一种利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法技术

利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，1)使用Gerstoft提出的五参数经验模型即海上大气环境建立大气折射率廓线参数化；2)计算雷达回波功率P

A method of retrieving atmospheric duct by radar echo using LPSO algorithm

Using the LPSO algorithm to retrieve atmospheric duct by radar echo, 1) using the five parameter empirical model proposed by Gerstoft, namely, the atmospheric atmospheric environment, the parameterization of atmospheric refractive index profiles; and (2) the radar echo power P is calculated

【技术实现步骤摘要】
一种利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法
本专利技术涉及大气科学、气象雷达领域，具体为一种利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法。
技术介绍
在一定的气象条件下，在大气边界层尤其是在近地层中传播的电磁波，受大气折射的影响，其传播轨迹弯向地面，当曲率超过地球表面曲率时，电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层内，就像电磁波在金属波导管中传播一样，这种现象称为大气波导传播，形成波导传播的大气薄层称为大气波导(Atmosphericduct)。当大气环境中出现大气波导时，大气波导可能会显著改变电磁波的传播路径和传播范围，从而会显著影响雷达、无线电通信、无线电接收和无线电制导等电子系统的有效作战性能和作战战术。由于大气波导能将雷达发射的电磁波部分地捕获到波导层内传播，这就使得在大气波导层顶部上方一定的空间范围内出现雷达电磁波的探测盲区。这在气象雷达的业务观测中是非常重要的，甚至在军事应用上有一定的影响。尽管近年来国内外在大气波导RFC(Refractivity-from-clutter)反演方面的研究工作取得了不少成果，但由于问题的复杂性，RFC的研究并未就此结束，还有许多问题需要进一步探索，其中最重要的问题是波导折射率廓线的参数化以及在多维参数空间中如何提高搜索效率等问题，在反演中引入各种软硬约束条件以提高反演精度，例如雷达多个仰角上的回波数据、PPI回波图中有规律的回波增强距离间隔和其它中尺度模式数据等。大气波导RFC是一个多参数最优化问题，由抛物波动方程反演大气波导参数具有高度的非适定性和解空间的多维性，所以RFC对反演精度及所耗费的时间有严格的限制，因此寻找一种既精确又高效的反演算法是RFC技术面临的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，以减弱RFC对反演精度及所耗费的时间有严格的限制，拓展气象雷达的应用范围，实现对大气波导进行快速、实时、高效监测，满足我国对海上电磁环境研究和监测的需要。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：根据海上大气环境建立大气折射率廓线参数化模型；结合大气实际折射率廓线和雷达系统参数，采用正演模型计算仿真雷达回波功率；利用实测雷达回波功率和仿真雷达回波功率建立目标函数；最后，利用已建立的目标函数，采用合适的优化算法反演大气波导参数。上述方法具体步骤如下：利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，其特征在于实现步骤为：(1)使用美国加利福尼亚海军物理实验室Gerstoft等人提出了具有普适性的五参数经验模型即海上大气环境建立大气折射率廓线参数化，如下：其中，δ是蒸发波导厚度、c1混合层的斜率、zb是波导底的高度、zthick是表面波导的厚度、Md是陷获层底和陷获层顶大气修正折射率之差(M-deficit)；z0为粗糙因子，在中性大气条件下，一般取参数z0＝0.00015,c0＝0.13；单位为M；c2是陷获层以上大气的修正折射率梯度，一般取为0.118；zt是波导陷获层顶的高度，zt＝zb+zthick，zd可由下式计算：(2)计算雷达回波功率Pc，被表示为：Pt是雷达发射功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，Ac是雷达电磁波照射区域大小，σ0是归一化散射系数，λ是电磁波波长；(3)根据雷达低入射角时，与雷达电磁波传播距离成线性函数关系，改写上式为：C代表式中所有的常量，L是雷达电磁波的单程传播损耗即Lloss，将上式Pc的量用dB单位表示，则上式可改写为：Pc(x,m)＝-2L(x,m)+σ0(x)+10log10(x)+C(6)(4)基于抛物型方程(PE)传播模式，雷达电磁波传播可写为如下初边值问题：x和z分别为水平距离和垂直高度，u表示场强；m为大气修正折射率，k0表示真空波数，φ表示表示初始场；(5)在给定边界条件下，若已知距离xk处的解u(xk,z)，对上式作‘Fourier变换’和‘Fourier逆变换’，可得到处的解：F和F-1分别表示‘Fourier变换’和‘Fourier逆变换’，P是Fourier变换变量，实际应用中常取-Pmax＜P＜Pmax，此处取P＝k0sinη，η为仰角，Pmax对应着计算中所取的最大仰角ηmax，Pmax与zmax之间满足Nyquist定理：zmax·Pmax＝πN，N为快速Fourier变换大小；(6)定义方向图传播因子F为空间某点处的实际场强与同一发射天线在自由空间中沿天线最大发射方向上相同距离点处场强之比：在平面直角坐标系中，方向图传播因子可由下式确定：(7)利用步骤(5)和步骤(6)获得参数，最后可由下式算出传播路径上(x,z)处的单程传播损耗值L，(8)将步骤(7)获得的单程传播损耗值L带入步骤(3)中(6)式，获得雷达回波功率Pc；(9)结合真实大气折射率廓线和雷达系统参数，采用正演模型计算雷达回波功率(10)利用实测雷达回波功率和仿真雷达回波功率建立目标函数：f(m)＝eeT(11)其中，和分别是实测雷达回波功率和仿真回波功率Pc的平均值，有归一化因子的作用，使该目标函数具有归一化功能，J值越小，表明反演值与观测值的一致程度越高，得到的参数值越准确；(11)利用已建立的目标函数，采用LPSO算法反演大气波导参数。LPSO算法参数反演的详细步骤描述如下：步骤1：初始化参数及所有粒子的速度和位置。步骤2：开始迭代过程，更新迭代数n＝n+1。步骤3：计算每个粒子的适应度值，确定当前最优解xibest以及最优适应度值Fibest。步骤4：用式子(14)和(15)更新粒子的速度vi和位置xi。vid(t+1)＝ω*vid(t)+c1r1(pid(t)-xid(t))+c2r2(pgd(t)-xid(t))(14)xid(t+1)＝xid(t)+vid(t+1)(15)步骤5：利用Lévy飞行再次更新粒子的位置。步骤6：计算新解xi(t+1)的适应度值Fi(t+1)。步骤7：检查是否达到最大迭代次数，如果达到，输出最优解，如果没有达到，则继续Step2。本专利技术是一种利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，LPSO是一种粒子群算法(PSO)和莱维飞行(Lévyflight)结合的混合算法，新改进算法具有更好收敛速度和效率，局部搜索能力更强。本专利技术与现有技术相比的有益效果：(1)本专利技术可以实时、高效的通过雷达回波进行大气波导，这是传统仪器所无法实现的。(2)本专利技术在进行大气波导监测的同时，可以获取电磁波传播损耗，为电磁波干扰提供基础。(3)本专利技术除了可以对海上的大气波导进行遥感测量分析外，还可以对陆地悬空大气波导进行实时监测。(4)本专利技术计算便于程序化，能够是无人值守的自动反演测量。附图说明图1为本专利技术方法实现的流程图；图2为大气波导参数化经验模型图示；a、b、c、d四曲线分别对应着蒸发、表面、悬空、混合波导的情况；图3为LPSO算法流程图；图4为LPSO与PSO及GA算法反演结果比较，其中(a)大气修正折射指数廓线，(b)电磁波传播功率损耗值；图5为LPSO、PSO和GA算法在迭代过程中最优适应度值的收敛特征；图6为雷达平扫的PPI回波功率值示意图；图7为基于真实雷达回波资料反演获得的大气折射率廓线；图8为基于Wallops98实验数据的反演结本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，其特征在于实现步骤为：(1)使用Gerstoft提出的五参数经验模型即海上大气环境建立大气折射率廓线参数化：

【技术特征摘要】
1.利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，其特征在于实现步骤为：(1)使用Gerstoft提出的五参数经验模型即海上大气环境建立大气折射率廓线参数化：其中，δ是蒸发波导厚度、c1混合层的斜率、zb是波导底的高度、zthick是表面波导的厚度、Md是陷获层底和陷获层顶大气修正折射率之差(M-deficit)；z0为粗糙因子，在中性大气条件下，一般取参数z0＝0.00015,c0＝0.13；单位为M；c2是陷获层以上大气的修正折射率梯度，一般取为0.118；zt是波导陷获层顶的高度，zt＝zb+zthick，zd可由下式计算：(2)计算雷达回波功率Pc，被表示为：Pt是雷达发射功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，Ac是雷达电磁波照射区域大小，σ0是归一化散射系数，λ是电磁波波长；(3)根据雷达低入射角时，与雷达电磁波传播距离成线性函数关系，改写上式为：C代表式中所有的常量，L是雷达电磁波的单程传播损耗即Lloss，将上式Pc的量用dB单位表示，则上式可改写为：Pc(x,m)＝-2L(x,m)+σ0(x)+10log10(x)+C(6)(4)基于抛物型方程(PE)传播模式，雷达电磁波传播可写为如下初边值问题：x和z分别为水平距离和垂直高度，u表示场强；m为大气修正折射率，k0表示真空波数，φ表示表示初始场；(5)在给定边界条件下，若已知距离xk处的解u(xk,z)，对上式作‘Fourier变换’和‘Fourier逆变换’，可得到处的解：

【专利技术属性】
技术研发人员：盛峥，廖麒翔，范志强，李金武，张轶尧，张志华，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32