一种数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法及装置

1.本公开涉及信号处理技术领域，具体涉及电离层等离子体漂移测量的信号处理技术领域，尤其涉及一种数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法及装置。


背景技术：

2.电离层是受到太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层。电离层中存在大量等离子体，能改变无线电波的传播速度，从而影响无线电波的传播。由于短波主要是通过电离层反射进行传播，所以电离层的变化会对短波通信造成很大的影响。
3.数字电离层测高仪作为一种常用地面设备，可以通过漂移探测模式测量等离子体漂移速度，从而观测电离层的变化情况。由于等离子体漂移速度的测量会受到测量高度、大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等外部条件的影响，导致等离子体漂移速度的测量结果受外部条件影响严重、测量准确率低、测量质量低。
4.在相关技术中，可以在漂移探测之前，通过更改测量参数来提高测量准确性。但是，更改测量参数的过程增加了测量的复杂性，并且需要花费大量时间进行参数调试，导致测量效率低。
5.此外，相关技术也无法较好地解决因杂波干扰等因素导致的测量准确性差、漂移测量质量低的技术问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本公开提供了一种数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法、装置、设备、介质和程序产品。
7.根据本公开的第一个方面，提供了一种数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法，包括：
8.基于快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，对回波数据进行时域-频域-时域转换，得到预处理回波数据，快速傅里叶变换用于将回波数据从时域转换到频域，快速逆傅里叶变换用于将在频域内完成压缩后的回波数据从频域转换到时域，回波数据是互补码相位调制后的脉冲信号经电离层发射得到的数据；
9.根据在漂移探测之前垂直探测得到的自动度量结果，对预处理回波数据进行筛选，得到在预设高度范围内探测得到的优化回波数据，自动度量结果包括探测频率和探测高度的关联关系，漂移探测用于得到原始回波数据；
10.对经过时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集；
11.利用n个聚类方法，从反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团，n大于等于2；
12.基于双极反射点团中每个反射点的多普勒频移值，确定每个反射点的加权因子；以及
13.对双极反射点团中每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行加权
拟合，得到双极反射点团的漂移速度。
14.根据本公开的实施例，其中，回波数据是16位互补码调相后的脉冲信号经电离层发射所得数据，16位互补码包括a码和b码，其中a码:(1 1
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1)；b码:(-1
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1)，参考波形数据是16位互补码的基带信号；基于快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，对回波数据进行时域-频域-时域转换，得到预处理回波数据包括：
15.对a码、b码形成的回波数据和a码、b码基带信号分别做频域脉冲压缩，得到a码压缩回波数据和b码压缩回波数据；
16.对a码压缩回波数据和b码压缩回波数据相加，得到预处理回波数据。
17.根据本公开的实施例，优化回波数据包括m个接收通道，其中m大于等于2；对经过时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集，包括：
18.对m个接收通道的优化回波数据分别做快速傅里叶变换，得到m个接收通道频域数据，接收通道频域数据中多普勒线的中心位于零频处；以及
19.利用幅度阈值和多普勒频移阈值对m个接收通道频域数据相加的结果进行多普勒滤波，得到反射点数据集。
20.根据本公开的实施例，时域加窗采用的窗函数为sinc窗函数。
21.根据本公开的实施例，利用n个聚类方法，从反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团，包括：
22.利用n个聚类方法对反射点数据集中的反射点分别进行聚类，得到n个目标簇中心，目标簇中心为距离预设中心最近的簇中心，簇中心为根据聚类方法得到的多个类别簇的聚类中心；以及
23.利用投票法从与n个目标簇中心对应的类别簇中确定多个共同反射点，得到双极反射点团。
24.根据本公开的实施例，聚类方法包括基于点分布密度的聚类方法。
25.根据本公开的实施例，基于双极反射点团中每个反射点的多普勒频移值，确定每个反射点的加权因子，包括：
26.从多普勒频移值中确定最大多普勒频移值；
27.计算每个反射点的多普勒频移值和最大多普勒频移值得比值；以及
28.对每个反射点的比值的绝对值取对数，得到与每个反射点对应的对数值，并将对数值的绝对值作为每个反射点的加权因子。
29.根据本公开的实施例，对双极反射点团中每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行拟合，得到双极反射点团的漂移速度，包括：
30.从双极反射点团中随机选取3个反射点，生成反射点子集；
31.利用加权最小二乘法对每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行拟合，得到反射点子集的漂移速度；
32.从双极反射点团中随机选取与3个反射点不同的第4个反射点，更新反射点子集；以及
33.利用加权最小二乘法计算更新后的反射点子集的子漂移速度，直至更新后的反射点子集包括双极反射点团中的所有反射点，得到双极反射点团的漂移速度。
34.根据本公开的实施例，在对每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行加权拟合，得到双极反射点团的漂移速度之前，还包括：
35.基于二维阵列接收干涉原理，利用最小二乘法对原始回波数据进行拟合，得到原始回波数据的波矢量的拟合结果；以及
36.根据波矢量的拟合结果，确定原始回波数据的方向信息，其中方向信息包括方位角和天顶角，原始回波数据是由二维阵列接收天线获取的。
37.本公开的第二方面提供了一种数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理装置，包括：
38.压缩模块，用于基于快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，对回波数据进行时域-频域-时域转换，得到预处理回波数据，快速傅里叶变换用于将回波数据从时域转换到频域，快速逆傅里叶变换用于将在频域内完成压缩后的回波数据从频域转换到时域，回波数据是互补码调相后的脉冲信号经电离层发射所得数据；
39.第一优化模块，用于根据在漂移探测之前垂直探测得到的自动度量结果，对预处理回波数据进行筛选，得到在预设高度范围内探测得到的优化回波数据，自动度量结果包括探测频率和探测高度的关联关系，漂移探测用于得到原始回波数据；
40.第二优化模块，用于对经过时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集；
41.聚类模块，用于利用n个聚类方法，从反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团，n大于等于2；
42.加权因子确定模块，用于基于双极反射点团中每个反射点的多普勒频移值，确定每个反射点的加权因子；以及
43.拟合模块，用于对双极反射点团中每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行加权拟合，得到双极反射点团的漂移速度。
44.本公开的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法。
45.本公开的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行上述数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法。
46.本公开的第五方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法。
47.本公开通过对回波数据进行时域-频域-时域的转换，利用互补码频域脉冲压缩技术在频域内进行数据压缩，提高了回波数据的信噪比。通过利用垂直探测的自动度量结果对回波数据进行筛选、利用时域加窗和多普勒滤波改善频谱质量，逐级对回波数据进行优化。并且，通过多普勒滤波还可以抑制回波数据中因杂波干扰和多重回波造成的放大漂移速度不确定度的问题，提高了漂移测量质量。本公开首次将聚类分析应用到数字电离层测高仪，通过聚类算法对多普勒滤波得到的反射点进行筛选，提高了漂移测试质量和准确度、为实现漂移测量自动化提供了技术基础。
48.此外，本公开提供的数据处理方法适用于多种数字测高仪，在修改部分步骤和参数的情况下还可以用于多种类型的数据测高仪漂移探测。
附图说明
49.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
50.图1示意性示出了根据本公开实施例的数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法的流程图；
51.图2示意性示出了根据本公开实施例的垂直探测的频高图及其自动度量结果；
52.图3示意性示出了根据本公开实施例的在最优高度范围内得到的最终反射点分布示意图；
53.图4示意性示出了根据本公开实施例的在非最优高度范围内得到的最终反射点分布示意图；
54.图5示意性示出了根据本公开实施例的在限定最优高度范围后得到的反射点分布示意图；
55.图6示意性示出了根据本公开实施例的经过幅度阈值过滤后的反射点分布示意图；
56.图7示意性示出了根据本公开实施例的经过多普勒频移阈值过滤后的反射点分布示意图；
57.图8示意性示出了根据本公开实施例的经过聚类得到的反射点分布与未经过聚类得到的反射点分布的对比示意图；
58.图9示意性示出了根据本公开另一实施例的经过聚类得到的反射点分布与未经过聚类得到的反射点分布的对比示意图；
59.图10示意性示出了根据本公开又一实施例的经过聚类得到的反射点分布与未经过聚类得到的反射点分布的对比示意图；
60.图11示意性示出了根据本公开实施例的数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理装置的结构框图；以及
61.图12示意性示出了根据本公开实施例的适于数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法的电子设备的方框图。
具体实施方式
62.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
63.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
64.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
65.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
66.本公开的实施例提供了一种数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法，包括：基于快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，对回波数据进行时域-频域-时域转换，得到预处理回波数据，快速傅里叶变换用于将回波数据从时域转换到频域，快速逆傅里叶变换用于将在频域内完成压缩后的回波数据从频域转换到时域，回波数据是根据互补码对原始回波数据调制后得到的；根据在漂移探测之前垂直探测得到的自动度量结果，对预处理回波数据进行筛选，得到在预设高度范围内探测得到的优化回波数据，自动度量结果包括探测频率和探测高度的关联关系，漂移探测用于得到原始回波数据；对经过时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集；利用n个聚类方法，从反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团，n大于等于2；基于双极反射点团中每个反射点的多普勒频移值，确定每个反射点的加权因子；以及对双极反射点团中每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行加权拟合，得到双极反射点团的漂移速度。
67.图1示意性示出了根据本公开实施例的数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法的流程图。
68.如图1所示，该方法包括操作s110～s160。
69.在操作s110，基于快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，对回波数据进行时域-频域-时域转换，得到预处理回波数据。
70.根据本公开的实施例，回波数据是16位互补码相位调制后的脉冲信号经电离层发射得到的数据。具体的，由16位互补码调相产生的脉冲信号经电离层反射得到回波信号，16位互补码包括a码和b码，其中a码:(1 1
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1)。。
71.对于a码形成的回波数据，再利用快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)将回波数据从时域转换到频域。利用互补码频域脉冲压缩技术对频域内的回波数据进行压缩之后，利用快速逆傅里叶变换(inverse fast fourier transform，ifft)，将压缩后的回波数据从频域转换回时域，得到a码压缩回波数据。类似的，对于b码形成的的回波数据，利用快速傅里叶变换进行时域-频域转换后，通过互补码频域脉冲压缩技术进行压缩，最后利用快速逆傅里叶变换进行频域-时域转换，得到b码压缩回波数据。
72.根据本公开的实施例，将a码压缩回波数据和b码压缩回波数据相加，得到预处理回波数据。
73.在操作s120，根据在漂移探测之前垂直探测得到的自动度量结果，对预处理回波数据进行筛选，得到在预设高度范围内探测得到的优化回波数据。
74.根据本公开的实施例，由于短时间内电离层的变化较小，可以设定垂直探测和漂移探测依次交替进行，起始时刻相差3-6min，且垂直探测位于漂移探测之前，以便数字电离层测高仪通过漂移探测得到原始回波数据。
75.具体的，根据垂直探测得到的频高图的自动度量结果，可以对漂移探测得到的预处理回波数据进行筛选，得到在预设高度范围内探测得到的优化回波数据。自动度量结果
包括探测频率和探测高度的关联关系。
76.在操作s130，对经过时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集。
77.根据本公开的实施例，在得到优化回波数据之后，可以通过时域加窗技术对优化回波数据进行处理，然后再对时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波。
78.根据本公开的实施例，在对时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波的过程中，利用fft将优化回波数据从时域转换到频域，然后将fft得到的多普勒线的中心平移到零频处，得到多普勒频谱。其中，得到的多普勒频谱包含幅度谱和相位谱。
79.根据本公开的实施例，在对优化回波数据进行fft之后，通过设置幅度阈值和多普勒频移阈值对得到的多普勒频谱进行多普勒滤波，以便将电离层一次回波反射点的多普勒频移信息过滤出来。
80.根据本公开的实施例，由于白噪声在频域内均匀分布，射频干扰在频域内的特征为窄峰。因此，可以通过幅度阈值去除优化回波数据中的白噪声，通过多普勒频移值能够过滤射频干扰，得到有效的反射点数据集。
81.在操作s140，利用n个聚类方法，从反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团。
82.根据本公开的实施例，在得到反射点数据集之后，利用聚类算法对反射点数据集中的反射点进行筛选，得到满足预设条件的多个反射点，形成双极反射点团。
83.具体的，利用n个聚类方法对反射点数据集进行筛选，得到了n个聚类结果。根据n个聚类方法的聚类结果，得到与n个聚类结果对应的满足预设条件的n个反射点集合。其中，利用一个聚类方法可以得到唯一一个满足预设条件的反射点集合。预设条件为距离天空图中心最近的一个聚类簇中的反射点。
84.在确定n个反射点集合之后，从n个反射点集合中筛选出相同的多个反射点，并将相同的反射点形成双极反射点团。
85.在操作s150，基于双极反射点团中每个反射点的多普勒频移值，确定每个反射点的加权因子。
86.根据本公开的实施例，双极反射点团中每个反射点的反射信息都会影响双极反射点团的漂移速度，但是，不同反射点的可信度不同。根据每个反射点的多普勒频移值，可以确定不同反射点的加权因子，以提高拟合双极反射点团漂移速度的准确率。
87.根据本公开的实施例，双极反射点团中反射点的多普勒频移值越大，该反射点的可靠性就越低、加权因子越小。
88.在操作s160，对双极反射点团中每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行加权拟合，得到双极反射点团的漂移速度。
89.根据本公开的实施例，在对双极反射点团中反射点进行拟合之前，基于二维阵列接收干涉原理，对原始回波数据进行拟合，得到原始回波数据的方向信息。
90.原始回波数据在时域上包括多个回波，在频域上每个回波对应一个反射点。由于双极反射点团中的多个反射点是经过筛选后得到的，因此，得到的原始回波数据的方向信息包括双极反射点团中每个反射点的方向信息。
91.根据本公开的实施例，在获取双极反射点团中每个反射点的加权因子、多普勒频
移值和方向信息之后，可以基于多普勒频移确定漂移径向速度和径向速度矢量分析的原理，对每个反射点的加权因子、多普勒频移值和方向信息进行拟合，计算得到双极反射点团的漂移速度。
92.本公开通过对回波数据进行时域-频域-时域的转换，利用互补码频域脉冲压缩技术在频域内进行数据压缩，提高了回波数据的信噪比。通过利用垂直探测的自动度量结果对回波数据进行筛选、利用时域加窗和多普勒滤波改善频谱质量，对回波数据进行优化。并且，通过多普勒滤波还可以抑制回波数据中因杂波干扰和多重回波造成的放大漂移速度不确定度的问题，提高了漂移测量质量。本公开首次将聚类分析应用到数字电离层测高仪，通过聚类算法对多普勒滤波得到的反射点进行筛选，提高了漂移测试质量和准确度、为实现漂移测量自动化提供了技术基础。
93.此外，本公开提供的数据处理方法适用于多种数字测高仪，在修改部分步骤和参数的情况下还可以用于多种类型的数据测高仪漂移探测。
94.根据本公开的实施例，针对操作s110，回波数据是16位互补码调相后的脉冲信号经电离层发射所得数据，16位互补码包括a码和b码，其中a码:(1 1
ꢀ‑
1 1 1 1 1
ꢀ‑1ꢀ‑
1 1 1 1
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1 1
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1)；b码:(-1
ꢀ‑
1 1
ꢀ‑1ꢀ‑1ꢀ‑1ꢀ‑
1 1
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1 1 1 1
ꢀ‑
1 1
ꢀ‑1ꢀ‑
1)。参考波形数据是16位互补码的基带信号。根据实际需要，可以采取其他类型的16位互补码、其他位数的互补码。
95.对a码、b码形成的回波数据和a码、b码基带信号分别做快速傅里叶变换，得到a码频域回波数据、b码频域回波数据、a码参考波形频域数据和b码参考波形频域数据。
96.对a码频域回波数据和a码参考波形频域数据的乘积结果、b码频域回波数据和b码参考波形频域数据的乘积结果，分别做快速逆傅里叶变换，得到a码压缩回波数据和b码压缩回波数据；以及
97.将a码压缩回波数据和b码压缩回波数据相加，得到预处理回波数据。
98.在利用fft进行时域-频域转换之后，在频域内对a码频域回波数据和a码参考波形频域数据做乘积运算、对b码频域回波数据和b码参考波形频域数据做乘积运算，分别得到a码乘积结果和b码乘积结果。其中，利用a码参考波形频域数据对a码频域回波数据做乘积的过程和利用b码参考波形频域数据对b码频域回波数据做乘积的过程，实现了回波数据在频域内的压缩。
99.利用ifft分别将a码乘积结果和b码乘积结果从频域转换到时域，得到a码压缩回波数据和b码压缩回波数据。具体的，a码压缩回波数据和b码压缩回波数据可以为压缩脉冲。
100.将a码压缩回波数据和b码压缩回波数据相加，输出预处理回波数据。由于a码和b码互为互补码，因此，在将两个压缩脉冲相加的过程中，相关峰处由于两个压缩脉冲的相位相同，相关峰值增加为处理前峰值的2倍；伪相关峰处，两个压缩脉冲相互抵消，提高了预处理回波数据的信噪比。
101.图2示意性示出了根据本公开实施例的垂直探测的频高图及其自动度量结果。
102.如图2所示，频高图的自动度量结果能够为漂移测量提供可靠的探测频率和探测高度参数。实际使用的探测频率是根据传递的探测频率参数确定的，因此，在实际使用的过程中，探测高度范围稍宽于传递的探测高度参数限定的范围。在进行漂移测量时，原始回波
数据是被等间距抽样的，并且探测期间电离层存在波动，因此，选择探测高度范围内的强回波范围作为漂移测量的最优高度范围，即预设高度范围。
103.垂直探测得到的频高图包括寻常波(以下称作o波)、非寻常波(以下称作x波)和自动度量结果。如图2所示，在探测频率为0-5mhz的范围内，o波和x波的探测高度参数比较杂乱，且遍布在100-900km的范围内。在探测频率为5-14mhz的范围内，o波和x波在300-500km和600-800km的范围内存在一定的关联关系。根据自动度量结果，得到当前第f层的最优高度范围在260-400km内。
104.图3示意性示出了根据本公开实施例的在最优高度范围内得到的最终反射点分布示意图。
105.如图3所示，将预设高度范围确定为325-342km，经过操作s110～s160后，得到了最终反射点分布。多普勒频移值的正负表示频移的相反方向，以“+”“o”分别表示多普勒频移的正负。
106.在将预设高度范围选择在最优高度范围内的情况下，反射点的聚集程度高，表示双极反射点团中的反射点质量好，反射点之间的相似度高，漂移探测的测量质量好，数据准确度高。
107.图4示意性示出了根据本公开实施例的在非最优高度范围内得到的最终反射点分布示意图。
108.如图4所示，将预设高度范围确定为457-662km，经过操作s110～s160得到了最终反射点分布。
109.在将预设高度范围选择在非最优高度范围内的情况下，反射点的聚集程度低，表示双极反射点团中反射点质量差，反射点之间的相似度低，移探测的测量质量差，数据准确度低。
110.根据本公开的实施例，针对操作s130，在进行多普勒滤波之前，利用对优化回波数据进行时域加窗，以改善得到的多普勒频谱的质量。
111.根据本公开的实施例，时域加窗采用的窗函数为sinc窗函数。窗函数满足：
[0112][0113]
其中，w(n)表示时域加窗采用的窗函数，n表示当前处理的优化回波数据，n表示脉冲积累次数。
[0114]
根据本公开的实施例，优化回波数据包括m个接收通道，其中m大于等于2。针对操作s130，在利用时域加窗对优化回波数据处理之后，再对时域加窗后的优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集。
[0115]
具体的，对m个接收通道的优化回波数据分别做快速傅里叶变换，得到m个接收通道频域数据，接收通道频域数据中多普勒线的中心位于零频处。其中，对优化回波数据进行同一探测高度参数下的fft变换。m个接收通道频域数据是多普勒频谱，且得到的m个多普勒频谱均包括幅度谱和相位谱。
[0116]
根据短脉冲串信号回波集中分布，在零多普勒频移附近会形成峰值的频谱特征，将m个接收通道频域数据相加，然后先后利用幅度阈值和多普勒频移阈值对m个接收通道频域数据相加的结果进行多普勒滤波，将电离层一次回波反射点的多普勒频移信息过滤出来，得到有效的反射点数据集。
[0117]
图5示意性示出了根据本公开实施例的在限定最优高度范围后得到的反射点分布示意图。
[0118]
如图5所示，在操作s120限定最优高度范围后，不通过幅值滤波和多普勒频移阈值得到的反射点。可以看出，得到的反射点没有规律且遍布整个天空图，多普勒频移值的范围也较大。
[0119]
图6示意性示出了根据本公开实施例的经过幅度阈值过滤后的反射点分布示意图。
[0120]
如图6所示，幅度阈值过滤后，筛除了天顶角10
°
以外的大部分反射点，留下在天顶角10
°
以内的反射点和东南方向20
°
附近的部分反射点。并且，留下的反射点的多普勒频移值仍在-1.5到3范围内。很显然，经过幅值阈值过滤后得到的反射点过滤了无效的白噪声，相比于图5，测试质量得到明显提升。
[0121]
图7示意性示出了根据本公开实施例的经过多普勒频移阈值过滤后的反射点分布示意图。
[0122]
如图7所示，经过多普勒频移阈值过滤后，得到的反射点基本都在天顶角10
°
以内，并且频移值均在0附近。相比于图6，经过多普勒频移阈值过滤后的反射点质量有进一步的提升。
[0123]
根据本公开的实施例，对于操作s140，可以利用至少两个聚类方法，从反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团。
[0124]
具体的，在进行聚类之前，先建立x
×
y的反射点数据集。样本数x是经过多普勒滤波后的有效反射点数，特征数y是天空图中的反射点分别在南北向和东西向的投影，即y等于2。
[0125]
利用n个聚类方法对反射点数据集中的反射点分别进行聚类，得到n个目标簇中心。其中，聚类方法包括基于点分布密度的聚类方法。
[0126]
具体的，针对每个聚类方法的聚类过程，先对发射点数据集中的反射点进行聚类，得到多个类别簇并提取出每个类别簇的聚类标签。然后根据提取处的聚类标签，删除反射点数据集中的噪声点，得到每个类别簇的聚类中心，即质心。计算多个聚类中心与天空图中心的距离，将与天空图中心距离最近的聚类中心确定为目标簇中心，并筛选处目标簇中心所在的类别簇。即通过单个聚类方法确定出一个双极反射点团。类似的，确定出n个目标簇中心以及n个目标簇中心所在的类别簇。
[0127]
在确定n个目标簇中心以及n个目标簇中心各自对应的类别簇之后，将n个类别簇的反射点拼接为一个新的反射点集合，然后利用投票法，从新的反射点集合内提取出票数多的反射点，得到双极反射点团。
[0128]
例如，可以利用meanshift、dbscan和optics三个基于点分布密度的聚类方法，分别对反射点数据集进行聚类分析。得到与meanshift、dbscan和optics分别对应的三个类别簇。然后将上述三个类别簇包含的反射点拼接成新的数据集，通过投票法确定出最终的双
极反射点团。
[0129]
图8示意性示出了根据本公开实施例的经过聚类得到的反射点分布与未经过聚类得到的反射点分布的对比示意图。
[0130]
如图8所示，展示了第一实施例下，是否进行聚类分析的反射点对比结果图。图8中(a)表示未使用聚类方法对多普勒滤波后的反射点数据集进行处理的最终反射点分布，图8中(b)表示使用聚类方法对多普勒滤波后的反射点数据集进行处理的最终反射点分布。
[0131]
图9示意性示出了根据本公开另一实施例的经过聚类得到的反射点分布与未经过聚类得到的反射点分布的对比示意图。
[0132]
如图9所示，展示了第二实施例下，是否进行聚类分析的反射点对比结果图。图9中(a)表示未使用聚类方法对多普勒滤波后的反射点数据集进行处理的最终反射点分布，图9中(b)表示使用聚类方法对多普勒滤波后的反射点数据集进行处理的最终反射点分布。
[0133]
图10示意性示出了根据本公开又一实施例的经过聚类得到的反射点分布与未经过聚类得到的反射点分布的对比示意图。
[0134]
如图10所示，展示了第三实施例下，是否进行聚类分析的反射点对比结果图。图10中(a)表示未使用聚类方法对多普勒滤波后的反射点数据集进行处理的最终反射点分布，图10中(b)表示使用聚类方法对多普勒滤波后的反射点数据集进行处理的最终反射点分布。
[0135]
可以看出，对于图8-10，使用聚类分析得到的反射点分布均比未使用聚类分析的得到的反射点分布集中，并且，对于明显偏离天空图中心的反射点都有较好的滤除效果。
[0136]
本公开通过聚类分析的方法，可以提取出更高质量的双极反射点团，在降低一定的水平速度计算精度的情况下保证漂移速度的准确度。同时，聚类分析一般不会因为电离层波动而带来不可控的测量误差，为实现漂移测量自动化提供有力助力。
[0137]
根据本公开的实施例，针对操作s150，可以基于多普勒频移值确定双极反射点团中每个反射点的加权因子。
[0138]
具体的，从多普勒频移值中确定最大多普勒频移值，然后计算每个反射点的多普勒频移值和最大多普勒频移值的比值。对每个反射点的比值的绝对值取对数，得到与每个反射点对应的对数值，并将对数值的绝对值作为每个反射点的加权因子。
[0139]
计算加权因子的过程满足：
[0140][0141]
其中，wi表示第i个反射点的加权因子，f
di
表示第i个反射点的多普勒频移值，f
d max
表示双击反射点团中多普勒频移值的最大值。
[0142]
根据本公开的实施例，在操作s160计算双极反射点团的漂移速度之前，需要确定双极反射点团中每个反射点的方向信息。
[0143]
具体的，基于二维阵列接收干涉原理，利用最小二乘法对原始回波数据进行拟合，得到原始回波数据的波矢量的拟合结果。根据波矢量的拟合结果，确定原始回波数据的方向信息，其中方向信息包括方位角和天顶角。
[0144]
利用最小二乘法确定原始回波数据的方向信息的过程满足：
[0145][0146]
其中，第1个天线到第a个接收天线的矢量为γa，第1个天线到第b个接收天线的矢量为γb，第i个回波在第a个接收天线和第b个接收天线之间的相位差为第a个接收天线和第b个接收天线为相邻的两个天线，b＝a+1，ki表示第i个回波的波矢量，m表示接收天线的数目，σ2表示最小二乘法的拟合参数。
[0147]
在根据公式(3)确定波矢量的拟合结果之后，根据ki＝(2πf/c)ni确定波矢量的单位矢量ni，其中，f是漂移探测频率，c是光速。最后根据ni＝(cosφisinθi,sinφisinθi,cosθi)求出回波方向信息，即方位角φi和天顶角θi。
[0148]
根据本公开的实施例，可以根据原始回波数据确定方向信息，然后从中筛选出与双极反射点团中的反射点对应的方向信息，再进行漂移速度的计算。还可以根据实际情况，在筛选得到双极反射点团之后，再确定双极反射点团中的反射点的方向信息。
[0149]
根据本公开的实施例，对于操作s160，可以从双极反射点团中随机选取3个反射点，生成反射点子集，然后利用加权最小二乘法对每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行拟合，得到反射点子集的子漂移速度。在确定当前反射点子集的漂移速度之后，再从双极反射点团中随机选取与3个反射点不同的第4个反射点，更新反射点子集并得到更新后反射点子集的漂移速度。直至更新后的反射点子集包括双极反射点团中的所有反射点，得到双极反射点团的漂移速度。
[0150]
具体的，在地磁坐标系下，利用加权最小二乘法对每个反射点的加权因子、多普勒频移值以及方向信息进行拟合的过程满足：
[0151][0152]
其中，f是漂移探测频率，c是光速，f
di
表示第i个反射点的多普勒频移值，φi和θi分别为第i个反射点的方位角和天顶角，wi表示第i个反射点的加权因子，i表示当前反射点子集的反射点数目，im表示双极反射点团的发生点数目，表示当前反射点子集的拟合参数。v
i-2
＝(v
ni
,v
ei
,v
zi
)表示当前反射点子集的漂移速度，漂移速度包括三个方向，其中，v
ni
是南北向漂移速度，向北为正；v
ei
是东西向漂移速度，向东为正；v
zi
是垂直向漂移速度，向下为正；天顶角以垂直向下为0
°
，远离该方向为正；方位角以正北方向为0
°
，逆时针旋转为正。
[0153]
根据公式(4)，可以得到当前反射点子集中关于每个反射点的方程，即i个关于v
ni
、v
ei
和v
zi
的方程。根据i个方程可以得到当前反射点子集的漂移速度v
i-2
。每次更新反射点子集，都可以得到更新的反射点子集的漂移速度。在最后的反射点子集包括双极反射点团的全部反射点的情况下，得到的漂移速度为v
im-2
。
[0154]
根据本公开的实施例，根据公式(4)可以计算得到多个反射点子集的漂移速度v1、v2……vim-2
。将多个反射点子集的漂移速度的平均值作为本次测量得到的最终漂移速度v＝(vn,ve,vz)。
[0155]
具体实施例：
[0156]
采用四元三角面阵接收原始回波数据(m＝4)，接收天线为正交有源环天线。
[0157]
首先，通过互补码频域脉冲压缩技术对4个接收通道数据进行处理，得到预处理后的回波数据。
[0158]
其次，通过二维阵列接收干涉原理确定4个接收通道各自的波矢量，再根据波矢量确定4个接收通道各自的回波方向信息，即方位角和天顶角。
[0159]
然后，利用漂移探测前垂直探测时获得的频高图的自动度量结果，传递探测频率对应的指定电离层区域的探测高度参数，选择探测高度范围内的强回波范围作为漂移测量的最优高度范围。
[0160]
再然后，在最优高度范围内，使用sinc窗函数对4个接收通道数据进行时域加窗之后，对该数据进行fft，获得多普勒频移信息。通过设置幅度阈值和多普勒频移阈值分别过滤白噪声和射频干扰，得到多普勒滤波后提取的有效反射点。
[0161]
在建立包含所有有效反射点的x
×
y的数据集之后，分别使用meanshift、dbscan和optics对数据集聚类分析，得到单个聚类提取出的双极反射点团。将三个聚类提取出的反射点团拼接成新的数据集。再通过投票的形式，从数据集中提取出所有票数多的反射点，组成的新簇即为最终的双极反射点团。
[0162]
最后，在计算双极反射点团内反射点的加权因子之后，基于多普勒频移确定漂移径向速度和径向速度矢量分析的原理，根据双极反射点团包含的反射点信息，使用加权最小二乘法拟合得到多个反射点子集的漂移速度。将多个反射点子集的漂移速度的均值作为漂移探测得到的三维漂移速度。
[0163]
本公开的实施例通过互补码频域脉冲压缩技术提高回波数据信噪比，得到了预处理后的回波数据；利用漂移探测之前垂直探测时获得的频高图的自动度量结果，结合其已经在发射端选择的探测频率，在接收端限定每个探测频率的最优高度范围，由此限定漂移探测的电离层区域；在最优高度范围内，通过时域加窗技术改善频谱质量，获得多普勒频移信息，并通过多普勒滤波提取有效反射点；建立包含所有有效反射点的数据集，基于点分布密度和可靠性投票的思想，通过粗聚类分析提取可靠的双极反射点团；引入加权因子，使用双极反射点团包含的反射点信息，利用多普勒频移确定漂移径向速度和径向速度矢量分析的原理，使用加权最小二乘法拟合三维漂移速度。
[0164]
本公开的实施例通过对原始回波数据的逐级数据处理，无需因外部条件变化而时常更改参数设置，实现了整个数据处理流程的自动化操作，提高了数据处理流程的自动化程度，也间接降低了漂移探测过程的复杂度。通过设置幅度阈值和多普勒频移阈值，有效地抑制了回波数据中因杂波干扰和多重回波造成的放大漂移速度不确定度的问题，提高了漂移测量质量。并且，本公开首次将聚类分析用于电离层测高仪漂移测量，为实现漂移测量自动化提供有力保障。
[0165]
此外，本公开的实施例提供的测试数据处理方法对数字测高仪普遍适用，在修改部分步骤和参数的情况下可以用于其他类型数字测高仪漂移探测。
[0166]
图11示意性示出了根据本公开实施例的数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理装置的结构框图。
[0167]
如图11所示，该实施例的数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理装置1100包括压缩模块1110、第一优化模块1120、第二优化模块1130、聚类模块1140、加权因子确定模块1150和拟合模块1160。
[0168]
压缩模块1110，用于基于快速傅里叶变换和快速逆傅里叶变换，对回波数据进行时域-频域-时域转换，得到预处理回波数据，所述快速傅里叶变换用于将所述回波数据从时域转换到频域，所述快速逆傅里叶变换用于将在频域内完成压缩后的回波数据从频域转换到时域，所述回波数据是互补码相位调制后的脉冲信号经电离层发射得到的数据。在一实施例中，压缩模块1110，可以用于执行前文描述的操作s110，在此不再赘述。
[0169]
第一优化模块1120，用于根据在漂移探测之前垂直探测得到的自动度量结果，对所述预处理回波数据进行筛选，得到在预设高度范围内探测得到的优化回波数据，所述自动度量结果包括探测频率和探测高度的关联关系，所述漂移探测用于得到所述原始回波数据。在一实施例中，第一优化模块1120，可以用于执行前文描述的操作s120，在此不再赘述。
[0170]
第二优化模块1130，用于对经过时域加窗后的所述优化回波数据进行多普勒滤波，得到反射点数据集。在一实施例中，第二优化模块1130，可以用于执行前文描述的操作s130，在此不再赘述。
[0171]
聚类模块1140，用于利用n个聚类方法，从所述反射点数据集中确定满足预设条件的多个反射点，得到双极反射点团，n大于等于2。在一实施例中，聚类模块1140，可以用于执行前文描述的操作s140，在此不再赘述。
[0172]
加权因子确定模块1150，用于基于所述双极反射点团中每个反射点的多普勒频移值，确定所述每个反射点的加权因子。在一实施例中，加权因子确定模块1150，可以用于执行前文描述的操作s150，在此不再赘述。
[0173]
拟合模块1160，用于对所述双极反射点团中每个反射点的所述加权因子、所述多普勒频移值以及方向信息进行加权拟合，得到所述双极反射点团的漂移速度。在一实施例中，拟合模块1160，可以用于执行前文描述的操作s160，在此不再赘述。
[0174]
图12示意性示出了根据本公开实施例的适于数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法的电子设备的方框图。
[0175]
如图12所示，根据本公开实施例的电子设备1200包括处理器1201，其可以根据存储在只读存储器(rom)1202中的程序或者从存储部分1208加载到随机访问存储器(ram)1203中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器1201例如可以包括通用微处理器(例如cpu)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))等等。处理器1201还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器1201可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
[0176]
在ram 1203中，存储有电子设备1200操作所需的各种程序和数据。处理器1201、rom 1202以及ram 1203通过总线1204彼此相连。处理器1201通过执行rom 1202和/或ram 1203中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除rom 1202和ram 1203以外的一个或多个存储器中。处理器1201也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。
[0177]
根据本公开的实施例，电子设备1200还可以包括输入/输出(i/o)接口1205，输入/输出(i/o)接口1205也连接至总线1204。电子设备1200还可以包括连接至i/o接口1205的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分1206；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分1207；包括硬盘等的存储部分1208；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1209。通信部分1209经由诸如因特网的网
络执行通信处理。驱动器1210也根据需要连接至i/o接口1205。可拆卸介质1211，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1210上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1208。
[0178]
本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。
[0179]
根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的rom 1202和/或ram 1203和/或rom 1202和ram 1203以外的一个或多个存储器。
[0180]
本公开的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。当计算机程序产品在计算机系统中运行时，该程序代码用于使计算机系统实现本公开实施例所提供的数字电离层测高仪自动漂移测量数据处理方法。
[0181]
在该计算机程序被处理器1201执行时执行本公开实施例的系统/装置中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
[0182]
在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分1209被下载和安装，和/或从可拆卸介质1211被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。
[0183]
在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1209从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1211被安装。在该计算机程序被处理器1201执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。
[0184]
根据本公开的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如java，c/c++，python，语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0185]
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程
序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0186]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0187]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。