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🔥 内容介绍
一、引言：电离层回波方向估计的技术价值
高频地波雷达（HFSWR）凭借 3-30MHz 频段电磁波的超视距传播特性，在海洋监测、空域预警等领域发挥着不可替代的作用。电离层作为高频信号传播的关键介质，其回波既可能成为干扰杂波，也可作为电离层遥感的有效信号源。回波方向（DOA）估计作为核心技术，不仅能为杂波抑制提供空域参数支撑，更能反演电离层扰动传播方向、电子浓度分布等关键信息，对空间天气监测、雷达性能优化具有重要意义。
然而，电离层回波的时变性、高仰角分布特性及强干扰背景，使得方向估计面临诸多挑战。本文将系统阐述电离层回波方向估计的技术体系，结合最新研究进展解析关键算法与实现路径。
二、电离层回波的信号特性与方向估计基础
（一）电离层回波的核心特性
空间分布特征：实测数据表明，电离层回波俯仰角范围为 0°~90°，但 90% 以上集中于 70° 以上的高仰角区域，且部分回波（如 Es 层、F 层镜面散射回波）具有一致方向性，扩展 F 层回波则无明显方向性。
统计特性：多数距离单元的电离层回波满足瑞利分布，少数特殊层回波符合威布尔分布，其方向性不随雷达工作频率改变。
时频特性：电离层的快速时变导致回波在相干积累周期（通常 30s）内即可发生显著变化，E 层回波多普勒频移较小，F 层回波频移较大。
（二）方向估计的核心参数
方向估计的目标是获取回波的方位角与俯仰角，其中：
方位角：表征回波在水平面上的来波方向（以正北为 0° 基准）；
俯仰角：反映回波的垂直高度分布，直接影响电离层参数反演精度。
三、电离层回波方向估计的关键技术流程
（一）信号预处理与回波提取
数据来源：方向估计的数据源为距离 - 多普勒（R-D）谱，通过对雷达接收信号进行脉冲压缩、波束形成及 FFT 变换获得。
预处理步骤：
阈值分割：以 80km 以下无电离层回波区域的平均功率为噪声功率 PN，设置阈值 δ=PN+20dB（典型杂噪比 20-35dB），生成回波掩膜；
模板卷积：通过二维模板增强回波信号连续性，抑制海杂波、电台干扰等背景噪声；
垂直向回波提取：利用多波束 R-D 谱的重叠区域（仅俯仰角 0° 方向）分离垂直向回波，为后续方向估计奠定基础。
（二）核心估计算法与实现
传统 DOA 估计方法
波束形成法：基于一维线阵的相位加权技术，可获取方位角信息，但无法区分俯仰角，适用于简单场景的粗略估计；
MUSIC 算法：通过特征值分解分离信号与噪声子空间，实现超分辨率测角，但需大量快拍数且需已知信号个数，实际应用受限。
先进算法突破
压缩感知（CS）-based DOA 算法：在 R-D 域上应用压缩感知理论，通过稀疏信号重构实现高精度方位角与俯仰角估计，无需大量快拍数，适配电离层回波的时变特性，实测验证估计误差可控制在 ±16° 以内；
空域 - 极化域协同估计：结合 L 型阵列（8×8 阵元，水平间距 15m，垂直间距 10m）的空间分布与极化信息，通过极化导向矢量优化，提升强干扰下的方向估计精度；
时频分析辅助估计：利用长时观测的时频分布特征，辅助确认回波的空间稳定性，提高方向估计的鲁棒性。
⛳️ 运行结果
Image
📣 部分代码
Function description:
一维普通波束形成
Syntax：
Input:
theta0：目标角度,单位为rad,可多目标,如: theta0 = [30,20]/180*pi
element_num：阵元个数
d_lamda: 阵元间距与lamda的比例，单位1表示波长，0.5表示半波长
Output:
abs_f：方向图的幅值
abs_p：功率谱幅值
Log description：
2020.03.17 建立函数
2020.03.20 为了对比不同算法而将波形显示剔除，加入输入输出参数
%}
if nargin == 0
theta0 = 30;
element_num=8;%阵元数为8
d_lamda=1/2;%阵元间距d与波长lamda的关系
end
imag=sqrt(-1);
snapshot = 100;
snr = 10;
theta=linspace(-90,90,200);
%theta0=[0,37]/180*pi;%来波方向
w=exp(imag*2*pi*d_lamda*[0:element_num-1]'*sin(theta0/180*pi));%MxK
if length(theta0) ~= 1
wtemp = exp(imag*2*pi*d_lamda*[0:element_num-1]'*sin(theta0(1)/180*pi));
else
wtemp = exp(imag*2*pi*d_lamda*[0:element_num-1]'*sin(theta0/180*pi));
end
S = rand(length(theta0),snapshot);%KxP
X = w*S;%MxP
X1 = awgn(X,snr,'measured');
Rxx = X1*X1'/snapshot;
for j=1:length(theta)
a=exp(imag*2*pi*d_lamda*[0:element_num-1]'*sin(theta(j)/180*pi));%Mx1
f(j)=wtemp'*a;%取第一个角做方向图
p(j) = a'*Rxx*a;
end
abs_f=abs(f);
% abs_f_max=max(abs_f);
% abs_f = 10*log10(abs_f/abs_f_max);
abs_p=abs(p);
abs_p_max=max(abs_p);
abs_p = 10*log10(abs_p/abs_p_max);
end
🔗 参考文献
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