本发明属于雷达测量与定位，尤其涉及一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法。
背景技术：
1、在雷达定位中，仰角是指雷达系统或传感器相对于地平线的俯仰角度，是superdarn雷达的重要参数之一。仰角可以决定雷达系统所能探测到的目标的范围和位置。通过调整仰角，雷达系统可以扩展其观测范围，发现更远处的目标。同时，仰角也可以定位目标的空中高度信息，实现三维定位能力。选择合理的仰角，可以最大限度地提高距离的测量精度，并避免因近距离测量而引起的盲区问题。
2、superdarn雷达自投入使用以来，在磁层、电离层、中高层的研究中已经取得了很大的成功。近年来利用superdarn高频雷达的回波特征实现仰角校正以及电离层参数反演的技术不断改进和发展。superdarn雷达主要用于研究两极和中纬度地区电离层和磁层动力学，探测区域内等离子体密度不规则体的后向散射和通过电离层镜面反射的地面后向散射。通过国际数据共享，这些运动和分布信息在通信、导航、遥感等领域具有很大的应用价值。在研究太阳风-磁层-电离层-中高层大气耦合过程中也发挥了重要的作用。
3、仰角是superdarn雷达探测中的重要数据之一。superdarn雷达中配备有主阵列和干涉阵列用于仰角测量，通过计算两个空间分离的阵列之间的相位差，结合雷达本身的配置信息，例如雷达工作频率、波束方向、方位角等，以此来估计接收回波的仰角。雷达发射的hf无线电信号经过电离层时会产生多跳回波，回波经过后向散射重新被雷达所接收，接收到的散射类型包括地面散射、电离层散射、海面散射等，而电离层散射也需要区分来自不同区域的回波，因此引入了仰角来确定接收的回波类型。依靠仰角信息能够确定高频无线信号在电离层中的传播模式，从而获取探测目标的精确定位信息。同时，可靠的仰角可以确定目标的虚拟高度，对于估算电离层参数至关重要。
4、自1983年第一部superdarn雷达投入使用以来就进行仰角测量，但由于主副阵列接收返回信号关联点间电路径长度不同，导致沿两种不同路径传播的信号之间传播时间的差异(也叫校正因子，δtcor)难以被校正，仰角数据一直难以得到有效应用。目前对于传输时延问题上有两种解决方法，第一种就是测量雷达电缆和设备间测试信号的延迟，但受到雷达地理位置、雷达工作频率、温度等条件的制约，无法完全的将这些条件掌握在可控范围内，因此不纳入考虑范围。另外一种方法摒弃了雷达硬件本身对测量的影响，使用仰角数据或相位差数据，通过不断的调整信号与电缆之间的时延δtcor,使计算的仰角符合特定传播模式或特定散射位置预期，比如仰角应随斜距地增加而减小等，但是直观地分析得到的δtcor并不准确。
5、基于上述现状以及现有的技术确定仰角的校正因子比较困难，本发明提出了一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法。
技术实现思路
1、为了改善雷达仰角校正因子难以确定的情况，本发明提出了一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，本发明基于虚拟高度模型，提出一种通过地面散射回波的斜距-仰角分布特征，以仰角的rmse作为判断准则估计雷达校正因子的数值化分析算法，提高仰角的可靠性，从而获取探测目标的精确定位信息。
2、本发明采取如下技术方案：
3、一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其步骤包括：
4、步骤1、获取superdarn雷达探测的仰角数据，对其进行预处理，删除异常值以及无效值；
5、步骤2、利用多普勒速度、多普勒宽度条件筛选出每天的地面散射回波数据后，并对数据进行可视化分析。
6、步骤3、提取中山站地面散射回波的斜距-仰角分布特征；
7、步骤4、利用提出的仰角矫正算法绘制仰角-斜距峰值拟合曲线，不断调整仰角的大小，使雷达接收到的原地面散射回波仰角数据更好的符合虚拟高度模型；
8、步骤5、引入仰角的rmse作为评判筛选校正因子的数值化分析准则。
9、优选的，步骤1中的预处理过程如下：将提取到的superdarn雷达数据中仰角小于等于0的数据剔除。
10、优选的，步骤2中的数据筛选过程如下：
11、步骤2.1、根据superdarn雷达接收的多普勒速度(v)和多普勒谱宽(w)筛选地面散射回波，地面散射回波的显著特征是低多普勒速度、低多普勒谱宽，回波条件满足：
12、|v|,|w|<50m/s
13、g(|v|,|w|)＝|v|-(vmax-(vmax/wmax)|w|)<0
14、式中，vmax＝30m/s，wmax＝90m/s是superdarn数据分析软件实证推导出来的常数。
15、步骤2.2、在利用速度、谱宽条件筛选出每天的地面散射回波数据后，还需要对数据进行可视化分析，即所需的数据应该符合地面散射回波斜距与仰角之间的理论相关性，它在低角度模式下的预期模式应该是仰角随距离的增加而逐渐减小，直至趋向于零，并且虚拟高度应近乎保持恒定，筛选出合适的数据集。
16、优选的、步骤3中斜距-仰角分布特征的提取过程如下：利用筛选后的仰角、斜距数据作仰角-斜距密度图。地面散射回波的虚拟高度密度分布接近高斯分布，通过将高斯函数拟合到分布曲线上估计每个范围内的峰值高度，其峰值对应该斜距下仰角密度的最大值。在地面散射回波出现的斜距范围内，每一个斜距对应有一个虚拟高度密度的高斯拟合模型，根据预期模式的假设，这些高斯拟合的峰值对应的虚拟高度应该随斜距的改变保持恒定。其中，高斯拟合的公式如下：
17、
18、其中α为振幅，b为中心横坐标，c为标准差，与峰宽有关。
19、优选的、步骤4中的仰角校正算法流程步骤如下：按照步骤3中计算出每个斜距下的最大仰角，与斜距一一对应组成向量对，将其作为虚拟高度模型拟合的输入参量，其中，以虚拟高度公式的仰角表达式作为拟合函数的自定义式：
20、
21、式中，斜距r作为自变量，h作为待定系数。根据不同的输入向量对，h会在最佳拟合效果时自动确定。调整仰角的大小，观察雷达接收到的原地面散射回波仰角数据与虚拟高度模型的匹配情况。
22、优选的，步骤5中rmse的计算过程如下：观察结果图发现，雷达接收到的原地面散射回波仰角数据不能很好的匹配虚拟高度模型，实际与拟合的仰角有偏差，为了描述这个偏差值，并将这个偏差值作为评判筛选校正因子的数值化分析准则，本文引入了rmse。rmse的计算公式为：
23、
24、式中，vcor代表每次加入校正因子后的实际仰角与拟合虚拟高度计算的仰角之间的rmse值，n表示具有地面散射回波特征的距离门限数，ei表示每个斜距下实际仰角分布峰值，efit表示通过拟合虚拟高度公式计算得到的仰角值。在得到的结果中选择最小的rmse，其对应的仰角之间的差值即为该时间段内估计的雷达的校正因子。
25、与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
26、本发明首次提出利用不同斜距范围内仰角的均方根误差估计校正因子的新方法，以数值化分析的方式结合虚拟高度模型，在一定程度上提高了准确性。而且该算法具有很好的扩展性，首次给出了superdarn雷达三年内不同波束校正因子的范围变化，为后续研究波束与校正因子之间的关系提供了基础。
1.一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述superdarn雷达观测数据包括所需要的仰角、多普勒速度和多普勒频宽。
3.如权利要求1或2所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述步骤2中，筛选方法为：
4.如权利要求3所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述步骤2中，二次筛选方法为：筛选出的数据在低角度模式下的预期模式是仰角随距离的增加而逐渐减小，直至趋向于零，并且虚拟高度应近乎保持恒定。
5.如权利要求4所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述步骤3中，斜距-仰角分布特征提取方法如下：
6.如权利要求5所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，在地面散射回波出现的斜距范围内，每一个斜距对应有一个虚拟高度密度的高斯拟合模型。
7.如权利要求5所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述斜距的范围为：
8.如权利要求7所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述步骤4中，仰角校正算法流程步骤如下：
9.如权利要求8所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述步骤5中，rmse的计算过程如下：
10.如权利要求9所述的一种基于虚拟高度模型的superdarn雷达仰角校正方法，其特征在于，所述步骤5中，通过计算得到最小的rmse，其对应的仰角之间的差值即为该时间段内估计的雷达的校正因子。
