技术摘要：
本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于CLEAN算法的电离层电子密度反演方法、系统、装置，旨在解决非相干散射等离子体谱线计算量大以及电子密度剖面反演精度不够的问题。本系统方法包括：获取IQ数字信号；提取并删除IQ数字信号中脉冲发射期间采集的信号部分，  全部
背景技术：
在电离层研究中使用超大天线增益的大功率甚高频/超高频雷达系统叫做非相干 散射雷达。非相干散射的机理是发射的雷达脉冲入射到电离层中每个自由电子上时，会引 起电子振荡并加速电子，从而引起电磁能的再辐射，这种过程称作汤姆逊散射或非相干散 射。因此非相干散射信号谱是非相干散射雷达对电离层电子密度的热起伏引起电磁散射的 统计测量。 非相干散射雷达发射电磁波信号后散射回来的回波信号功率谱由具有双峰结构 的窄带离子谱线和较弱更窄的上移、下移等离子体谱线组成，它们分别是与离子声波和朗 缪尔波的色散关系有关。离子谱线中包含有等离子体漂移速度、电子密度、电子/离子温度 和离子成分等信息。通过离子声波散射的离子谱线来获取的测量精度受到雷达系统的状 态、积累时间、脉冲编码方式等多种因素的影响，使得某些电离层参量如电子密度时空分辨 率变得比较差，还需要进一步的标校和定标。那么如果能准确获取朗缪尔波散射的等离子 体谱线，然后提取等离子体谱线每个高度的频偏，利用朗缪尔色散关系，就可以反演得到精 度更高的电子密度剖面，这样得到的电子密度信息也可以作为离子谱线散射模型的先验信 息。但是由于等离子体谱线通常位于信号功率谱中心频带外的1～15MHz处，带宽非常窄并 且很微弱，而且散射信号在被接收采样后带来的距离模糊使得更加难以从回波信号中分离 出等离子体谱线。因此等离子体谱线的测量需要非相干散射雷达接收系统带宽要大于等于 两倍等离子体频率以及较好的频谱分辨率。同时要在整个高度剖面范围内进行数据采样并 获得所需的频谱分辨率，尤其是对于实时计算来说，就需要在数据处理方面也要具备较强 的数据计算能力。 CLEAN算法是一种在去除特定频率信号的同时将信号副瓣也可以同时去除的解卷 积技术，在改善图像质量方面有广泛应用。在常规硬目标雷达回波处理中常用来抑制杂噪 信号。在非相干散射雷达信号处理领域，将CLEAN算法应用于等离子体谱线的提取问题目前 还没有研究。实际上，计算实测的非相干散射回波信号的自相关过程就是某个高度的等离 子体自相关与对应模糊函数的卷积过程，因此对实测回波信号自相关解模糊的过程其实就 是对实测回波信号的解卷积。在频域，就是实测回波信号的功率谱等于等离子体谱线与模 糊函数做傅里叶变换后的乘积。因此，本发明提出了一种基于CLEAN算法的电离层电子密度 反演方法、系统、装置。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的非相干散射等离子体谱线计 算量大以及电子密度剖面反演精度不够的问题，本发明第一方面，提出了一种基于CLEAN算 5 CN 111580061 A 说　明　书 2/12 页 法的电离层电子密度反演方法，该方法包括： 步骤S100，获取一个脉冲重复周期内电离层散射的回波信号并进行下变频，得到 IQ数字信号；所述回波信号包括脉冲发射期间，雷达接收机采样的回波信号； 步骤S200，提取并删除IQ数字信号中脉冲发射期间采集的信号部分；基于剩余的 信号数据，结合预设的距离门个数及各门的FFT点数，通过预设的第一方法构建二维矩阵； 步骤S300，基于所述二维矩阵中各距离门对应的信号数据，通过频域FFT算法解码 计算各距离门高度的信号功率谱，作为第一功率谱数据； 步骤S400，循环执行步骤S100-步骤S300，获取W个脉冲重复周期内各距离门高度 的第一功率谱数据并进行累加，作为第二功率谱数据；通过雷达接收机系统的频率响应函 数对第二功率谱数据进行去噪，得到第三功率谱数据；其中，W为正整数； 步骤S500，基于CLEAN算法，结合脉冲发射期间采样的回波信号，对第三功率谱数 据进行解卷积，得到第四功率谱数据； 步骤S600，获取第四功率谱数据中每个高度的等离子体频率，并通过样条插值法 获取整个高度剖面的等离子体谱线；基于所述等离子体谱线，利用朗缪尔色散关系拟合得 到电离层的电子密度剖面。 在一些优选的实施方式中，步骤S200中“提取并删除IQ数字信号中脉冲发射期间 采集的信号部分”，其方法为： 计算IQ数字信号各采样点的瞬时功率值，作为第一功率值； 结合多个采样点的第一功率值求平均，得到IQ数字信号各采样点对应的第二功率 值； 计算各采样点第二功率值之间的差，将差大于设定的门限值的数据点的位置作为 脉冲发射期间，雷达采样信号的起始点位置，将差小于设定的门限值的数据点的位置作为 脉冲发射期间，雷达采样信号的截止点位置； 计算所述起始点位置与所述截止点位置的差的绝对值，作为脉冲发射期间，雷达 采样的总的信号数据点个数。 在一些优选的实施方式中，步骤S200中“通过预设的第一方法构建二维矩阵”，其 方法为： 步骤S210，设脉冲发射期间，雷达采样的总的信号数据点个数为M； 步骤S211，将M 1个数据点至M M个数据点的信号作为二维矩阵第一行元素的前M 个元素，剩余元素置零，组成第一个距离门要进行FFT计算的数据； 步骤S212，令M＝M 1，根据预设的距离门个数，迭代执行步骤S211，构建二维矩阵。 在一些优选的实施方式中，步骤S300中“通过频域FFT算法解码计算各距离门高度 的信号功率谱”，其方法为： 其中， 表示各距离门对应的信号功率谱，X (ejωN )为各距离门对应的频谱，N 6 CN 111580061 A 说　明　书 3/12 页 表示各距离门对应的信号数据点个数，xN(n)表示各距离门对应的有限长数据序列，n表示 各数据点下标。 在一些优选的实施方式中，若步骤S400中“通过雷达接收机系统的频率响应函数 对第二功率谱数据进行去噪”其方法为： 其中，|H(ω)|2表示雷达接收机系统的频率响应， 表示去噪后的功率谱数 据。 在一些优选的实施方式中，步骤S500中“对第三功率谱数据进行解卷积”，其方法 为； 步骤S510，将发射期间采样的回波信号与移位后的回波信号共轭相乘，构建时域 数据矩阵； 步骤S520，对所述时域数据矩阵中的数据进行傅里叶变换，并进行归一化，将归一 化后的矩阵作为第一矩阵； 步骤S530，构建与第三功率谱数据矩阵大小相同的矩阵，作为第二矩阵，并将该矩 阵中的各元素初始化为0；构建与第一矩阵大小相同的矩阵，作为第三矩阵，其中该矩阵元 素构成的频谱中心主瓣通过高斯拟合得到，其余元素初始化为0； 步骤S540，对所述第三功率谱数据进行归一化后，获取该数据矩阵中幅值最大的 数据点的幅值以及该数据点的位置；将第一矩阵的中心位置对准归一化后第三功率谱数据 中该最大值点位置，找出二者数据矩阵重叠的部分，并与设定的循环比例因子相乘后从第 三功率谱数据矩阵中减去，同时将第三矩阵中对应位置范围的数据与所述最大幅值、设定 的循环比例因子相乘作为第二矩阵中对应位置处的数据； 步骤S550，循环执行步骤S540，直至第三功率谱数据剩余的部分接近背景噪声或 迭代次数达到最大阈值，则终止循环，并将第二矩阵与第三功率谱数据剩余部分相加得到 第四功率谱数据。 在一些优选的实施方式中，所述朗缪尔色散关系其计算过程为: 其中，ωL表示朗缪尔波频率，ωpe表示电子等离子体频率，ωce表示电子回旋频率， vTe表示电子热速度，θ表示雷达视线和地磁场之间的夹角，k表示朗缪尔波的波数。 本发明的第二方面，提出了一种基于CLEAN算法的电离层电子密度反演系统，该系 统包括信号获取模块、构建矩阵模块、频域解码模块、去噪模块、解卷积模块、拟合模块； 所述信号获取模块，配置为获取一个脉冲重复周期内电离层散射的回波信号并进 行下变频，得到IQ数字信号；所述回波信号包括脉冲发射期间，雷达接收机采样的回波信 号； 所述构建矩阵模块，配置为提取并删除IQ数字信号中脉冲发射期间采集的信号部 分；基于剩余的信号数据，结合预设的距离门个数及各距离门的FFT点数，通过预设的第一 方法构建二维矩阵； 所述频域解码模块，配置为基于所述二维矩阵中各距离门对应的信号数据，通过 7 CN 111580061 A 说　明　书 4/12 页 频域FFT算法解码计算各距离门高度的信号功率谱，作为第一功率谱数据； 所述去噪模块，配置为循环执行信号获取模块-频域解码模块，获取W个脉冲重复 周期内各距离门高度的第一功率谱数据并进行累加，作为第二功率谱数据；通过雷达接收 机系统的频率响应函数对第二功率谱数据进行去噪，得到第三功率谱数据；其中，W为正整 数； 所述解卷积模块，配置为基于CLEAN算法，结合脉冲发射期间采样的回波信号，对 第三功率谱数据进行解卷积，得到第四功率谱数据； 所述拟合模块，配置为获取第四功率谱数据中每个高度的等离子体频率，并通过 样条插值法获取整个高度剖面的等离子体谱线；基于所述等离子体谱线，利用朗缪尔色散 关系拟合得到电离层的电子密度剖面。 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基于CLEAN算法的电离层电子密度反演方法。 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 现上述的基于CLEAN算法的电离层电子密度反演方法。 本发明的有益效果： 本发明提高了等离子体谱线计算的实时性和电子密度剖面反演的精度。本发明采 用频域FFT解码计算等离子体谱线方法，大大降低了等离子体谱线计算的时间和空间复杂 度，并基于GPU-CUDA平台的并行处理，加快了实测的非相干散射等离子体谱线的计算速度。 同时，利用CLEAN算法以及采样发射期间的回波信号对信噪比很差的功率谱进行 了解卷积处理，从卷积失真中恢复得到的真实的等离子体谱线图中准确提取每个高度的等 离子体频率，从而提高了电子密度反演的精度。 附图说明 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。 图1是本发明一种实施例的基于CLEAN算法的电离层电子密度反演方法的流程示 意图； 图2是本发明一种实施例的基于CLEAN算法的电离层电子密度反演系统的框架示 意图； 图3是本发明一种实施例的基于CLEAN算法的电离层电子密度反演方法的详细流 程示意图； 图4是本发明一种实施例的非相干散射回波信号的时域数据矩阵重组的示意图； 图5是本发明一种实施例的雷达发射和接收的示意图； 图6是本发明一种实施例的基于CLEAN算法进行解模糊的流程示意图； 图7是本发明一种实施例的去背景噪声前的功率谱效果示意图； 图8是本发明一种实施例的去背景噪声后的功率谱效果示意图； 图9是本发明一种实施例的基于CLEAN算法对上移等离子体谱线解模糊前后的对 比示意图； 8 CN 111580061 A 说　明　书 5/12 页 图10是本发明一种实施例的基于CLEAN算法对下移等离子体谱线解模糊前后的对 比示意图； 图11是本发明一种实施例的电子密度剖面反演结果的示意图。