型，根据飞机目标回波信号和飞机目标的中心频率计算得到相关系数下降到相关性阈值的相干时长。
[0043]
具体地，本实施例在计算电离层效应下的相干时长时，需要先建立天基外辐射源雷达在背景电离层效应下的飞机目标回波信号的相关系数关于时间的估计模型，然后基于此模型求出飞机目标回波信号数据在相关性阈值下的相干时长。
[0044]
进一步地，步骤3还包括：
[0045]
步骤3.1、将0时刻作为初始时刻，利用飞机目标回波信号提取0时刻的飞机目标的初始俯仰角和初始距离，初始时刻为雷达接收机在相干时长中接收到第一个飞机目标回波信号的时刻。
[0046]
具体地，通过雷达接收机接收飞机目标回波信号，并将接收到的第一个回波信号作为0时刻接收到的飞机目标回波信号，然后从飞机目标回波信号中提取飞机目标的初始
俯仰角和初始距离。
[0047]
步骤3.2、在电离层的影响下，根据飞机目标的中心频率、初始俯仰角和初始距离建立相关系数关于时间的估计模型。
[0048]
具体地，当飞机目标回波信号通过电离层时会导致一个附加相位，对于天基外辐射源雷达而言，飞机目标回波信号需要穿过两次电离层，所以会产生两个不同的附加相位，为入射信号附加相位和飞机目标回波信号附加相位。
[0049]
入射信号附加相位的表达式为：
[0050][0051]
飞机目标回波信号附加相位的表达式为：
[0052][0053]
其中，tec
t
表示入射信号穿过电离层时路径上的电子总含量，tec
r
表示飞机目标回波信号穿过电离层时路径上的电子总含量，k＝40.28[m3/s2]，c表示，f0表示飞机目标回波信号中心频率。
[0054]
因为卫星轨道为弧形，所以倾斜路径上实际的tec值为：
[0055]
tec(t)＝m(z)*vtec；
[0056]
其中，vtec表示穿刺点的垂直路径上的电子总量值，m(z)表示映射函数。
[0057]
基于电离层薄壳模型可得到映射函数的表达式为：
[0058][0059]
其中，r
g
表示飞机目标的高度，r
ion
表示等效电离层的高度。
[0060]
t时刻，不考虑电离层的影响时，飞机目标的回波信号的表达式为：
[0061][0062]
t时刻，受到电离层的影响后，飞机目标回波信号增加了两个附加相位，飞机目标的回波信号的表达式为：
[0063][0064]
其中，飞机目标回波信号增加了两个附加相位分别表示发射机到目标的电离层附加相位(入射信号附加相位)和目标到接收机的附加相位(飞机目标回波信号附加相位)。
[0065]
进一步地，0时刻和t时刻的信号的相关系数的表达式为：
[0066][0067]
其中，表示发射机到飞机目标的信号路径上电离层相位延迟导致的去相干，表示飞机目标到接收机的信号路径上电离层相位延迟导致的去相干，表示飞机目标到接收机距离变化导致的去相干。
[0068]
请参见图2，图2是本发明实施例提供的天基外辐射源雷达运动模型图。在天基外辐射源雷达系统下，高轨道卫星发射信号，低轨道卫星接收信号，对于高轨道卫星发射机，在观测时间内横跨电离层的距离较小，可以近似认为tec为固定值，电离层产生的附加相位也为固定值。
[0069]
请参见图3，图3是本发明实施例提供的天基外辐射源雷达信号穿过电离层的运动模型图。对于接收机，由于采用的是低轨道卫星，其速度较快，在观测时间内卫星横跨的电离层距离较远，天顶角的值变化较大，电离层产生的附加相位随着卫星运动而变化，此时t时刻的飞机目标回波信号附加相位是一个时变的量。因此，在仅考虑电离层延迟导致的去相干的条件，可以得到电离层影响下的初始相关性系数的表达式为：
[0070][0071]
其中，此初始相关性系数为负相关性系数，取其实部可得实相关系数，则实相关系数的表达式为：
[0072][0073]
其中，c表示光在真空中的传播速度，f0表示飞机目标回波信号的中心频率，vtec表示垂直电离层电子总值，z(0)表示飞机目标的初始俯仰角，z(t)表示低轨卫星在t时刻的天顶角。
[0074]
低轨卫星的运行轨道可近似假设为一个圆形轨道，将接收信号的起始点作为0时刻。
[0075]
进一步地，步骤3.2还包括：
[0076]
步骤3.2.1、根据初始时刻的雷达接收机的轨道高度和平均速度得到t时刻低轨卫星地心角。
[0077]
具体地，t时刻低轨卫星地心角的表达式为：
[0078][0079]
其中，r
l
表示结合搜集的平均轨道高度，v
r
表示接收机的平均运动速度。
[0080]
步骤3.2.2、基于多普勒频移特性，利用t时刻低轨卫星地心角、0时刻低轨卫星地心角和雷达接收机的轨道高度得到t时刻低轨卫星目标距离。
[0081]
具体地，t时刻低轨卫星目标距离的表达式为：
[0082][0083]
其中，
[0084]
步骤3.2.3、基于多普勒频移特性，利用雷达接收机的轨道高度和t时刻低轨卫星目标距离得到t时刻低轨卫星天顶角。
[0085]
具体地，t时刻低轨卫星天顶角的表达式为：
[0086][0087]
步骤3.2.4、将t时刻低轨卫星地心角、t时刻低轨卫星目标距离和t时刻低轨卫星天顶角代入实相关系数公式中得到相关系数关于时间的估计模型。
[0088]
具体地，将t时刻低轨卫星地心角、t时刻低轨卫星目标距离和t时刻低轨卫星天顶角代入实相关系数公式中可得飞机目标回波信号的相关系数关于时间的估计模型，相关系数关于时间的估计模型的表达式为：
[0089][0090]
其中，c为光在真空中的传播速度；f0为飞机目标回波信号的中心频率；vtec为垂直电离层电子总值，取25个单位；r
l
为低轨卫星的平均轨道高度；v
r
为低轨卫星的平均运动速度；r
e
为地球半径；r
ion
为等效电离层高度，取350km。
[0091]
步骤3.3、利用相关系数关于时间的估计模型绘制相关系数关于时间的关系图。
[0092]
步骤3.4、根据相关系数关于时间的关系图得到相关系数下降到相关性阈值的相干时长。
[0093]
具体地，相关性阈值的取值范围为0≤k≤1，其中，k表示相关性阈值。
[0094]
步骤3.5、判断相干时长与观测时间的关系，若相干时长小于观测时间时，将相干时长和第一极小值时间中的较小者作为初始时刻进行步骤3.1至3.4，直至相干时长大于或者等于观测时间时，得到最终的相干时长，若相干时长大于或者等于观测时间时，直接将步骤3.4的相干时长作为最终的相干时长。
[0095]
具体地，请参见图6，图6是本发明实施例提供的另一种天基外辐射源雷达背景电离层效应下相干时长估计方法的流程图。相关性系数下降到k时对应的是时间记为t
k
，根据
相关系数关于时间的关系图找到第一个极小值点对应的时间，记为t
m
，取t
k
和t
m
中的较小者作为t时刻，则0时刻到t时刻的飞机目标回波数据相关性满足要求。
[0096]
将t时刻飞机目标的初始俯仰角和初始距离作为初始值代入相关系数关于时间的估计模型的表达式，并绘制出t时刻相关系数关于时间的关系图，进一步得到相干时长，直至得到的相干时长大于或者等于观测时间。其中，观测时间为雷达接收机接收到的数据的时长。
[0097]
实施例二
[0098]
本发明的效果可以通过以下仿真进行验证。
[0099]
仿真条件：
[0100]
雷达接收机为平均轨道高度为650km的低轨卫星，平均速度为7527.8km/s，发射机为地球同步轨道卫星，飞机目标回波信号的中心频率为1575mhz。飞机目标的初始俯仰角为0
°
，初始距离为650km，飞机目标初始高度为10km，等效电离层高度为350km。设定相参性阈值为0.5083，雷达接收了30s的数据，即观测时间为30s。
[0101]
仿真内容及结果：
[0102]
计算出天基外辐射源雷达背景电离层效应下回波信号相关性系数下降到相关性阈值为0.5的相干时长。
[0103]
步骤1、请参见图3和图5，图3是本发明实施例提供的天基外辐射源雷达信号穿过电离层的运动模型图，图5是本发明实施例提供的另一种相关系数和时间的关系图。根据相关系数关于时间的关系图可得到相关性系数下降到0.5时对应的相干时长，由图5知，相关性系数下降到0.5时对应的第一个点对应的时间作为0时刻，0时刻点对应的时间为12.75s，然后找出第一个极小值点，第一个极小值点对应的时间为15.65s，取第一个点和第一个极小值点中较小者(12.75s)对应的时间作为t时刻，则0～17.5s的回波数据相参性满足条件。
[0104]
步骤2、请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种相关系数和时间的关系图，再次将12.5s作为0时刻的点，继续上述步骤1，绘制相关系数关于时间的关系图，相关性系数下降到0.5时的第一个点对应的时间作为0时刻，0时刻点对应的时间为21.2s，则第二段相干时长为12.75～21.2s。
[0105]
步骤3、重复步骤1和步骤2的操作直到超过30s，第一个大于或者等于观测时间(30s)的相干时长为本申请所求的电离层效应下的相干时长。
[0106]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换都应当视为属于本发明的保护范围。