多站非相干散射雷达信号提取方法、系统、装置

摘要

本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种多站非相干散射雷达信号提取方法、系统、装置，旨在解决波束交叉散射体积时刻变化导致散射信号难以计算和提取的问题。本系统方法包括：计算发射站、各接收站的栅格天线阵列的方向图；对各接收站的栅格天线阵列，若其与发射站的栅格天线阵列位于同一基地，则通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，否则获取在发射波束方向的散射体积的高度；计算散射体积；将散射体积并与发射站、接收站栅格天线阵列的方向图进行积分，并结合发射站发射机的功率，计算各接收站栅格阵列接收的散射信号；循环获取各接收站的栅格天线阵列接收的散射信号。本发明解决了散射信号难以计算和提取的问题。

权利要求

1.一种多站非相干散射雷达信号提取方法，应用于一发多收的相控阵非相干散射雷达系统，其特征在于，该方法包括：步骤S100，对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列；

步骤S200，对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转步骤S600，否则跳转步骤S300；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度；

步骤S300，基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度；

其中，所述散射体积为有效的散射体积，其在发射波束方向的高度的获取方法为：

其中，ΔR表示在发射波束方向的散射体积的高度，c表示光速，τ表示脉冲宽度，β表示发射波束与接收波束夹角；

步骤S400，根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积；

步骤S500，将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号；

步骤S600，循环执行步骤S200-步骤S500，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

2.根据权利要求1所述的多站非相干散射雷达信号提取方法，其特征在于，若所述第一阵列、各第二阵列为三角栅格天线阵列，则将三角栅格天线阵列划分成矩阵栅格天线阵列；

基于划分后的各矩阵栅格天线阵列的纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算各矩阵栅格天线阵列对应的辐射电场强度；

将各矩阵栅格天线阵列对应的辐射电场强度进行相加，得到第一阵列、各第二阵列的辐射电场强度。

3.根据权利要求1所述的多站非相干散射雷达信号提取方法，其特征在于，步骤S100中“结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图”，其方法为：其中，f表示方向图，θ为散射点的俯仰角, 为散射点的方位角，M、N表示第一阵列或第二阵列的横向、纵向的天线单元数，θ1为波束中心线的俯仰角, 为波束中心线的方位角，k表示波矢，dx、dy表示纵向、横向栅格间距。

4.根据权利要求3所述的多站非相干散射雷达信号提取方法，其特征在于，步骤S400中“根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积”，其方法为：其中，V表示散射体积，r1表示第一阵列到散射体元的距离，Θ表示俯仰面波束宽度，ψ表示垂直于俯仰面波束宽度。

5.根据权利要求4所述的多站非相干散射雷达信号提取方法，其特征在于，步骤S500中“计算得到第二阵列接收的散射信号”，其方法为：其中，Pr表示第二阵列接收的散射信号，Pt表示发射站发射机的功率，λ表示发射波长，σ表示非磁化等离子体的雷达散射截面，η1、η2表示发射站发射机、接收站接收机的天线效率，r2表示第二阵列达到散射体元的距离，Θ1、Θ2表示第一阵列、第二阵列的俯仰面波束宽度，ψ1、ψ2表示第一阵列、第二阵列的垂直于俯仰面波束宽度，Ne表示电子密度，f1、f2表示第一阵列、第二阵列的方向图。

6.根据权利要求5所述的多站非相干散射雷达信号提取方法，其特征在于，若所述第一阵列与所述第二阵列不位于同一基地，则所述第二阵列的散射信号其对应的信噪比的计算方法为：PN＝KBTNB

其中，SNRbs表示第二阵列的散射信号的信噪比，KB表示玻尔兹曼常数，TN为系统噪声温度，B为接收站接收器工作带宽。

7.一种多站非相干散射雷达信号提取系统，其特征在于，该系统包括：方向图获取模块、判断模块、高度获取模块、散射体积获取模块、散射信号获取模块、循环模块；

所述方向图获取模块，配置为对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列；

所述判断模块，配合为对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转循环模块，否则跳转高度获取模块；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度；

所述高度获取模块，配置为基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度；

其中，所述散射体积为有效的散射体积，其在发射波束方向的高度的获取方法为：

其中，ΔR表示在发射波束方向的散射体积的高度，c表示光速，τ表示脉冲宽度，β表示发射波束与接收波束夹角；

所述散射体积获取模块，配置为根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积；

所述散射信号获取模块，配置为将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号；

所述循环模块，配置为循环执行判断模块-散射信号获取模块，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

8.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序应用由处理器加载并执行以实现权利要求1-6任一项所述的多站非相干散射雷达信号提取方法。

9.一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；其特征在于，所述程序适用于由处理器加载并执行以实现权利要求1-6任一项所述的多站非相干散射雷达信号提取方法。

说明书

多站非相干散射雷达信号提取方法、系统、装置

技术领域

[0001] 本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种多站非相干散射雷达信号提取方法、系统、装置。

背景技术

[0002] 电离层是地球上空五、六十公里到一、两千公里高度范围的部分电离等离子体区域，是日地空间环境中与人类活动最为密切的关键层次，对无线电通讯、卫星导航和定位、载人航天等具有重要影响。在所有的电离层探测手段中，非相干散射雷达是迄今为止最为强大的探测手段，其具有探测功能强、参量多(多种场和粒子成分)、精度高、分辨率好、高度范围覆盖大等众多优点。

[0003] 随着雷达技术的发展，相控阵天线以其大范围快速扫描，精细扫描，灵活可控以及长时间连续观测等优点进入人们的视野，非相干散射雷达开始使用相控阵天线来代替传统的抛物面天线，21世纪，美国进行了一次技术革新，提出了新式的模块化的有源相控阵雷达项目Advanced Modular Incoherent Scatter Radar(AMISR)，通过软件控制雷达波束从而可以在微秒量级内快速切换波束方向，大大改善了传统抛物面雷达机械转动改变波束方向导致产生时间模糊的问题(可参考文献：Valentic T.,Buonocore J.,Cousins M.,Heinselman C.,Jorgensen J.&Kelly J.et al,“AMISR the advanced modular incoherent scatter radar,”IEEE International Symposium on Phased Array Systems&Technology,Waltham,MA,USA,pp.659-663,2013,DOI:10.1109/ARRAY.2013.6731908)。基于该技术EISCAT提出了EISCAT_3D项目，计划建设成为一发多收的雷达系统，其可以实现高时空分辨率，体积成像，孔径成像等(可参考文献：McCrea I.,Aikio A.,et al,“The science case for the EISCAT_3D radar,”Progress in Earth and Planetary Science,vol.2,no.1,pp.1-63,Feb 2015,DOI:10.1186/s40645-015-
0051-8)。与此同时，在中国的海南，三站式高功率相控阵非相干散射雷达正在建设中，由海南的三亚站发射，三亚，富克和琼山三个站进行接收。海南1发3收式的多站相控阵非相干散射雷达其能对电离层漂移速度进行矢量测量，提供多层次、多参量、高精度的电离层参数，其将成为首个低纬地区一发三收的多站相控阵非相干散射雷达。

[0004] 欧洲和美国的非相干散射雷达技术相对领先，欧洲现有的三站非相干散射雷达采用抛物面天线，其机械转动耗费时间长，无法保证测量数据在测量期间保持不变，因此会导致测量的数据时效性差，时间模糊等问题；美国现有的相控阵非相干散射雷达天线，具有相控阵测量的优点，但是由于是单发单收，无法测量电离层矢量的信息，获取的电离层信息不够全面，无法对电离层进行更多维度的探测与分析。

[0005] 中国海南三站式高功率相控阵非相干散射雷达可以解决上述的问题，既可以实现对电离层漂移速度进行矢量测量，提供多层次、多参量、高精度的电离层参数，又兼具相控阵扫描的优势，可以实现微秒量级内快速扫描，保证了测量数据的时效性，同时还可以进行快速大范围扫描，实现全天空探测。对于抛物面天线，其在方位角和俯仰角上进行机械扫描时，其波束宽度和天线增益保持不变，而对于相控阵天线，其在方位角和俯仰角上进行电扫描时，波束宽度和天线增益随波束扫描而变化，也就是随着方位角和俯仰角的变化而不断变化，其加大了计算多站相控阵非相干散射雷达的散射体积，接收功率以及信噪比的难度，因此本发明提出了一种多站非相干散射雷达信号提取方法。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决多站相控阵非相干散射雷达波束交叉散射体积时刻变化导致散射信号难以计算和提取的问题，本发明第一方面，提出了一种多站非相干散射雷达信号提取方法，应用于一发多收的相控阵非相干散射雷达系统，该方法包括：

[0007] 步骤S100，对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列；

[0008] 步骤S200，对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转步骤S600，否则跳转步骤S300；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度；

[0009] 步骤S300，基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度；

[0010] 步骤S400，根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积；

[0011] 步骤S500，将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号；

[0012] 步骤S600，循环执行步骤S200-步骤S500，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

[0013] 在一些优选的实施方式中，若所述第一阵列、各第二阵列为三角栅格天线阵列，则将三角栅格天线阵列划分成矩阵栅格天线阵列；

[0014] 基于划分后的各矩阵栅格天线阵列的纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算各矩阵栅格天线阵列对应的辐射电场强度；

[0015] 将各矩阵栅格天线阵列对应的辐射电场强度进行相加，得到第一阵列、各第二阵列的辐射电场强度。

[0016] 在一些优选的实施方式中，步骤S100中“结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图”，其方法为：

[0017]

[0018]

[0019]

[0020] 其中，f表示方向图，θ为散射点的俯仰角, 为散射点的方位角，M、N表示第一阵列、第二阵列的天线单元数，θ1为波束中心线的俯仰角, 为波束中心线的方位角，k表示波矢，dx、dy表示纵向、横向栅格间距。

[0021] 在一些优选的实施方式中，所述散射体积为有效的散射体积，其在发射波束方向的高度的获取方法为：

[0022]

[0023] 其中，ΔR表示在发射波束方向的散射体积的高度，c表示光速，τ表示脉冲宽度，β表示发射波束与接收波束夹角。

[0024] 在一些优选的实施方式中，步骤S400中“根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积”，其方法为：

[0025]

[0026] 其中，V表示散射体积，r1表示第一阵列到散射体元的距离，Θ表示俯仰面波束宽度，ψ表示垂直于俯仰面波束宽度。

[0027] 在一些优选的实施方式中，步骤S500中“计算得到第二阵列接收的散射信号”，其方法为：

[0028]

[0029] 其中，Pr表示第二阵列的散射信号，Pt表示发射站发射机的功率，λ表示发射波长，σ表示非磁化等离子体的雷达散射截面，η1、η2表示发射站发射机、接收站接收机的天线效率，r2表示第二阵列达到散射体元的距离，Θ1、Θ2表示第一阵列、第二阵列的俯仰面波束宽度，ψ1、ψ2表示第一阵列、第二阵列的垂直于俯仰面波束宽度，Ne表示电子密度，f1、f2表示第一阵列、第二阵列的方向图。

[0030] 在一些优选的实施方式中，若所述第一阵列与所述第二阵列不位于同一基地，则所述第二阵列的散射信号其对应的信噪比的计算方法为:

[0031]

[0032] PN＝KBTNB

[0033] 其中，SNRbs表示第二阵列的散射信号的信噪比，KB表示玻尔兹曼常数，TN为系统噪声温度，B为接收站接收器工作带宽。

[0034] 本发明的第二方面，提出了一种多站非相干散射雷达信号提取系统，该系统包括方向图获取模块、判断模块、高度获取模块、散射体积获取模块、散射信号获取模块、循环模块；

[0035] 所述方向图获取模块，配置为对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列；

[0036] 所述判断模块，配合为对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转循环模块，否则跳转高度获取模块；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度；

[0037] 所述高度获取模块，配置为基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度；

[0038] 所述散射体积获取模块，配置为根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积；

[0039] 所述散射信号获取模块，配置为将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号；

[0040] 所述循环模块，配置为循环执行判断模块-散射信号获取模块，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

[0041] 本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序应用由处理器加载并执行以实现上述的多站非相干散射雷达信号提取方法。

[0042] 本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适用于执行各条程序；存储装置，适用于存储多条程序；所述程序适用于由处理器加载并执行以实现上述的多站非相干散射雷达信号提取方法。

[0043] 本发明的有益效果：

[0044] (1)本发明解决了多站相控阵非相干散射雷达波束交叉散射体积时刻变化导致散射信号难以计算和提取的问题。本发明将多站相控阵非相干散射雷达分为单站的非相干散雷达(发射站、接收站位于同一基地)、双站的非相干散雷达(发射站、接收站不位于同一基地)。对于单站，则基于单站相控阵雷达散射信号获取方法获取接收站的栅格天线阵列接收的散射信号；双站，则分析脉冲宽度、波束宽度对散射体积影响，从而计算双站雷达的有效散射体积。将有效散射体积与发射站、接收站栅格天线阵列的方向图进行积分，根据积分结果，结合发射站发射机的功率，从而得到接收站的栅格天线阵列接收的散射信号，即回波功率。实现了相控阵与多站非相干散射雷达结合，具有测量参数多、覆盖空间范围广、时空分辨率高等突出优点。

[0045] (2)利用本发明可以获得同一散射体积的多方向回波信息，这意味着可以通过测量多方向离子视线漂移速度从而获得离子漂移速度的完整矢量。提供测量等离子体速度的多个矢量的能力，可使研究人员得到等离子体速度场的瞬时经纬度结构。此外，研究速度场随高度的变化，将有助于揭示热层底层的结构。特别是将这些雷达系统与其他仪器的数据相集合，可构建出专门用于研究中性大气的数据库。

[0046] (3)采用相控阵扫描技术，结合多基站技术，就能进行多波束同步探测，瞬间提供全空间覆盖，可以在短时间内对离子漂移速度矢量在全天空进行三维成像。其还可以高精度地直接探测几乎整个电离层高度上的等离子体密度、成分、温度、漂移速度，还能间接探测背景中性大气的温度、风场、电场等，研究大气层-电离层-磁层系统能量和质量输运以及太阳风-磁层相互作用效应。雷达采用单波束时，就很难对空间碎片连续观测以获得很好的统计数据。采用快速大范围扫描，可以建立流星与空间碎片更全面的数据库，提高速度和位置信息。

[0047] (4)多站非相干散射雷达探测极大的推动雷达所处区域的地区的大气层/电离层/热层耦合研究，并在短波通信、卫星通信与导航等方面具有重要应用前景。利用多站非相干散射雷达对电离层电子密度的实时监测，通过发展电离层现报模式，用于我国北斗系统等卫星定位导航的电波传播修正，提高相关应用的服务精度与质量。

附图说明

[0048] 通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。

[0049] 图1是本发明一种实施例的多站非相干散射雷达信号提取方法的流程示意图；

[0050] 图2是本发明一种实施例的多站非相干散射雷达信号提取系统的框架示意图；

[0051] 图3是本发明一种实施例的三角栅格天线划分成矩阵栅格天线阵列的效果示意图；

[0052] 图4是本发明一种实施例的基于脉冲宽度获取的散射体积的示意图；

[0053] 图5是本发明一种实施例的基于波束宽度获取的散射体积的示意图；

[0054] 图6是本发明一种实施例的单站300KM高度不同脉冲宽度获取的散射信号的信噪比的分布示意图；

[0055] 图7是本发明一种实施例的双站300KM高度不同脉冲宽度获取的散射信号的信噪比的分布示意图。

具体实施方式

[0056] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0057] 下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

[0058] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0059] 本发明的多站非相干散射雷达信号提取方法，应用于一发多收的相控阵非相干散射雷达系统，如图1所示，包括以下步骤：

[0060] 步骤S100，对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列；

[0061] 步骤S200，对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转步骤S600，否则跳转步骤S300；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度；

[0062] 步骤S300，基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度；

[0063] 步骤S400，根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积；

[0064] 步骤S500，将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号；

[0065] 步骤S600，循环执行步骤S200-步骤S500，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

[0066] 为了更清晰地对本发明多站非相干散射雷达信号提取方法进行说明，下面结合附图对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。

[0067] 步骤S100，对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列。

[0068] 在本实施例中，一发多收的相控阵非相干散射雷达系统即一个发射站、多个接收站构建的相控阵非相干散射雷达系统，如海南三站式高功率相控阵非相干散射雷达系统。海南三站式相控阵非相干散射雷达的三亚发射站天线是由8320个天线单元组成，其横向有
104个天线单元，纵向有80个天线单元，天线单元在结构子阵面的反射面板外侧呈三角形排列，横向间距为500mm，纵向间距为380mm，阵面辐射单元采用三角形排列，方位错开。阵面最大口径为40.5米×39.52米。富克和琼山两个接收站是由4096个天线单元组成，其横向有64个天线单元，纵向有64个天线单元，横向间距为500mm，纵向间距为380mm，其面积为32.5m×
24.32m。由于三亚非相干散射雷达系统天线阵面(阵列)设计成三角栅格形式，需要从矩阵栅格阵面进行推导，得到三角栅格形式的天线阵面表达式，即将三角栅格阵面分成两个矩阵栅格阵面，分别求解两个矩阵栅格的辐射电场，再相加就得到三角栅格阵面的辐射电场，进一步可以得到三角栅格阵面的方向图函数表达式。具体如下：

[0069] 如图3所示，发射站和接收站都为图所示的三角栅格相控阵(天线阵列)，将三角栅格阵面分成两个矩阵栅格阵面，即图3中三角形组成的矩阵栅格阵面和正方形组成的矩阵栅格阵面，分别求解两个矩阵栅格的辐射电场强度，再相加就得到三角栅格阵面的辐射电场强度。可参考文献：Balanis,C.A.(2005),Antenna Theory:Analysis and Design,Wiley-Interscience,Hoboken,N.J。

[0070] 其中，各矩阵栅格阵面的辐射电场强度其计算方法如公式(1)(2)所示：

[0071]

[0072]

[0073] 其中，E1、E2表示矩阵栅格天线阵列的辐射电场强度，M/2表示横向天线单元数，2dx为横向间距，因为分成两个矩阵栅格阵面，所以两个矩阵栅格阵面的横向天线数减半，横向间距增加一倍，N表示纵向天线单元数，dy为纵向间距，k＝2π/λ，表示波矢，λ为发射波长，m表示从1到M/2的不同数值，n表示从1到N的不同数值，θ表示散射点的俯仰角, 表示散射点的方位角，j表示虚部。

[0074] 用E1表示E2，如公式(3)(4)(5)所示：

[0075]

[0076]

[0077]

[0078]

[0079] 其中，θ1为发射波束中心线俯仰角， 为发射波束中心线方位角。

[0080] 两个矩阵栅格的辐射电场强度之和E，如公式(6)所示：

[0081]

[0082]

[0083] 在其他实施例中，若一发多收的相控阵非相干散射雷达系统其天线单元在结构子阵面的反射面板外侧不呈三角栅格排列，则直接基于横向、纵向的栅格间距，计算辐射电场强度，此处不再展开描述。

[0084] 通过辐射电场强度可以求得三角栅格天线阵列的方向图f，如公式(7)所示：

[0085]

[0086] 根据上文可以知道三亚发射站的天线单元数M1＝104，N1＝80，间距dx＝0.38，dy＝0.5，富克、琼山接收站的天线单元M2＝64，N2＝64，间距dx＝0.38，dy＝0.5。因此，发射站、接收站栅格天线阵列的方向图如公式(8)(9)所示：

[0087]

[0088]

[0089] 其中，f1表示发射站栅格天线阵列的方向图，f2表示接收站栅格天线阵列的方向图。

[0090] 步骤S200，对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转步骤S600，否则跳转步骤S300；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度。

[0091] 在本实施例中，判断第一阵列、第二阵列属于单站雷达(即位于同一基地)还是双站雷达，若为单站雷达，则基于单站相控阵雷达散射信号获取方法直接获取第二阵列接收的散射信号，若为双站雷达，则先计算有效散射体积。

[0092] 非相干散射雷达接收到的散射信号Ps如公式(10)所示：

[0093]

[0094] 其中，Pt为雷达发射峰值功率，r1表示发射站达到散射体元的距离，r2为接收站的接收机到散射体元的距离，G1为发射天线增益，G2接收天线增益，λ为发射波长，σ表示单个电子的散射截面，Ne为电子密度，V表示散射体元，dV表示单位散射体元，这里忽略传输线损失项。其中,σ是非磁化等离子体的雷达散射截面，如公式(11)所示：

[0095]

[0096] 其中，σe是电子的雷达散射截面，α＝4πD/λ，D是等离子体德拜长度，该参数取决于雷达所在地区的电离层特性，同时也受到季节变化的影响， 是电子离子的温度比。

[0097] 相控阵天线增益G表示如公式(12)所示：

[0098]

[0099] 其中，Ae为天线有效面积，Ω为立体角，η为天线效率，Θ为俯仰面波束宽度，ψ为垂直于俯仰面波束宽度，f为天线阵列的方向图，r表示天线到散射点的距离，根据增益公式，最大增益方向的增益等于 但是由于波束扫描增益会发生变化，所以需要乘以归一化功率方向图函数f，同时还要乘以天线的效率η。根据天线波束范围Ω定义，可以表示出Ω＝s/r2＝(π·r·Θ·r·ψ)/(4·r2)。

[0100] 因此，在一发多收的相控阵非相干散射雷达系统中，单站相控阵雷达的散射信号Pms的计算如公式(13)所示：

[0101]

[0102] 具体推导过程可参考文献：Murdin J.,“SNR for the EISCAT UHF system,”Kiruna Geophysical Institute Report.78:1,1978以及文献：J.Swoboda,J.Semeter&P.Erickson,“Space-time ambiguity functions for electronically scanned ISR applications,”Radio Science,vol.50,pp.415-430,May.2015,DOI:10.1002/2014RS005620。

[0103] 非相干散射雷达的接收机噪声功率PN定义为：PN＝KBTNB，其中，KB表示玻尔兹曼常数，TN为系统噪声温度，B为接收站接收器工作带宽。

[0104] 单站相控阵雷达接收的散射信号的信噪比SNRms，计算如公式(14)所示：

[0105]

[0106] 俯仰面波束宽度Θ其计算方法如下公式所示:

[0107]

[0108]

[0109]

[0110]

[0111]

[0112]

[0113]

[0114] 其中，βx表示x方向阵内相位差，βy表示y方向阵内相位差。

[0115] 垂直于俯仰面的波束宽度ψ，其计算方法如公式(22)所示：

[0116]

[0117] 使用上述公式可以得到发射站和接收站栅格天线阵列的波束宽度，波束宽度与中心波束的方位角和俯仰角有关，根据公式可以得到不同的方位角和俯仰角所对应的波束宽度，根据公式可以知道，阵面法线方向的波束宽度最窄。

[0118] 根据散射点的位置可以得到发射波束的方位角和俯仰角和接收波束的方位角和俯仰角，根据几何关系，进一步得到以发射波束方位角、俯仰角以及发射距离为变量的接收波束方位角、俯仰角的表达式，如公式(23)(24)(25)(26)(27)所示：

[0119]

[0120]

[0121]

[0122]

[0123]

[0124] 其中，L表示发射站与接收站的距离， 表示接收站相对于发射站的方位角，θ2表示接收波束中心线俯仰角， 表示接收波束中心线方位角。

[0125] 步骤S300，基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度。

[0126] 在本实施例中，在计算有效散射体积中，有两种情况，一种是脉冲宽度决定的散射体积，另外一种是波束宽度决定的散射体积。

[0127] 首先计算脉冲宽度决定的散射体积，也就是两个波束交叉所得到的散射体积并不是真正的散射体积，其中的一部分为真正的有效散射体积，这部分主要受到脉冲宽度的影响，其有效散射体积的底面积是由发射波束决定的，有效散射体积的高是由脉冲宽度决定的，两者共同作用构成了散射体积，如图4所示。其中黑色面积区域为有效散射体积，而红色区域是两个波束(Transmitting beam：发射光束、Receiving beam：接收光束)交叉区域，可以看到有效散射体积小于波束交叉区域。图4中其余部分在下文中解释。

[0128] 根据双站雷达(发射站、接收站不位于同一基地)关系，在以发射站和接收站为焦点的椭圆上，发射站到目标的距离和目标到接收站的距离之和为一个定值，利用几何关系可以得到在发射波束与接收波束的角平分线方向上的高度(可参考文献：S.Satoh and J.Wurman,“Accuracy of Wind Fields Observed by a Bistatic Doppler Radar Network,”Journal of Atmospheric&Oceanic Technology,vol.20,pp.1077-1091,Aug.2003)，如公式(28)所示：

[0129]

[0130] 其中，h表示在发射波束与接收波束的角平分线方向上的高度，c表示光速，τ表示脉冲宽度，β表示发射波束与各接收波束夹角。

[0131] 基于发射波束与各接收波束在角平分线上的高度，计算在发射波束方向的散射体积的高度，如公式(29)所示：

[0132]

[0133] 其中，ΔR在发射波束方向的散射体积的高度。

[0134] 然后计算波束宽度决定的散射体积，也就是当脉冲宽度足够大，超出两个波束交叉所覆盖的范围，此时，散射体积由两个波束交叉范围来决定。如图5所示：图5中阴影部分为散射体积，图5中表示为平面图形，波束宽度决定的散射体积和脉冲宽度决定的散射体积的底面积相同，都是由发射波束决定的。波束宽度决定的散射体积和脉冲宽度决定的散射体积的高获取方法一致，此处不再展开描述。

[0135] 步骤S400，根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积。

[0136] 在本实施例中，散射体积的底面积由发射波束俯仰面波束宽度和垂直于俯仰面波束宽度组成的椭圆构成。基于获取的底面积与在发射波束方向的散射体积的高度进行相乘，得到散射体积，即有效散射体积，如公式(30)所示：

[0137]

[0138] 其中，V表示散射体积，r1表示第一阵列到散射体元的距离。

[0139] 步骤S500，将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号。

[0140] 在本实施例中，将第二阵列对应的散射体积与第二阵列的方向图、所述第一阵列的方向图进行积分运算，如公式(31)(32)所示：

[0141]

[0142]

[0143] 根据角度定义确定积分范围，如式(33)(34)(35)所示：

[0144]

[0145]

[0146]

[0147] 而波束宽度决定的散射体积，由于散射体积是和方向图函数一起积分计算来得到不同情况下的有效散射体积，使用积分方法计算散射体积时，两种散射体积都可以使用脉冲宽度决定的散射体积公式进行计算，因为积分公式中天线方向图函数f在波束接收范围外为0，所以即使脉冲宽度足够大，超出波束交叉覆盖的范围，但是由于波束覆盖不到的地方方向图函数f为0，所以整个积分是按照波束宽度计算的。

[0148] 基于各积分运算的结果，结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号。具体如下：

[0149] 双站(即发射站、接收站不位于同一基地)相控阵雷达的散射信号Pr的计算如公式(36)所示：

[0150]

[0151] 其中，Θ1、Θ2表示发射站、接收站的俯仰面波束宽度，ψ1、ψ2表示发射站、接收站垂直于俯仰面波束宽度。

[0152] 双站相控阵雷达接收的散射信号的信噪比SNRbs，计算如公式(37)所示：：

[0153]

[0154] 步骤S600，循环执行步骤S200-步骤S500，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

[0155] 在本实施例中，依次获取各第二阵列的接收的散射信号。

[0156] 另外，在分析信噪比的过程中，需要使用多站相控阵非相干散射雷达的仿真参数，如表1所示，设置信噪比分布平面的经度范围为105°E-115°E，间隔为0.2°，纬度范围为15°N-25°N，间隔为0.2°。多站非相干散射雷达系统中，由三亚站SY发射，三亚站，富克站FK以及琼山站QS进行接收，所以需要分析SY-SY单站的情况，以及两个双站SY-FK、SY-QS也就是多站的情况，如表1所示：

[0157] 表1

[0158]

[0159] 在单站情况下，不同的发射脉冲宽度会影响接收到的散射信号，进一步影响雷达系统的信噪比，图6为300km高度处100us、300us、500us、700us脉冲宽度(pulseWidth)，三亚站接收信噪比的变化情况，lon表示经度，lat表示纬度。通过对比分析相控阵天线不同脉冲宽度的信噪比，可以发现信噪比以三亚站为中心的呈现圆形分布，随着距离三亚站越来越远信噪比逐渐减小，主要是因为信噪比与距离成反比，在同一探测高度上，距离三亚站越远，目标和发射站接收站之间的距离越大，因此距离增加，信噪比减小，第二个原因是距离三亚站越远，波束扫描的天顶角越大，对应的波束宽度也越来越大，根据推导公式可以知道，信噪比与波束宽度成反比，因此波束宽度增加，信噪比减小。在相同高度时，随着脉冲宽度逐渐增加，信噪比逐渐增加，主要原因是脉冲宽度增加，与脉冲宽度相关的散射体积增加，进而信噪比增加。然而脉冲宽度增加，相应的距离分辨率变大，对应的小尺度探测越来越困难，所以在之后的探测模式设计中需要合理选择脉冲宽度.

[0160] 在双站的情况下，即三亚站发射，富克和琼山站进行接收，对于富克站和琼山站两个接收站，由于琼山站和富克站的规律相似，所以本文以富克站为代表进行讨论。下图7是300km高度处100us、300us、500us、700us脉冲宽度，富克站的信噪比分布。

[0161] 分析SY-FK信噪比的分布，可以看出信噪比以三亚和富克站为中心，呈现椭圆分布，随着距离三亚站和富克站越来越远信噪比逐渐减小，主要是因为信噪比与距离成反比，在同一探测高度上，距离三亚站和富克站越远，目标和发射站接收站之间的距离越大，因此距离增加，信噪比减小，第二个原因是距离两个站越远，波束扫描的天顶角越大，对应的波束宽度也越来越大，信噪比与波束宽度成反比，因此波束宽度增加，信噪比减小。由图7可以看出，随着脉冲宽度增加，信噪比分布的形状沿发射站与接收站的连线方向逐渐拉长，主要原因是随着脉宽增加，散射体积逐渐增加，其在发射站与接收站的连线方向的变化较其他区域更加明显。

[0162] 单站和多站的信噪比分布规律有一些不同，首先对比单站和双站的信噪比分布，可以看出相同高度和相同经纬度的条件下，单站的信噪比要远远优于双站，主要是因为三亚站的天线个数多，相应的天线接收波束要比富克，琼山两个站的接收波束宽度要小，根据公式可以知道，波束宽度与信噪比成反比，接收波束宽度越小，信噪比越大；第二个原因是三亚站因为相同的天线波束发射和接收，而富克和琼山站的天线波束与三亚站的天线波束交叉所得的散射体积要比三亚站的散射体积小，进而三亚站的信噪比大于富克，琼山两个站。双站信噪比分布和单站信噪比分布的差别在于，单站信噪比主要由三亚站的位置等参数决定，而双站信噪比需要考虑两个站的位置等参数的影响。当探测高度相同时，对比不同的脉冲宽度信噪比的变化可以发现，开始的时候，随着脉冲宽度逐渐增加，单站的信噪比随之增加，主要原因是脉冲宽度增加，与脉冲宽度相关的散射体积增加，进而信噪比增加。然而对于双站相控阵非相干散射雷达随着脉冲宽度逐渐增加，信噪比先增加，之后当脉冲宽度增加到一定的程度，信噪比保持不变，主要原因是此时双站的散射体积由之前的脉冲宽度决定改为由波束宽度决定，即使脉冲宽度增加，信噪比几乎不变。

[0163] 本发明第二实施例的一种多站非相干散射雷达信号提取系统，如图2所示，包括：方向图获取模块100、判断模块200、高度获取模块300、散射体积获取模块400、散射信号获取模块500、循环模块600；

[0164] 所述方向图获取模块100，配置为对第一阵列、各第二阵列，基于其纵向、横向栅格间距，结合散射点的俯仰角、方位角，计算其对应的辐射电场强度，并结合所述散射点的俯仰角，计算其对应的方向图；所述第一阵列为发射站的栅格天线阵列；所述第二阵列为接收站的栅格天线阵列；

[0165] 所述判断模块200，配合为对各第二阵列，若其与所述第一阵列位于同一基地，则基于发射站发射机的功率、其方向图，并结合第一宽度、第二宽度，通过单站相控阵雷达散射信号获取方法获取其接收的散射信号，并跳转循环模块，否则跳转高度获取模块；所述第一宽度为第一阵列的俯仰面波束宽度；所述第二宽度为垂直于俯仰面的波束宽度；

[0166] 所述高度获取模块300，配置为基于获取的脉冲宽度、发射波束与接收波束的夹角，计算发射波束与接收波束在角平分线上的高度，并通过预设的第一方法计算在发射波束方向的散射体积的高度，作为第一高度；

[0167] 所述散射体积获取模块400，配置为根据所述第一宽度、所述第二宽度，得到散射体积的底面积，并与第一高度相乘得到散射体积；

[0168] 所述散射信号获取模块500，配置为将所述散射体积与第一阵列、第二阵列对应的方向图进行积分运算，并结合发射站发射机的功率、第一阵列及第二阵列的俯仰角与方位角，计算得到第二阵列接收的散射信号；

[0169] 所述循环模块600，配置为循环执行判断模块200-散射信号获取模块500，直至得到所有第二阵列接收的散射信号。

[0170] 所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0171] 需要说明的是，上述实施例提供的多站非相干散射雷达信号提取系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

[0172] 本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适用于由处理器加载并实现上述的多站非相干散射雷达信号提取方法。

[0173] 本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的多站非相干散射雷达信号提取方法。

[0174] 所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。

[0175] 本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0176] 术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

[0177] 术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

[0178] 至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。