[发明专利]一种基于星载冰雷达的电离层层析成像方法

权利要求书

1.一种基于星载冰雷达的电离层层析成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)根据冰雷达工作几何和层析成像原理，建立电离层影响的雷达回波频域模型S_r(f_τ)：

其中，f_τ为雷达频谱范围，B为带宽，K_r为距离向调频斜率，R_T和R_R分别为发射信号和接收信号传播距离，c为光速，Δφ_iono(f_τ)为回波中由电离层色散引起的附加相位；

(2)构建包含持续时间的N组参考函数H′(f_τ)，将雷达回波频域模型S_r(f_τ)与N组参考函数分别进行距离向压缩，得到N组脉压结果，根据N组脉压结果中振幅最大值对应的参数进行TEC_R估计，其中，TEC_R为接收路径所受到的电离层大小；

(3)将电离层分割成数个网格，假设每个网格的电子密度值相同，共分割成M个网格，假设冰雷达接收卫星有I颗，那么总射线为I条，第i条射线的TEC_R值表示为：

其中，TEC_{R_i}为第i条射线的TEC_R值，A_ij表示第i条射线在第j个网格的投影长度矩阵，当第i条射线穿过第j个网格时，射线与网格的边必有两个交点，这两个交点的坐标可根据射线和边的几何表达式求得，根据两个交点坐标计算的两点之间距离就是第i条射线在第j个网格的投影长度，即A_ij；

(4)利用IRI模型构建第j个网格的电子密度的初始值N_ej⁰，再利用乘法代数重建算法进行迭代，设经过K次迭代，最终求得冰雷达探测区域的空间电离层电子密度分布N_ej^K,具体的:利用IRI模型构建第j个网格的电子密度的初始值N_ej⁰，再利用乘法代数重建算法进行迭代，设迭代次数为K，迭代公式为：

上式N_ej^k+1代表的是在第j个网格，电子密度为N_e的第k+1次迭代结果，其中，TEC_{R_i}为第i条射线所反演的TEC_R值，·表示内积，||·||表示范数，A_i表示A_ij第i行所有值，N_e^k表示所有网格第k次迭代的电子密度分布情况，λ_k为迭代松弛因子，取值范围为0≤λ_k≤1，经过K次迭代，最终求得冰雷达探测区域的空间电离层电子密度分布N_ej^K。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据冰雷达工作几何和层析成像原理，建立电离层影响的雷达回波频域模型，包括：

根据冰雷达工作几何和层析成像原理，建立电离层影响的雷达回波频域模型S_r(f_τ)：

其中，f_τ为雷达频谱范围，B为带宽，K_r为距离向调频斜率，R_T和R_R分别为发射信号和接收信号传播距离，c为光速，Δφ_iono(f_τ)为回波中由电离层色散引起的附加相位；

其中，A为常数，f₀为中心载频，TEC_T和TEC_R分别为发射和接收路径所受到的电离层大小，TEC_T＝TEC_R·cosφ，其中φ为接收路径与垂直方向夹角；

t_p为频率f_τ+f₀的回波相速度：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述构建包含持续时间的N组参考函数H′(f_τ)，将雷达回波频域模型S_r(f_τ)与N组参考函数分别进行距离向压缩，得到N组脉压结果，根据N组脉压结果中振幅最大值对应的参数进行TEC_R估计，包括：

其中，N为迭代次数，设置N为1000，T_t+n·ΔT代表第n组参考函数的持续时间，其中，T_t表示没有电离层色散影响的回波持续时间，ΔT表示每次迭代步长，将雷达回波频域模型S_r(f_τ)与N组参考函数分别进行距离向压缩，得到N组脉压结果RC(T_t+n·ΔT)＝S_r(f_τ)·H′(f_τ)，搜索RC(T_t+n·ΔT)的振幅最大值对应的n值n_max，就可以求得回波的展宽量为ΔT_mat＝ΔT_iono＝n_max·ΔT，那么TEC_R估计值为：

其中，f_start＝f₀-B/2和f_stop＝f₀+B/2分别为起始频率和截止频率，A为常数，f₀为中心载频。