一种基于相位统计的电离层测高仪O波与X波分离方法与流程

本发明属于电离层探测，具体地说，尤其涉及一种基于相位统计的电离层测高仪o波与x波分离方法。

背景技术：

1、电离层测高仪是用高频无线电波从地面对电离层进行常规观测的设备，它垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线，这种曲线称为频高图或垂测电离图。根据电磁波在等离子体中的传播理论，电磁波通过电离层传播时，由于地球磁场的作用，电波会分裂为两个圆偏振波分量，一个为o波(寻常波)，一个为x波(非常波)，因此接收的垂测电离图会同时包含了o波和x波两种信号。o波和x波分离是垂直电离图反演的前提，其分离效果直接决定模式判别及电离层参数度量的准确度，对电离层研究具有重要意义。

2、由于环境噪声，干扰以及电离层自身时变色散特性等因素，导致垂测电离图o波x波分离工作异常复杂。目前电离层测高仪o波与x波分离方法主要有三类，基于探测原理利用双通道相位法进行分离、基于图像处理技术进行分离以及基于深度学习的方法进行分离。上述三种方法均未针对电离层的时变色散特性动态调整分离策略，导致o波与x波信号分离在许多情况下不甚理想。

3、基于双通道相位法是通过对其中一个接收天线的信号做±90°相移后再与另一天线信号进行相加实现，该对收发天线和探测系统都提出较高要求。由于o模式和x模式存在椭圆极化，导致南北方向与东西方向天线接收的回波信号幅度存在差异，天线臂在磁性南北和东西方向上不对齐，以及相位噪声(仪器和环境)的影响导致相位分布特性以及相位差与理论值存在偏差，以上原因导致o波与x波信号分离结果不甚理想。基于数字图像处理技术的方法对接收信号的完整性要求较高，且仅对某些特定的模式垂测电离图有良好的分离效果。然而由于环境噪声、干扰的存在使得提取的垂测电离图完整性无法得到保证，此外电离层的时变色散特性使得电离层模式复杂多变。当提取的垂测电离图完整性较差、电离层模式与分离算法不匹配时，o波与x波信号分离效果会急剧恶化。基于深度学习的方法在电离层稳定情况下取得了不错的效果，然而当电离层出现明显抖动及o波与x波存在大量信号重合的情况下分离效果不尽人意。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于相位统计的电离层测高仪o波与x波分离方法，以弥补现有技术的不足。

2、为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于相位统计的电离层测高仪o波与x波分离方法，包括以下步骤：

4、s1：获取双通道垂测电离层信号；

5、s2：对双垂测电离层通道信号取模后进行非相干相加得到频率-虚高-能量图；

6、s3：对垂测电离层双通道信号进行相比后求相位角得到频谱-虚高-相位差图；

7、s4：利用恒虚警方法对所述频率-虚高-能量图进行检测，提取垂测电离层信号；

8、s5：根据检测结果位置对应关系得到垂测电离层信号相位差；

9、s6：利用滑窗法汇总各频率垂测电离层信号相位差的值；

10、s7：利用高斯平滑计算各频点要补偿的相位差；

11、s8：将计算得到的需要补偿的相位差带入公式(13)与(14)实现o波与x波分离。

12、进一步的，所述s1中，o波与x波分离所需要补偿的相位差是基于垂测电离层信号相位差图求得的，由于电离层测高仪接收的信号含有大量的干扰和噪声，因此需要对垂测电离层信号进行提取；双通道电离层测高仪得到的信号表示为：

13、datans(t)＝ins(t)+j*qns(t)     (15)

14、dataew(t)＝iew(t)+j*ew(t)      (16)

15、式中datans(t)为南北天线接收到的信号，ins(t)为实部信号，qns(t)为虚部信号；dataew(t)为东西天线接收到的信号，iew(t)为实部信号，qew(t)为虚部信号。

16、进一步的，所述s2中，双通道非相关相加，得到表达式如下：

17、dataabs(t)＝abs(ins)+j*qns(t))+abs(iew(t)+j*qew(t))       (17)。

18、进一步的，所述s3中，对双通道信号进行相除后求相位得到频率-虚高-相位差图：

19、

20、进一步的，利用恒虚警方法对非相干相加后的信号进行检测提取，即可得到恒虚警检测后的频率-虚高-能量图。

21、进一步的，所述s5中，将恒虚警检测后的频率-虚高-能量图与频率-虚高-相位差图的位置关系进行一一对应，若频率-虚高-能量图中有信号，则保留频率-虚高-相位差图中的相位值，反之则令去除频率-虚高-相位差图中的相位值，经过处理即得到垂测电离层信号相位差。

22、进一步的，所述s6中，由于每个频点上得到的垂测电离层信号样本较少，受到仪器和环境影响，此时求得补偿相位波动较大。根据相邻频率的垂测电离层信号幅度和相位变化较小的特性，采用滑窗的方法汇总各频率垂测电离层信号相位差值，即每个频点所汇总的相位差值为本频点以及左右相邻几个频点的相位差值，频率的个数由滑窗的大小决定。某频率提取的电离层信号存在两种情况：(1)含有o波与x波两种模式信号，此时汇总相位差会聚集在两个区域；(2)只有o波或x波一种模式的信号，此时汇总的相位差集中在一个区域。

23、进一步的，所述s7中，某频点相位差值汇总后，接下来利用高斯平滑计算各频点要补偿的相位差。具体方法如下：首先建立一个大小为360的数组a，数组所有的值赋值为0，a[0]存放汇总的相位差值在[-180°～-179°]之间出现的次数，a[1]存放汇总的相位差值在[-179°～-178°]之间出现的次数，以此类推，a[359]存放汇总的相位差值在[179°～180°]之间出现的次数；再根据汇总相位差的方差来判断相位差会聚集区域情况；最后根据会聚集区域情况进行相位差统计，当判断相位差聚集在两个区域，则对a用高斯窗函数进行迭代平滑，直到得到的结果峰值个数为2，此时两个峰值点对应的相位差的值为o波和x波要补偿的相位差。当判断相位差分布在一个区域，则对a用高斯窗函数进行迭代平滑，直到峰值个数为1，此时峰值点对应的相位差为o波或x波要补偿的相位差。

24、进一步的，所述s8中，利用双通道回波信号统计o波与x波分离所需要补偿的相位差值θr＝π/2-δr，θl＝-π/2-δl，用θr与θl替代理论值±90°。一个接收天线的信号做相移θr和θr再与另一天线信号进行相加实现，此时求解的o波与x波如表达式如下：

25、

26、

27、由公式(13)与(14)可知，当补偿的相位差值与实际的相位差一致时，o波与x波会完全分离。

28、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

29、本发明首先对双通道信号取模后进行非相干相加得到频率-虚高-能量图，对双通道信号进行相比后求相位角得到频谱-虚高-相位差图；然后利用恒虚警方法对频率-虚高-能量图进行检测，提取垂测电离层信号，根据检测结果位置对应关系得到垂测电离层信号相位差；再利用滑窗法汇总各频率垂测电离层信号相位差，接着利用高斯平滑计算各频点要补偿的相位差；最后将要补偿的相位差代入计算公式中实现o波与x波分离。

30、本发明首先提取垂测信号，然后统计双通道回波信号的相位差，最后基于统计的相位差特性进行o波与x波分离。本发明基于实际接收的回波信号，实时统计不同频率的相位差，动态调整分离变量，适用于多种模式的电离层信，分离效果好，鲁棒性强。