[发明专利]一种天波超视距雷达电离层信道模型

说明书

一、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。

二、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 Reference Ionosphere，IRI)模型产生电离层剖面，用国际地磁参考场(International Geomagnetic Reference，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IRI-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(Multi-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——收发射线路径的匹配也未给出详细的说明。

三、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：

(1)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