基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统

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1.本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统、装置。

背景技术：

2.对于电离层的非相干散射探测，电离层可以看作是大范围连续分布的软目标，雷达接收到的回波信号是从地面发射的电磁波信号受电离层中的电子、离子的热起伏作用调制后的零均值的后向散射随机信号，回波功率相对于发射功率非常微弱，其功率谱密度是电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度等电离层参量的函数。为了从微弱的非相干散射回波信号中提取得到电离层基本参量，大功率的相控阵非相干散射雷达是目前最先进且最有效的探测手段，具有探测范围广、探测电离层参数较多且时间和空间分辨率较高等特点。
3.在非相干散射雷达探测中，通常采用长脉冲和交替码作为雷达发射信号。长脉冲回波信号功率相对较高，但是距离分辨率比较差，通常为几十公里，交替码由于其相位编码特性，回波信号功率较低，但是其距离分辨率比较高，通常为几百米到几公里。针对这两种编码形式的回波信号进行电离层参量提取，常规的反演方法是基于距离门分析，即将理论自相关数据与实测非相干散射回波信号的自相关逐个高度进行非线性最小二乘拟合，每个拟合高度使用的理论初值完全依赖于iri理论模型，不同距离门以及不同时刻之间的拟合都是相互独立的，这样的拟合方法需要准确的非相干散射谱的测量才可以获取较高分辨率的电离层参量，也就是需要高信噪比的非相干散射回波信号。那么为了提高实测回波信号的信噪比，需要先在距离和时间上进行多周期积累后再进行参量反演。一般在相控阵体制的非相干散射雷达多波束扫描探测实验中，为了获取可靠的电离层参量，对于距离分辨率本身比较高的交替码回波信号，进行多个高度积累后，再进行距离门反演得到的电离层参量在十几分钟的时间分辨率和十几公里的距离分辨率量级，长脉冲距离分辨率则变得更差，这对于快速变化的电离层扰动的动力学研究是远远不够的。因此本发明结合时间上的贝叶斯平滑和距离向上的相关先验知识来获取高时间分辨率和高距离分辨率的电离层参量，这对电离层的精细结构研究具有重要的应用价值。

技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有非相干散射雷达的电离层参量提取方法获得的电离层参量分辨率差的问题，本发明第一方面，提出了一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，该方法包括：步骤s100，根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；
步骤s200，基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；步骤s300，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；步骤s400，判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转步骤s600；否则跳转步骤s500；步骤s500，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转步骤s200；步骤s600，通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。
5.在一些优选的实施方式中，实测自相关数据与理论自相关数据之间的关系为：其中，、为雷达接收机实测的原始复信号回波序列，为时延值，为由原始信号计算得到的非相干散射回波信号自相关，即实测自相关数据，为雷达接收机阻抗，为雷达发射功率，为发射脉冲宽度，为从雷达天线到散射点的距离，为时延模糊函数，为距离门处由电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度决定的等离子体的理论自相关数据，为与雷达天线增益和雷达散射截面等相关的系统常量。
6.在一些优选的实施方式中，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到各距离门上拟合的电离层基本参量，其方法为：根据设定的距离门步进间隔，逐个高度对各距离门对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，进而得到各距离门上拟合的电离层基本参量。
7.在一些优选的实施方式中，在非相干散射雷达探测中，若采用交替码作为雷达发射信号，则将时延剖面矩阵各探测距离上的最小的时延积去掉，不参与实测自相关数据的距离门的拟合。
8.在一些优选的实施方式中，每个距离门处对应的误差协方差矩阵，其获取方法为：其中，为误差协方差矩阵，为拟合残差一阶偏导，为实测自相关数据的方差，t表示转置。
9.在一些优选的实施方式中，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的初始基本参量，其方法为：若未知的电离层基本参量x的先验值为真值，电离层基本参量x与其对应的理论
初值的映射关系为，先验方差为，则它们之间的线性关系为：将、分别以最大二阶差分形式展开：，其中，、、分别表示第零阶、第一阶、第二阶的先验方差；对于每个电离层基本参量，第零阶的差分矩阵为单位矩阵，即，第一阶和第二阶差分矩阵、分别为和的矩阵形式，表示为：，其中，表示距离门个数；前一时刻拟合获得的所有距离门上的误差协方差矩阵可以作为第零阶协方差矩阵，由此可以进一步推导得到第一阶和第二阶协方差矩阵，分别为其中，为取对角线，为距离门步进间隔，为每个参数的相关长度，正比于等离子体标高，为常量，表示k时刻第个距离门的协方差矩阵；运用最小二乘思想计算达到最小，那么从上述的线性关系的公式可得到：其中，为贝叶斯滤波后的参数剖面，为贝叶斯滤波后的协方差矩阵，t表示转置；因此基于贝叶斯滤波后下一时刻电离层基本参量的理论初值和对应的先验方差分别为
其中，为时间步进间隔，即拟合过程中的积累时间，为常量，为过程噪声方差。
10.本发明的第二方面，提出了一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演系统，该系统包括：参量初值获取模块、理论自相关计算模块、参量输出模块、循环判断模块、贝叶斯滤波模块、贝叶斯平滑模块；所述参量初值获取模块，配置为根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；所述理论自相关计算模块，配置为基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；所述参量输出模块，配置为对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；所述循环判断模块，配置为判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转所述贝叶斯平滑模块；否则跳转所述贝叶斯滤波模块；所述贝叶斯滤波模块，配置为通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转所述理论自相关计算；所述贝叶斯平滑模块，配置为通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。
11.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贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法。
12.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贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法。
13.本发明的有益效果：本发明提高了非相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。
14.本发明结合电离层参量反演中前一时刻拟合得到的参量和其误差协方差，基于贝叶斯滤波方法来进行下一时刻距离门拟合的理论初值和先验方差的预测，并利用不同高度之间先验信息的相关性来控制等离子体参数在时间和空间上的梯度，从而获得高分辨率的电离层参量。
附图说明
15.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，本技术的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
16.图1是本发明一种实施例的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法的流程示意图；图2是本发明一种实施例的实测非相干散射回波信号自相关数据的距离门形成示意图；图3是本发明一种实施例的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演系统的框架示意图；图4是本发明一种实施例的交替码回波信号的电离层参量反演结果的示意图；图5是本发明一种实施例的长脉冲回波信号的电离层参量反演结果的示意图；图6是本发明一种实施例的适于用来实现本技术实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
17.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。
18.下面结合附图和实施例对本技术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。
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.本发明的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤s100，根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；步骤s200，基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；步骤s300，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；步骤s400，判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转步骤s600；否则跳转步骤s500；步骤s500，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转步骤s200；
步骤s600，通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。
21.为了更清晰地对本发明基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法进行说明，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。
22.步骤s100，根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；在本实施例中，从iri电离层模型获取第一时刻所有距离门上的四个待测的电离层基本参量即电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度，作为理论谱计算的参量初值，同时也获取其对应的先验方差，用于拟合过程中的加权系数。其中，第一时刻，即k时刻，初始化时为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻。
23.步骤s200，基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；在本实施例中，将电离层基本参量的理论初值作为散射谱理论模型的初始输入，并计算每个距离门上的理论谱。功率谱与自相关之间互为傅里叶变换对，理论谱进一步通过逆傅里叶变换得到理论自相关数据。
24.步骤s300，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；在本实施例中，实测自相关数据的距离门形成如图2所示，以本发明为例，假设时延剖面矩阵包含八个探测距离，每个探测距离上有四个时延积如、、、，每个时延积处根据设置的距离门求和法则进行数据重组，如每三个探测距离上的时延积组成一个距离门上的自相关数据，即对于将时延剖面矩阵中、、处的数据重新排列形成距离门0的数据，、、处的数据重新排列形成距离门1的数据，依此类推完成预设所有距离门的时延积重组。特别对于交替码，由于处具有较大的距离模糊，所以需要把处的时延积去掉，不参与距离门的拟合。
25.理论自相关和实测非相干散射回波信号的自相关之间的关系表示为：
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（1）其中，、为雷达接收机实测的原始复信号回波序列，为时延值，是采样间隔的整数倍，为由原始信号计算得到的非相干散射回波信号自相关，即实测自相关数据，为雷达接收机阻抗，为雷达发射功率（w），为发射脉冲宽度（s），为从雷达天线到散射点的距离（m），为时延模糊函数，为距离门处由电子密
度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度决定的等离子体理论自相关数据，为与雷达天线增益和雷达散射截面等相关的系统常量（）。
26.然后通过levenberg-marquardt 非线性最小二乘算法，不断调整理论谱的输入值，使得理论自相关与实测自相关的残差平方和达到最小则停止迭代计算，从而得到最终可信的四个电离层基本参量，包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度。同时可以得到每个距离门对应的误差协方差矩阵为4
×
4的矩阵：
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（2）其中，为误差协方差矩阵，为拟合残差一阶偏导，为实测自相关数据的方差，t表示转置。
27.即根据设定的距离门步进间隔，逐个高度对各距离门对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，进而得到各距离门上拟合的电离层基本参量。
28.所有距离门上的四个电离层基本参量矩阵形式为：
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（3）其中，为距离门个数，、、、分别为反演得到的k时刻个距离门的电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度矩阵，误差协方差矩阵也用类似的矩阵形式定义。
29.步骤s400，判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转步骤s600；否则跳转步骤s500；在本实施例中，对设定时间段内所有时刻进行拟合，得到所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若没有拟合完成，则跳转步骤s500；否则，跳转步骤s600，对拟合的所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵进行进一步处理。
30.步骤s500，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转步骤s200；在本实施例中，假设前一时刻获得的所有距离门上的四个电离层基本参量矢量和误差协方差矩阵表示为：
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（4）结合相关先验理论，用前一时刻获得的电离层参量和协方差矩阵作为先验知识来构建下一时刻拟合需要的参量剖面初值。假设未知的电离层基本参量x的先验值为真值，获取参量x的理论初值的问题可以看作是线性反演问题，线性映射关系为，先验方差为，那么可以表示为如下线性关系：
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（5）上式（5）中的可以用前一时刻拟合得到的参数矢量和协方差矩阵代替。同时引入与差分先验具有类似平滑属性的先验分布,即使用前一时刻获得的所有距离门上的参量值进行加权从而达到距离门上的平滑。另外、分别以最大二阶差分形式展开为如下：，
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（6）其中，、、分别表示第零阶、第一阶、第二阶的先验方差。
31.对于每个电离层参量，第零阶的差分矩阵为单位矩阵，即，第一阶和第二阶差分矩阵、分别为和的矩阵形式，表示为：，
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（7）前一时刻拟合获得的所有距离门上的误差协方差矩阵可以作为第零阶协方差矩阵，由此可以进一步推导得到第一阶和第二阶协方差矩阵，分别为：
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（8）其中，为取对角线，为距离门步进间隔，为每个参数的相关长度，正比于等离子体标高，为常量，通过调整来保持参数剖面在距离上的有效平滑。对于不同的电离层参量，如电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度，设置不同。
32.运用最小二乘思想计算达到最小，那么从等式（5）可得到：
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（9）其中，为贝叶斯滤波后的参数剖面，为贝叶斯滤波后的协方差矩阵，t表示转置；因此基于贝叶斯滤波后下一时刻电离层参量理论初值和对应的先验方差分别为：
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（10）这里，为时间步进间隔，即拟合过程中的积累时间，为常量，为过程噪声方差，即通过调整来控制过程噪声方差，使得从一个时刻到另一个时刻引入的部分相关先验信息保持时间上的相关性。当然，对于不同的电离层参量，设置也不同。
33.步骤s600，通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。
34.在本实施例中，当积累时间足够短时，等离子体参数在前一时刻和当前时刻之间变化很小，利用rauch-rung-striebel（rts）贝叶斯平滑算法对全部拟合完毕的数据进行进一步的平滑处理得到最终高分辨率的电离层参量，其运用rts的后向递推方程如下：
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（11）这里和分别为k时刻的拟合参量结果和对应的误差协方差矩阵，和分别为贝叶斯滤波后预测的k+1时刻的理论初值和先验协方差矩阵，和为贝叶斯平滑后k时刻的参量结果和误差协方差矩阵，和为贝叶斯平滑后k+1时刻的参量结果和误差协方差矩阵，为k时刻的动态预测模型矩阵。即通过贝叶斯平滑算法将相邻时刻的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递推平滑处理，进而得到各时刻最终反演的电离层基本参量。
35.为了证明本发明反演方法的有效性，通过三亚非相干散射雷达的2021年4月14日的交替码和长脉冲几乎同时探测的实测数据进行验证。其中交替码参数为16位交替码，三分之一分数阶采样，码元宽度30us，采样间隔10us；长脉冲参数为脉冲宽度480us，采样间隔10us。
36.如图4所示为交替码回波信号反演得到的电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度的电离层参量，时间分辨率为12s，距离分辨率为4.5km。
37.如图5所示为长脉冲回波信号反演得到的电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度的电离层参量，时间分辨率为18s，距离分辨率200km以下为9km、200-400km为18km，400km以上为24km。
38.由图4和图5可以看出，在两种编码方式下反演得到的电离层参量剖面均具有较高的时间分辨率，交替码虽然回波信号很微弱，反演后仍然可以得到较高的距离分辨率，说明了本发明用于非相干散射雷达进行探测可以大大提高非相干散射电离层参量反演的时间
和距离分辨率。
39.本发明第二实施例的一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演系统，如图3所示，包括：参量初值获取模块100、理论自相关计算模块200、参量输出模块300、循环判断模块400、贝叶斯滤波模块500、贝叶斯平滑模块600；所述参量初值获取模块100，配置为根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；所述理论自相关计算模块200，配置为基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；所述参量输出模块300，配置为对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；所述循环判断模块400，配置为判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转所述贝叶斯平滑模块600；否则跳转所述贝叶斯滤波模块500；所述贝叶斯滤波模块500，配置为通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转所述理论自相关计算模块200；所述贝叶斯平滑模块600，配置为通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。
40.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。
41.需要说明的是，上述实施例提供的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演系统，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。
42.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基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法。
43.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基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法。
44.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。
45.下面参考图6，其示出了适于用来实现本技术方法、系统、装置实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图6示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本技术实施例的功能和使用范围带来任何限制。
46.如图6所示，计算机系统包括中央处理单元(cpu，central processing unit)601，其可以根据存储在只读存储器(rom，read only memory)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(ram，random access memory)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram 603中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。cpu601、rom 602以及ram603通过总线604彼此相连。输入/输出(i/o，input/output)接口605也连接至总线604。
47.以下部件连接至i/o接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(crt，cathode ray tube)、液晶显示器(lcd，liquid crystal display)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如lan(局域网，local area network)卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分609。通讯部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至i/o接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。
48.特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通讯部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu601执行时，执行本技术的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本技术上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本技术中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
49.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本技术的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可
以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
50.附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
51.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。
52.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。
53.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。

技术特征：

1.一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，该方法包括：步骤s100，根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；步骤s200，基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；步骤s300，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；步骤s400，判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转步骤s600；否则跳转步骤s500；步骤s500，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转步骤s200；步骤s600，通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。2.根据权利要求1所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，实测自相关数据与理论自相关数据之间的关系为：其中，、为雷达接收机实测的原始复信号回波序列，为时延值，为由原始信号计算得到的非相干散射回波信号自相关，即实测自相关数据，为雷达接收机阻抗，为雷达发射功率，为发射脉冲宽度，为从雷达天线到散射点的距离，为时延模糊函数，为距离门处由电子密度、电子温度、离子温度、等离子体视线漂移速度决定的等离子体的理论自相关数据，为与雷达天线增益和雷达散射截面等相关的系统常量。3.根据权利要求1所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到各距离门上拟合的电离层基本参量，其方法为：根据设定的距离门步进间隔，逐个高度对各距离门对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，进而得到各距离门上拟合的电离层基本参量。4.根据权利要求3所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，在非相干散射雷达探测中，若采用交替码作为雷达发射信号，则将时延剖面矩阵各探测距离上的最小的时延积去掉，不参与实测自相关数据的距离门的拟合。5.根据权利要求1所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征
在于，每个距离门处对应的误差协方差矩阵，其获取方法为：其中，为误差协方差矩阵，为拟合残差一阶偏导，为实测自相关数据的方差，t表示转置。6.根据权利要求5所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法，其特征在于，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的初始基本参量，其方法为：若未知的电离层基本参量x的先验值为真值，电离层基本参量x与其对应的理论初值的映射关系为，先验方差为，则它们之间的线性关系为：将、分别以最大二阶差分形式展开：，其中，、、分别表示第零阶、第一阶、第二阶的先验方差；对于每个电离层基本参量，第零阶的差分矩阵为单位矩阵，即，第一阶和第二阶差分矩阵、分别为和的矩阵形式，表示为：，其中，表示距离门个数；前一时刻拟合获得的所有距离门上的误差协方差矩阵可以作为第零阶协方差矩阵，由此可以进一步推导得到第一阶和第二阶协方差矩阵，分别为其中，为取对角线，为距离门步进间隔，为每个参数的相关长度，正比于等离子体标高，为常量，表示k时刻第个距离门的协方差矩阵；运用最小二乘思想计算达到最小，那么从上述的线性关系的公式可得到：
其中，为贝叶斯滤波后的参数剖面，为贝叶斯滤波后的协方差矩阵，t表示转置；因此基于贝叶斯滤波后下一时刻电离层基本参量的理论初值和对应的先验方差分别为其中，为时间步进间隔，即拟合过程中的积累时间，为常量，为过程噪声方差。7.一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演系统，其特征在于，该系统包括：参量初值获取模块、理论自相关计算模块、参量输出模块、循环判断模块、贝叶斯滤波模块、贝叶斯平滑模块；所述参量初值获取模块，配置为根据iri电离层模型，获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；k时刻初始化时，为在第一次拟合时所采用的实测自相关数据对应的实际时刻；所述电离层基本参量包括电子密度、电子温度、离子温度和等离子体视线漂移速度；所述理论自相关计算模块，配置为基于k时刻各距离门上的电离层基本参量的理论初值，通过散射谱理论模型计算每个距离门上的理论谱，并将每个距离门上的理论谱进行逆傅里叶变换，得到理论自相关数据；所述参量输出模块，配置为对各距离门，将其对应的实测自相关数据与理论自相关数据进行非线性最小二乘运算，得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；所述循环判断模块，配置为判断是否拟合完设定时间段内所有时刻各距离门上的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵，若是，则跳转所述贝叶斯平滑模块；否则跳转所述贝叶斯滤波模块；所述贝叶斯滤波模块，配置为通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差，并令k= k+1，跳转所述理论自相关计算模块；所述贝叶斯平滑模块，配置为通过贝叶斯平滑算法对设定时间段内所有时刻各距离门上拟合的电离层基本参量以及对应的误差协方差矩阵进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。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任一项所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法。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
任一项所述的基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法。

技术总结

本发明属于信号与信息处理领域，具体涉及一种基于贝叶斯滤波的非相干散射电离层参量反演方法、系统、装置，旨在解决现有非相干散射雷达的电离层参量提取方法获得的电离层参量分辨率差的问题。本方法包括：获取k时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；得到理论自相关数据；得到k时刻各距离门上拟合的电离层基本参量及对应的误差协方差矩阵；判断是否拟合完成，若否，通过贝叶斯滤波方法获取k+1时刻所有距离门上的电离层基本参量的理论初值及其对应的先验方差；若是，通过贝叶斯平滑算法进行递归平滑处理，得到最终反演的电离层基本参量。本发明提高了非相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。相干散射电离层参量反演的时间和距离分辨率。