專利名稱：一種頂層電離層探測星載mimo雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于頂層電離層探測星載MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)雷達(dá)系統(tǒng)，屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電離層是地球空間環(huán)境的重要組成部分之一，其高度約從地面上60公里延伸到 1000公里。電離層會(huì)對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干擾，對(duì)衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位和微波遙 感等空間信息系統(tǒng)造成很大影響，因此探測電離層的結(jié)構(gòu)有利于改善上述空間信息系統(tǒng)的 信息獲取與應(yīng)用的質(zhì)量。此外，通過探測電離層物理參數(shù)(電子密度等)的變化，可以對(duì)地 震、海嘯等自然災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。臺(tái)灣學(xué)者利用相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)針對(duì)近10年來臺(tái)灣地區(qū)震級(jí)為 5級(jí)以上的地震進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)地震前高空電離層會(huì)出現(xiàn)電子密度下降的現(xiàn)象。因此，電 離層探測對(duì)于科學(xué)研究和災(zāi)害預(yù)警都具有重要的意義。電離層的垂直結(jié)構(gòu)按電子密度分為D、E、FU F2層，其中F2層的電子密度最大。 通常，根據(jù)電子密度的分布又將電離層分為底層電離層和頂層電離層。底層電離層是指F2 層以下到電離層底的區(qū)域；頂層電離層是指F2層以上到電離層頂?shù)膮^(qū)域，約海拔200公里 到1000公里。同樣，電離層探測也分為底層探測和頂層探測兩類。底層探測是利用地面探 測設(shè)備對(duì)底層電離層進(jìn)行觀測。頂層探測指的是利用衛(wèi)星等航天飛行器平臺(tái)搭載電離層探 測載荷對(duì)頂層電離層進(jìn)行觀測。星載電離層探測器主要用于探測頂層電離層。早期電離 層探測為底層探測。隨著運(yùn)載火箭和人造衛(wèi)星的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，使得人們能夠?qū)崿F(xiàn)利用 星載探測設(shè)備從太空對(duì)頂層電離層進(jìn)行探測。1962年，第一顆電離層探測衛(wèi)星Alouette-I 發(fā)射升空，獲取了第一批頂層電離層的電離圖。它的工作模式和地面探測相同，采用頻率 掃描的方式來測量電離層垂直電子密度的一維分布，即每個(gè)脈沖周期內(nèi)發(fā)射一個(gè)單頻脈沖 信號(hào)，不同脈沖周期發(fā)射不同頻率的脈沖信號(hào)，不同頻率的信號(hào)會(huì)在電離層不同高度處發(fā) 生反射，在一個(gè)掃頻周期里測量每個(gè)頻率回波信號(hào)的延遲時(shí)間，得到電子密度在高度向的 一維分布(隨虛高的變化)；之后，又出現(xiàn)了美國的ISIS(International Satellites for IonosphericStudies)-I&II,日本的 ISS (Ionosphere Sounding Satellite)-I 等電離層探 測衛(wèi)星，它們和Alouette-I的工作模式相同，并且發(fā)射功率大。20世紀(jì)90年代以后，隨著 大規(guī)模集成電路、高性能計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使得星載電離層探測器向小型化、 智能化的方向發(fā)展。這一時(shí)期出現(xiàn)的電離層探測衛(wèi)星有很大改進(jìn)，主要體現(xiàn)在采用小衛(wèi)星 技術(shù)，降低了發(fā)射成本；發(fā)射脈沖采用線性調(diào)頻信號(hào)或脈沖編碼信號(hào)，提高了信噪比，從而 降低了發(fā)射功率。典型代表有美國國家航空航天局(NASA) 2000年發(fā)射的磁層探測IMAGE 衛(wèi)星和烏克蘭2001年發(fā)射的頂層電離層探測WARNING衛(wèi)星，它們分別搭載了 RPI (Radio Plasma Imager)禾口 TOPADS (TOPside Automated Doppler Sounder)兩種先進(jìn)的電離層探測 雷達(dá)。RPI主要獲取磁層的電子密度圖，其高度方向的分辨率(距離分辨率)為480公里， 而TOPADS主要獲取頂層電離層的電子密度圖，其高度方向的分辨率為5公里。但是，它們 的工作模式仍為傳統(tǒng)的掃頻工作模式。這種掃頻模式的掃頻周期較長，導(dǎo)致幾乎沒有方位向(沿衛(wèi)星飛行方向)上電子密度的分辨能力，例如T0PADS的掃頻周期為10秒，它的方位 分辨率低達(dá)75公里。

近年來，隨著多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的研究，人們將MIMO思想擴(kuò)展到 了雷達(dá)體制設(shè)計(jì)與雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，提出了 MIMO雷達(dá)的概念，它的工作模式是通過多 個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射多種波形信號(hào)并通過多個(gè)接收天線接收回波信號(hào)。它可利用信號(hào) 間的正交性來恢復(fù)各個(gè)波形信號(hào)，常用的信號(hào)有相位編碼信號(hào)等。完全互補(bǔ)序列(CC-S， completecomplementary sequence)作為一種相位編碼信號(hào)，能夠保證信號(hào)間的完全正交 性及高處理增益，近年來開始用于MIMO雷達(dá)研究。利用MIMO雷達(dá)信號(hào)多發(fā)多收的優(yōu)勢，可 將MIMO雷達(dá)用于電離層探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了突破傳統(tǒng)電離層探測中掃頻工作模式的限制，提高方位分辨 率，提出一種用于頂層電離層探測的MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由N個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射多個(gè) 不同頻率的不同相位編碼脈沖信號(hào)，由N個(gè)接收天線接收回波信號(hào)。此系統(tǒng)能夠大大提高 方位分辨率，得到二維電離圖(電子密度在高度向和方位向的分布)。一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，包括完全互補(bǔ)序列生成器、脈沖周期延 遲器、調(diào)制器、發(fā)射天線、接收天線、解調(diào)器、脈沖壓縮系統(tǒng)和電子密度分布生成系統(tǒng)；完全互補(bǔ)序列生成器每隔一個(gè)序列對(duì)的脈沖重復(fù)周期Τ_，同時(shí)生成N對(duì)完全互 補(bǔ)序列(Ai5BJ, i = 1,…，N, Ai序列、Bi序列具體為
權(quán)利要求
1.一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，包括完全互補(bǔ)序列生成器、 脈沖周期延遲器、調(diào)制器、發(fā)射天線、接收天線、解調(diào)器、脈沖壓縮系統(tǒng)和電子密度分布生成 系統(tǒng)；完全互補(bǔ)序列生成器每隔一個(gè)序列對(duì)的脈沖重復(fù)周期Tprf，同時(shí)生成N對(duì)完全互補(bǔ)序 列(Ai5BJ, i = 1,…，N，Ai序列、Bi序列具體為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，完全 互補(bǔ)序列生成器生成N對(duì)完全互補(bǔ)序列，其中N的取值由式O)限定
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的Ai序列、Bi序列具有高處理增益并且滿足完全正交性，如式(3)和式(4)所示；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的解調(diào)器包括混頻器和低通濾波器，混頻器對(duì)接收天線通道的信號(hào)進(jìn)行混頻，低通濾波器對(duì)混頻后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的脈沖壓縮系統(tǒng)包括匹配濾波器和求和器，匹配濾波器對(duì)解調(diào)器解調(diào)出的互補(bǔ)的兩個(gè)信號(hào) 進(jìn)行匹配濾波，求和器再進(jìn)行疊加。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的二維電離圖的方位分辨率為Vs · Tprf，Vs表示衛(wèi)星速度大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頂層電離層探測星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，包括完全互補(bǔ)序列生成器、脈沖周期延遲器、調(diào)制器、發(fā)射天線、接收天線、解調(diào)器、脈沖壓縮系統(tǒng)和電子密度分布生成系統(tǒng)；完全互補(bǔ)序列生成器同時(shí)生成N對(duì)互補(bǔ)序列，脈沖周期延遲器使兩個(gè)互補(bǔ)的序列交替輸入至調(diào)制器，N對(duì)信號(hào)分別進(jìn)行N個(gè)載頻的調(diào)制，由N個(gè)發(fā)射天線發(fā)射出去，回波信號(hào)由N個(gè)接收天線接收，解調(diào)器解調(diào)出N個(gè)載頻上的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮后送入電子密度分布生成系統(tǒng)，生成二維電離圖。本發(fā)明的星載MIMO雷達(dá)系統(tǒng)用于頂層電離層探測，與現(xiàn)有的電離層探測器相比，具有超高的方位分辨率，可生成二維電離圖；與現(xiàn)有的電離層探測器相比，有很高的工作效率。
文檔編號(hào)G01S13/02GK102073041SQ201010539079
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者周健, 李卓, 李春升, 陳杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)