李汛江，蘇凡凡，趙正予

(1. 武漢數(shù)字工程研究所，湖北 武漢，430074；2. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢，430079)

常用的電離層底測方法有垂直探測、斜向探測、斜向返回散射探測及直接散射探測等。這些探測技術(shù)可探測電離層的狀態(tài)信息[1-3]，還可能獲取廣大范圍內(nèi)的海洋狀態(tài)信息和高頻無線信道參數(shù)[4-5]，以提高對電離層狀態(tài)、物理過程以及電離層電波傳播規(guī)律的基本認(rèn)識，揭示電離層動力學(xué)及形態(tài)學(xué)的地域特征和電離層信道特性，還可用于描述和預(yù)報電離層狀態(tài)，并可為電離層電波傳播鏈路提供信道狀態(tài)實時預(yù)報，提高短波通信的可靠性和準(zhǔn)確性，用于超視距目標(biāo)定位等。美國 Lowell大學(xué)大氣研究中心研制的數(shù)字電離層測高儀DPS-4D是現(xiàn)在較先進(jìn)的電離層探測設(shè)備之一[1]，主要工作模式為垂測探測，它采用脈內(nèi)相位編碼的數(shù)字脈沖壓縮等技術(shù)，在世界各地設(shè)有大量垂測站點。澳大利亞的JINDALEE雷達(dá)通過斜向探測和斜向返回探測獲取高頻信道的信道特征信息[6]，實現(xiàn)對實時頻率管理的指導(dǎo)。武漢大學(xué)電離層實驗室自主研發(fā)了具有垂測、斜測和斜向返回探測功能的 WISS雷達(dá)組[7-9]，可用于電離層診斷和短波信道鏈路狀態(tài)分析等。工作在短波段的電離層探測儀容易遭受到其他高頻用戶和無線電噪聲的干擾，這增加了各種探測模式下電離層回波的檢測難度。斜向返回回波經(jīng)過電離層反射和地面后向散射后，會遭受到很大的衰減和損耗，其信噪比的典型值一般其他探測模式的更小。雷達(dá)的小型化和便攜化需求對信號處理的積累增益也提出了更高的要求。本文作者設(shè)計一組電離層探測儀回波預(yù)處理能量積累算法。首先以脈間相位編碼為例分析了脈沖壓縮算法；然后，基于多次探測的相位連續(xù)性，使用了多普勒積累算法；最后，基于電離層回波的散布特性開發(fā)了時延多普勒域的二維積累算法，用各種積累算法處理實測數(shù)據(jù)后信噪比的變化。

1 能量積累算法

1.1 算法運行平臺

因電離層探測儀的便攜化需求而研發(fā)的預(yù)處理能量積累算法主要在武漢大學(xué)電離層實驗室研發(fā)的WISS雷達(dá)組的信號處理系統(tǒng)中實現(xiàn)。WISS雷達(dá)組由具有垂測探測、斜向探測和斜向返回探測功能的多部雷達(dá)組成，部署在湖北武漢、廣西欽州等地區(qū)。這些雷達(dá)均采用了數(shù)字頻率合成(DDS)和數(shù)字下變頻(DDC)等先進(jìn)技術(shù)，由控制系統(tǒng)的軟件控制偽隨機碼序列產(chǎn)生、信號發(fā)射和回波接收和處理等工作流程，易于實現(xiàn)探測模式和波形的調(diào)整，可以根據(jù)實時電磁環(huán)境狀況調(diào)整探測參數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)檢測性能，診斷電離層狀態(tài)和短波信道特征。

雷達(dá)組中各部雷達(dá)均采用FPGA產(chǎn)生偽隨機碼序列并控制DDS生成發(fā)射波形，經(jīng)放大濾波后發(fā)射。接收到的回波在解調(diào)后進(jìn)行A/D采樣，再輸送到 DDC抽取濾波，輸出回波的同相分量I和正交分量Q，信號的幅度信息和相位信息即可獲取，然后，輸入到信號處理系統(tǒng)中提取目標(biāo)特征。

高頻電波在傳播過程中會遭受自由空間傳播損耗和電離層吸收損耗，在接收端也存在額外系統(tǒng)損耗等，多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)會引起回波能量散布，斜返回波還會遭受地面后向散射損耗。短波段的干擾和噪聲源很豐富，而雷達(dá)組采用了低功率發(fā)射機，多種原因?qū)е禄夭}沖一般會淹沒在噪聲背景中，需要預(yù)處理才能顯現(xiàn)。通常先將接收到的回波序列進(jìn)行積累預(yù)處理，然后對積累結(jié)果進(jìn)行檢測判決，獲取回波信號位置和其他信息。雖然信號和噪聲均會累積，但若信號功率與噪聲功率之比大于積累前的信噪比，則可以提高信號的檢測概率。

1.2 脈沖壓縮積累算法

脈沖壓縮可通過發(fā)射寬編碼脈沖并處理接收回波獲得窄脈沖實現(xiàn)。使用了脈沖壓縮技術(shù)的雷達(dá)既保持了寬脈沖雷達(dá)的強檢測能力，也獲得了窄脈沖的高距離分辨率。WISS雷達(dá)組采用的脈間偽隨機碼調(diào)相是脈沖壓縮的實現(xiàn)方式之一。脈間調(diào)相體制與常用的脈內(nèi)調(diào)相體制的主要區(qū)別在于：脈間體制在同一次探測過程中，接收和發(fā)射可同時進(jìn)行，由特別研發(fā)的開關(guān)電路保護(hù)接收機；而脈內(nèi)體制在同一次探測過程中，前一段時間用于發(fā)射，后一段時間用于接收，實行分時保護(hù)接收機。探測體制的差異導(dǎo)致了盲區(qū)在回波域中的分布方式不同，脈內(nèi)調(diào)相體制的盲區(qū)主要分布在回波的前一部分群時延路徑上，盲區(qū)的覆蓋區(qū)域由脈沖重復(fù)頻率確定，而脈間調(diào)相體制的盲區(qū)均勻分布在整個回波域中，盲區(qū)的寬度由子脈沖重復(fù)頻率確定。若需要通過增加脈沖壓縮比來增加積累增益，提高回波信噪比，則需要增加偽隨機碼的碼長，同時會增大脈沖重復(fù)周期。由于脈間調(diào)相體制的盲區(qū)是均勻分布在整個回波域中的，增加脈沖壓縮比不會影響盲區(qū)的大小。而脈內(nèi)調(diào)相體制盲區(qū)的大小與脈沖重復(fù)周期成正比，其脈沖壓縮比的增大受到探測盲區(qū)的限制。因此，WISS雷達(dá)組采用了脈間調(diào)相的脈沖壓縮方式，可使用更長的碼長和更高的脈沖壓縮比實現(xiàn)單基地小功率遠(yuǎn)距離探測。

脈間調(diào)相體制和脈內(nèi)調(diào)相體制的實現(xiàn)方式也有差異，脈內(nèi)調(diào)相體制的實現(xiàn)方式可以參考相關(guān)手冊[10]。脈間調(diào)相體制的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，圖中虛線框中所示的模塊的功能為按子脈沖重復(fù)周期提取回波，這是脈間調(diào)相體制與脈內(nèi)調(diào)相體制實現(xiàn)方式的不同之處。

圖1 脈間調(diào)相體制的數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Data process flowchart for intra-pulse phase coded radar

假設(shè)p(k)(k=1，…，M，M為碼長)為本地偽隨機序列，接收信號s1(k)由回波信號序列s(k)和噪聲序列n(k)組成，即s1(k)=s(k)+n(k)。脈沖壓縮的累積過程可以表示為：

脈沖壓縮積累的輸出由2部分組成：一部分是本地偽隨機序列和回波序列的相關(guān)運算。由于本地偽隨機序列和回波序列是相位相參的，根據(jù)圖1的實現(xiàn)過程及偽隨機序列的特性可知[11]，相關(guān)運算后回波信號的幅度會增加M倍。另一部分是本地偽隨機序列和噪聲的相關(guān)運算，噪聲與本地序列是非相位相參的，在本地偽隨機序列的加權(quán)累加下，其幅度增加倍。因此，在理想條件下，信號與噪聲的幅度比將增加倍。多次探測的回波信號經(jīng)過脈沖壓縮積累后成為雙時響應(yīng)數(shù) 據(jù)[11]，是回波信號在群時延-時間域的表現(xiàn)。

1.3 多普勒積累

電離層探測雷達(dá)回波的散射體為電離層不均勻體，不均勻體的運動使回波相位畸變，導(dǎo)致回波信號相對于發(fā)射信號產(chǎn)生多普勒頻移。采用相位編碼體制時，回波相位的畸變會影響解調(diào)后的回波序列，使回波序列與本地偽隨機序列的相關(guān)峰削弱，并抬高旁瓣。但是，電離層的運動特征可從多普勒信息中推導(dǎo)獲取，高頻信道的時間色散特性也可由多普勒信息確定。因此，需要既能保存多普勒信息，也能實現(xiàn)積累效果的算法。本文提出的實現(xiàn)過程為對該頻點探測多次，然后，對同一群時延距離上的多次探測回波實現(xiàn)多普勒積累，在多普勒域中回波能量會集中到多普勒頻移附近區(qū)域，而噪聲能量依然分散在整個多普勒域中，信噪比得以提高。

脈沖壓縮積累后的回波表達(dá)式為 y1(τ)，τ表示回波時延。多次探測的結(jié)果可以記為 y1(τ，n)，其中，n=1，2，3，…，N，其意義是實現(xiàn)了連續(xù)N次探測。用信號與噪聲之和的形式描述y1(τ，n)，可得：

其中：s2(τ)表示回波的幅度；fd表示信號的多普勒頻移；表示探測時間；f表示脈沖重復(fù)頻率；N(τ，n)表示脈沖壓縮積累后的噪聲。對 y1(τ，n)實現(xiàn)多普勒積累的過程為：多次探測的回波乘以全頻段的單位幅度的復(fù)正弦波，然后對處理結(jié)果累積相加。這個過程的數(shù)學(xué)表述為：

由于電離層信道可以在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定，可以認(rèn)為信號s2(τ)在N次探測的過程中保持不變。將式(2)中的y1(τ，n)代入式(3)可以得到：

由式(4)可知，多普勒積累的結(jié)果是將多次探測的信號的能量集中到了頻移為fd的多普勒域上，而多次探測的噪聲能量依然分布在整個多普勒域中。理論上，積累使回波能量增強了20lg(N)?；夭ㄐ盘柦?jīng)過多普勒補償積累后獲取的結(jié)果為散射函數(shù)數(shù)據(jù)[11]，是回波信號在群時延-多普勒域的表現(xiàn)。多普勒補償積累不僅能提高回波信噪比，還能保留多普勒信息，用于推演電離層運動特征和高頻信道的時間散布特性。

1.4 群時延-多普勒域二維積累算法

由于電離層回波由位于不同距離和具有不同運動速度的不均勻體反射，探測雷達(dá)接收到的回波在群時延距離和多普勒域上均有散布。多普勒補償積累后，信號能量并非積累到一點，而是連續(xù)分布在群時延-多普勒域的一片區(qū)域中，即具有區(qū)域連續(xù)散布特性。由于脈間調(diào)相體制會將探測盲區(qū)均勻分散到整個回波域內(nèi)，回波在群時延-多普勒域中的表現(xiàn)形式為：回波散布在群時延-多普勒域的一片區(qū)域中，此區(qū)域中會出現(xiàn)間隔的回波盲區(qū)。這些回波盲區(qū)可借助群時延-多普勒域二維積累算法基于電離層回波的區(qū)域連續(xù)散布特性補償。對于非脈間調(diào)相體制，短波信道的衰落特性會導(dǎo)致回波區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)幅度起伏，其中，弱回波區(qū)可使用此算法實現(xiàn)能量增強。

群時延-多普勒域二維積累算法使用二維加權(quán)函數(shù)處理回波域。此算法是從數(shù)字圖像處理技術(shù)[]的膨脹算法中衍生的[12]。這種積累技術(shù)的數(shù)學(xué)表述如下：

其中：f1(τ，f)為二維加權(quán)函數(shù)； Df1為 f1(τ，f)的定義域。

算法的處理過程為：將二維加權(quán)函數(shù)f1(τ，f)在整個群時延-多普勒域中平移；然后，在每個平移位置使加權(quán)函數(shù)與當(dāng)前定義域內(nèi)的回波值相加，取出其中的最大值，作為二維積累后的結(jié)果，記為y3(τ，f)。在回波去噪后使用此算法處理，位于回波之間的無信號區(qū)在周圍信號的加權(quán)下會填入信號。這種積累算法不僅可彌補回波區(qū)域中的隨機幅度衰落，還可填補脈間調(diào)相體制的固有盲區(qū)，具有很高的實用價值。

電離層回波經(jīng)多種積累算法處理后，回波信噪比將得到很大的提高，有利于回波的自動檢測。通過自動檢測技術(shù)獲取回波位置信息之后，就能實現(xiàn)多普勒信息的自動提取，并實時獲取電離層運動狀態(tài)及高頻信道時間色散特性[13-15]。

2 實測數(shù)據(jù)處理

WISS雷達(dá)組中的各部雷達(dá)均可以獲取回波的幅度和相位信息，可作為上述積累算法的驗證平臺。圖2所示為對WISS雷達(dá)組的實測數(shù)據(jù)使用脈沖壓縮積累算法處理的效果，回波數(shù)據(jù)在 2010-09-06日上午湖北武漢城區(qū)獲取，實驗中采用8階m序列調(diào)相波形，78 μs的子脈沖寬度，并以100 W的峰值功率發(fā)射64組脈沖串，工作頻率為6.2 MHz。圖2(a)所示為從接收機直接獲取的脈沖波形，信號與噪聲能量接近，無法確定是否出現(xiàn)電離層回波。圖2(b)所示為脈沖壓縮積累后的回波數(shù)據(jù)，在400 km左右出現(xiàn)明顯的回波峰，充分展示出脈沖壓縮積累的效果，綜合其他頻點的回波可判定為F層垂測回波。這表明脈沖壓縮積累不僅能提高回波信噪比，也是提取回波群時延距離信息的有用方式，為電離圖的判讀提供基礎(chǔ)信息。圖2(c)所示為脈沖多普勒積累后的回波數(shù)據(jù)，信噪比與子圖(b)的相比有所增強。

圖2 信噪比隨群時延距離的變化Fig.2 Change of SNR with group path

圖3 所示為多普勒積累算法處理的效果，回波數(shù)據(jù)在同一時間同一地點獲取，采用的波形體制與也圖2的相同，工作頻率為11 MHz。武漢城區(qū)的電磁環(huán)境較差，獲取的電離圖中不僅干擾多，底噪也很高。由圖 3(a)無法判讀是否有回波信號存在。圖3(b)中信號與噪聲混雜，脈沖壓縮積累后仍然無法判斷是否有回波出現(xiàn)。圖 3(c)充分展示了多普勒積累的效果，可以在1.2×106m左右看到圖3(b)中無法識別的回波峰，綜合其他頻點信息判定為斜返回波，充分展示了多種積累算法的聯(lián)合應(yīng)用在低功率探測儀中的必要性。這種多普勒積累方法還可獲取回波的多普勒信息，圖 2中回波信號的多普勒頻移為0.48 Hz，當(dāng)時的電離層漂移速度為23.2 m/s。在圖3中回波信號的多普勒頻移為-0.72 Hz，經(jīng)過其他算法處理后可以為短波信道特征診斷提供依據(jù)。

圖4所示為2007-12-25T15:44在海南萬寧郊區(qū)探測的定頻斜向返回的回波數(shù)據(jù)。探測儀工作頻率為11.3 MHz。圖4(a)所示為雙時響應(yīng)圖，是經(jīng)過脈沖壓縮積累算法處理后的回波信噪比隨探測時間和群時延距離變化的二維圖，從圖中的灰度條可知信噪比很低；回波間也存在功率與噪聲基底功率相近的盲區(qū)。圖4(b)所示為多普勒積累算法處理后的散射函數(shù)圖，通過與圖 4(a)的灰度條對比可見，信噪比有了很大的提高，但盲區(qū)依然存在，并將本應(yīng)連續(xù)的回波區(qū)域切成多塊區(qū)域。處理后的回波數(shù)據(jù)已變換到群時延-多普勒域中，可使用群時延-多普勒域二維積累算法。由算法原理可知，回波最大信噪比不會改變，但弱回波會增強。圖 4(c)所示為群時延-多普勒域二維積累后的效果，弱回波能量更強，盲區(qū)也基本消失，更完整的回波區(qū)域覆蓋圖顯現(xiàn)在散射函數(shù)圖中。

圖3 信噪比隨群時延距離的變化Fig.3 Change of SNR with group path

圖4 信噪比隨群時延距離和時間/多普勒的二維變化圖Fig.4 Change of SNR with group path and time/Doppler

WISS雷達(dá)組在2007-12-24T08:53在海南萬寧郊區(qū)獲取了一組斜向返回掃頻回波數(shù)據(jù)，如圖5所示。探測波形為 9階 m序列脈間調(diào)相波形，掃頻范圍為6～11 MHz，掃頻步進(jìn)為0.1 MHz，探測次數(shù)為16次。將各個頻點的數(shù)據(jù)按脈沖重復(fù)周期進(jìn)行幅度積累處理，為非相干積累[16]，信噪比增益較低。圖5(a)所示為對各個頻點的數(shù)據(jù)多普勒積累獲取的，較多的回波顯現(xiàn)出來了，但是，由于盲區(qū)和衰落的影響，覆蓋區(qū)域特征并不明顯。圖5(b)所示為時延-多普勒域二維積累后的效果，補償了盲區(qū)，斜返回波的區(qū)域覆蓋特征得到強化，有利于后期的斜返回波區(qū)域特征提取。

圖5 信噪比隨群時延距離和探測頻率的二維變化圖Fig.5 Change of SNR with group path and operating frequency

實測數(shù)據(jù)的處理效果充分展示了多種積累方式的有用性。以往的電離層探測儀發(fā)射功率大，且由于使用了脈內(nèi)調(diào)相體制或調(diào)頻連續(xù)波體制，存在大范圍的探測盲區(qū)，WISS雷達(dá)組可使用更長的偽隨機碼實現(xiàn)更好的積累效果，充分發(fā)揮脈間調(diào)相體制雷達(dá)的優(yōu)勢。WISS雷達(dá)組的回波具有相位連續(xù)性，可實現(xiàn)有效的多普勒積累?；夭ň鶆蛏⒉嫉拿^(qū)也通過時延-多普勒域二維積累算法得到有效補償。積累算法要求處理前的回波數(shù)據(jù)包含幅度和相位信息，以實現(xiàn)脈沖壓縮和多普勒補償積累的相干累積效果。時延-多普勒域二維積累的非相干積累技術(shù)增強了回波，有利于回波覆蓋區(qū)域的識別，填補可能出現(xiàn)的回波衰落，補償了脈間調(diào)相體制的均勻分布盲區(qū)。多種積累方式在垂直探測、斜向探測和斜向返回探測中均可使用，現(xiàn)已應(yīng)用在WISS雷達(dá)組的信號處理分系統(tǒng)中。

3 結(jié)論

(1) 預(yù)處理能量積累算法是雷達(dá)回波自動檢測和提取回波信息的基礎(chǔ)。本文討論的積累算法組目前在武漢大學(xué)電離層實驗室研發(fā)的所有電離層探測儀中使用，并適用于所有能夠提供回波的幅度和相位信息和相位具有連續(xù)性的雷達(dá)。

(2) 脈沖壓縮積累和多普勒積累 2種相干積累方式均可以顯著提高回波信噪比，回波群時延距離和多普勒信息在積累后分別顯示在雙時響應(yīng)和散射函數(shù)圖中。時延-多普勒域二維積累的非相干積累方式增強了斜返回波的區(qū)域覆蓋特征，補償了脈間調(diào)相編碼體制雷達(dá)的均勻散布盲區(qū)。這些積累算法效果好，易實現(xiàn)易推廣，對雷達(dá)設(shè)備的小型化和便攜化發(fā)展具有實用價值。

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