基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演方法及系统

本技术涉及电离层探测，特别是涉及一种基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演方法及系统。

背景技术：

1、电离层是地表以上60km到2000km被部分电离的大气层，作为近地空间环境的重要组成，电离层与地球及人类活动紧密相关，其物理特性和状态是了解空间天气、开展空间物理研究、解决卫星导航等工程问题的重要线索，因此对地球电离层的探测一直是空间科学研究的主要方向。而顶部电离层是电离层f2层峰值高度以上的部分，主要受输运过程控制，它向上连接着等离子体层，状态显著依赖于太阳活动性，是电离层的重要组成。此区域的观测资料稀缺，相关探测数据亟需填补。

2、非相干散射雷达是电离层探测最先进的地基无线电设备，由于其高功率、大孔径、低噪温的特点，非相干散射雷达的探测距离远，可识别微弱的散射信号。非相干散射雷达的电离层探测基于自由电子受激产生的汤姆孙散射，回波信号的功率谱形态与电离层的多种参量值相关，通过功率谱反演可同时获得这些参量，这是利用非相干散射雷达进行电离层探测最重要的方式，也是非相干散射雷达区别于传统电离层探测雷达的主要优势。然而非相干散射雷达顶部电离层的探测信噪比低，其数据处理受到离子成分初值对等离子体散射理论谱形态的影响，离子成分与温度之间的模糊问题严重，使得常规的数据处理方法失效，离子温度的反演结果出现异常。因此，解决非相干散射雷达在对顶部电离层探测的数据处理中出现的离子温度结果异常问题，对电离层探测领域的发展来说非常必要。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演方法及系统，以解决由于离子成分与温度模糊、离子成分初值误差导致的离子温度反演结果异常问题，得到准确的顶部电离层多参量反演结果。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、第一方面，本技术提供了一种基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演方法，包括以下步骤：

4、根据雷达探测数据，计算得到探测信号功率、探测信号信噪比、探测信号功率的统计误差以及背景噪声功率的统计误差，并根据探测信号信噪比，计算得到原始的电子密度。

5、根据探测信号功率的统计误差和背景噪声功率的统计误差，计算得到电子密度的相对误差。

6、获取设定的顶部电离层所包含的离子成分，并根据雷达波形导入对应的谱模糊函数，构建观测系统方程。

7、基于观测系统方程，以原始的电子密度为已知参量，以离子温度、电子离子温度比、视线速度和氢离子成分为反演目标参量，采用最小二乘算法进行顶部电离层多参量反演，确定电子离子温度比基准值。

8、根据电子密度的相对误差和电子离子温度比基准值，生成多个温度比样本，并基于观测系统方程，分别以每个温度比样本为已知参量，以电子密度、离子温度、视线速度和氢离子成分为反演目标参量，采用最小二乘算法进行顶部电离层多参量反演，确定每个温度比样本对应的电子密度拟合值、离子温度拟合值、视线速度拟合值和氢离子成分拟合值。

9、根据各温度比样本对应的拟合信号自相关函数和探测信号自相关函数，基于最小残差准则，确定最优的温度比样本，并将最优的温度比样本对应的电子密度拟合值、离子温度拟合值、视线速度拟合值和氢离子成分拟合值，作为顶部电离层多参量反演结果。

10、可选地，根据雷达探测数据，计算得到探测信号功率、探测信号信噪比、探测信号功率的统计误差以及背景噪声功率的统计误差，并根据探测信号信噪比，计算得到原始的电子密度，具体包括以下步骤：

11、根据雷达探测数据，计算得到单个时间间隔的探测信号功率剖面和背景噪声功率。

12、根据单个时间间隔的探测信号功率剖面和背景噪声功率，计算得到探测信号信噪比。

13、根据单个时间间隔内的各帧探测信号功率，计算得到探测信号功率的统计误差。

14、根据背景噪声功率，计算得到背景噪声功率的统计误差。

15、根据探测信号信噪比，计算得到原始的电子密度。

16、可选地，根据下式计算探测信号功率的统计误差：

17、

18、其中，errp为探测信号功率的统计误差，pi为第i帧的探测信号功率，n为单个时间间隔内的积累帧数，i为当前帧标号。

19、根据下式计算背景噪声功率的统计误差：

20、

21、其中，errn为背景噪声功率的统计误差，pnj为第j个采样高度点的背景噪声功率，m为背景噪声功率采样高度点总数，j为当前采样高度点标号。

22、可选地，根据下式计算电子密度：

23、

24、其中，ne为电子密度，kb为玻尔兹曼常数，b为信号带宽，ts为系统噪声温度，pt为发射峰值功率，g为天线增益，c为光速，τ为有效脉冲宽度，r为天线距离探测目标的距离，λ为发射信号波长，r0为电子半径，χ为极化角，te为电子温度，ti为离子温度，snr为探测信号信噪比。

25、可选地，根据下式计算电子密度的相对误差：

26、

27、其中，errne为电子密度的相对误差，errp为探测信号功率的统计误差，errnj为第j个采样高度点的背景噪声功率的统计误差，m为背景噪声功率采样高度点总数，j为当前采样高度点标号，p为探测信号功率剖面，pn为背景噪声功率剖面。

28、可选地，系统观测方程如下式所示：

29、y＝wf(ω,x0,x)+δ。

30、其中，y＝[y1,y2,y3,…,yo]，y1,y2,…,yo分别为信号自相关函数不同时延的值，w为谱模糊函数，f为等离子体散射理论谱函数，ω为频率，x0＝[ne,col,p(o+),p(he+)]，x0为已知参量，ne为电子密度，col为碰撞频率，p(o+)为氧离子成分，p(he+)为氦离子成分，x＝[ti,te/ti,v,p(h+)]，x为反演目标参量，ti为离子温度，te为电子温度，te/ti为电子离子温度比，v为视线速度，p(h+)为氢离子成分，δ为观测误差。

31、可选地，根据电子密度的相对误差和电子离子温度比基准值，生成多个温度比样本，具体包括以下步骤：

32、根据电子密度的相对误差，确定多个温度比取值参数。

33、针对任一温度比取值参数，根据温度比取值参数和电子离子温度比基准值，生成对应的温度比样本。

34、可选地，根据下式确定温度比取值参数：

35、

36、其中，αl为第l个温度比取值参数，errne为电子密度的相对误差，max()为取不同采样高度点的errne中的最大值，l为当前温度比取值参数的下标，s为自定义的温度比取值参数的数量。

37、根据下式生成温度比样本：

38、tτl＝(1+αl)tτ0。

39、其中，tτl为第l个温度比取值参数生成的温度比样本，tτ0为电子离子温度比基准值。

40、可选地，根据各温度比样本对应的拟合信号自相关函数和探测信号自相关函数，基于最小残差准则，确定最优的温度比样本，具体包括以下步骤：

41、针对任一温度比样本，根据温度比样本对应的拟合信号自相关函数和探测信号自相关函数，确定温度比样本的拟合残差。

42、根据各温度比样本的拟合残差，将拟合残差最小的温度比样本作为最优的温度比样本。

43、第二方面，本技术提供了一种基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演系统，用于实现如前文所述的基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演方法，所述基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演系统包括：

44、原始电子密度确定模块，用于根据雷达探测数据，计算得到探测信号功率、探测信号信噪比、探测信号功率的统计误差以及背景噪声功率的统计误差，并根据探测信号信噪比，计算得到原始的电子密度。

45、电子密度相对误差确定模块，用于根据探测信号功率的统计误差和背景噪声功率的统计误差，计算得到电子密度的相对误差。

46、观测系统方程构建模块，用于获取设定的顶部电离层所包含的离子成分，并根据雷达波形导入对应的谱模糊函数，构建观测系统方程。

47、多参量反演模块，用于基于观测系统方程，以原始的电子密度为已知参量，以离子温度、电子离子温度比、视线速度和氢离子成分为反演目标参量，采用最小二乘算法进行顶部电离层多参量反演，确定电子离子温度比基准值。

48、二次多参量反演模块，用于根据电子密度的相对误差和电子离子温度比基准值，生成多个温度比样本，并基于观测系统方程，分别以每个温度比样本为已知参量，以电子密度、离子温度、视线速度和氢离子成分为反演目标参量，采用最小二乘算法进行顶部电离层多参量反演，确定每个温度比样本对应的电子密度拟合值、离子温度拟合值、视线速度拟合值和氢离子成分拟合值。

49、最终反演结果确定模块，用于根据各温度比样本对应的拟合信号自相关函数和探测信号自相关函数，基于最小残差准则，确定最优的温度比样本，并将最优的温度比样本对应的电子密度拟合值、离子温度拟合值、视线速度拟合值和氢离子成分拟合值，作为顶部电离层多参量反演结果。

50、根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：

51、本技术提供了一种基于非相干散射雷达的顶部电离层多参量反演方法及系统，方法包括：根据所获取的雷达探测数据计算得到探测信号信噪比，并根据探测信号信噪比，计算得到原始的电子密度，以原始的电子密度为已知参量，以离子温度、电子离子温度比、视线速度和氢离子成分为反演目标参量，采用最小二乘算法进行一次顶部电离层多参量反演，将反演得到的电子离子温度比确定为电子离子温度比基准值，并基于电子密度的相对误差和电子离子温度比基准值生成多个温度比样本，分别以每个温度比样本为已知参量，再次采用最小二乘算法进行顶部电离层多参量反演，确定每个温度比样本对应的电离层多参量反演值；进而在多个反演结果中，确定出拟合残差最小的一个为最优的温度比样本，将其反演结果作为顶部电离层多参量反演结果。相较于传统的非相干散射雷达电离层探测的数据处理方法，本技术利用探测信号功率计算得到的原始电子密度，初步反演获得电子离子温度比的初步估值作为基准值，然后据此生成多个样本，采用样本枚举的方法搜索顶部电离层多参量反演的最优解，解决了在非相干散射雷达顶部电离层探测的数据处理中，由于离子温度和离子成分模糊、初值误差导致的反演异常问题，获得了有效的顶部电离层多参量反演结果。