高精度预测罗兰‑C脉冲水下传播特性的方法技术

高精度预测罗兰‑C脉冲水下传播特性的方法，首先对罗兰‑C电流时域信号进行采样，将采样后的信号作离散傅里叶变换，分解为多个频率电流分量；然后利用现有长波频域算法计算每个频率电流元在水下接收点正上方的地球表面上辐射的地波场强；由得到的每个频率电流元在地球表面上辐射的地波场强，考虑边界约束条件和水下电波传播的幅度衰减及相位延迟，进一步得到每个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强；最后利用离散傅里叶逆变换，将得到的多个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强恢复为水下接收的罗兰‑C场强时域信号，该方法能够减小现有地波传播特性预测算法误差，提高预测精度，具有实用性强的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电波传播计算
，特别涉及一种高精度预测罗兰-C脉冲水下 传播特性的方法。
技术介绍
罗兰-C信号采用的是IOOkHz的脉冲相位调制信号，在对其电波传播特性进行高 精度预测时，除了考虑地球表面不规则、天地波干扰、天线辐射环境等因素的影响，还必须 考虑其在有耗媒质表面或有耗媒质中传播时的色散效应。在进行色散效应分析时，现有算 法中若接收点在地表面，则仅考虑罗兰-C信号在空气中沿不同电参数地表面传播时的色 散效应，当罗兰-C信号由空气再入水时，则忽略空气中传播时的色散，仅考虑罗兰-C信号 在水下传播时的色散效应，未考虑空气、海水两种媒质边界上场分量的约束条件。且现有算 法研究中，进行电场信号时域、频域分析处理时，采用罗兰-C发射电流信号波形近似电场 信号波形，对传播特性的预测会进一步引入误差。 实际上，罗兰-C信号发射台位于陆地上，在用于远程水下定位导航时，现有的对 罗兰-C信号由空气入水传播特性分析中，没有将将罗兰-C信号先沿地表面传播及再入水 传播时两部分色散效应综合考虑在内，也没有将空气、海水两种媒质边界上场分量的约束 条件考虑在内。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种高精度预测罗兰-C 脉冲水下传播特性的方法，能够减小现有地波传播特性预测算法的计算误差，提高预测精 度，具有精度高、实用性强的特点。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是： 高精度预测罗兰-C脉冲水下传播特性的方法，包括以下步骤： 步骤一： 设罗兰-C电流时域信号为i (t)，对实际测得的罗兰-C电流时域信号进行采样，采 样后得到信号为i (η)，将采样后的信号作离散傅里叶变换，分解为多个频率电流分量；离 散傅里叶变换公式如下： 其中，采样角频率为〇s，根据奈奎斯特采样定律选取，η为采样序号，i (η)的样本 总长度为N，N根据i (t)的信号周期及持续时间选取，即η = 0, 1，2···，N-l，I为电流频域 表示符，m = 0, 1，2···，N-1，点m处对应的角频率爻 步骤二： 根据实际发射天线尺寸，通过测量得到电偶极子的电荷间的距离1，由测得的观测 点位置计算得到观测点至场源的大圆角距离θ，利用现有长波频域算法，计算每个频率电 流元在水下接收点正上方的地球表面上辐射的地波场强民(m)，采用如下公式计算： λ为波长，由电流信号i(t)的载波频率确定，a为地球半径，k。为自由空间波数， π为圆周率，wgS地波衰减因子，根据实际信号传播路径地形，通过地波预测算法计算得 到，地波传播衰减因子频率范围为30Hz - 300ΚΗζ，Γ(πι)为I(m)的共辄；，每个频率电流元在水下接收点正上方的地球表面上辐射的地波 场强由其离散傅里叶变换的共辄对称特性得到； 步骤三： 通过实际测量得到入水深度ds，由步骤二中得到的每个频率电流元在地球表面上 辐射的地波场强，考虑边界约束条件和水下电波传播的幅度衰减及相位延迟，计算得到每 个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强；采用如下公式计算： 其中，kg为水中波数，由ε JP σ的值确定，λ为波长，a为地球半径，k。为自由 空间波数，Ag为空气和水分界面处归一化地表面阻抗，由下式表示： 其中，\和σ分别为水的相对介电常数和电导率，均通过测量得到，D t为每个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强由其离散傅里 叶变换的共辄对称特性得到； 步骤四： 利用离散傅里叶逆变换，将步骤三得到的多个频率电流元在水下接收点处辐射的 地波场强恢复为水下接收的罗兰-C场强时域信号，采用的离散傅里叶逆变换公式如下： 其中，笔.(轉为Er (m)的共辄。 与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果： 本专利技术提供了一种高精度预测罗兰-C脉冲水下传播特性的方法，将电场信号的 时域形式和空气、水下两部分色散效应及空气、海水两种媒质边界上场分量约束条件考虑 在内，能够减小现有地波传播特性预测算法的计算误差，提高预测精度。将预测得到的地波 相位结果用于罗兰-C信号接收机授时或导航定位时，可减小周期识别误差，一个周期识别 误差就是10微秒的授时误差，或者是3千米的一维定位误差。【附图说明】 图1为本专利技术实施例1传播路径示意图。 图2为本专利技术实施例1中不同算法得到的罗兰-C电场信号比较图（水表面接收）。 图3是本专利技术实施例1中不同算法得到的罗兰-C电场信号比较图（水下接收深 度 Im)。 图4是本专利技术实施例1中不同算法得到的罗兰-C电场信号比较图（水下接收深 度 5m) 〇 图5是本专利技术实施例1中不同算法得到的罗兰-C电场信号比较图（水下接收深 度 IOm)〇【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。 参见图1，为罗兰-C信号由空气入水传播模型。该罗兰-C信号沿陆海地球表面传 播的大圆距离为600km，其中陆地距离(I 1= 300km，海水距离d2= 300km。d JP (12均为测量 得到。 现以水下罗兰-C信号预测为实施例说明本专利技术的具体实施过程，包括以下步骤： 步骤一： 设罗兰-C电流时域信号为i (t)，起始时刻为0,即t = 0,对罗兰-C电流时域信号 进行采样，采样后得到信号为i (η)，将采样后的信号作离散傅里叶变换，分解为多个频率电 流分量；尚散傅里叶变换公式如下： 其中，采样角频率为〇s，根据奈奎斯特采样定律选取，η为采样序号，i (η)的样本 总长度为Ν，即η = 0, 1，2···，N-I，N根据i (t)的信号周期及持续时间选取，确保大于 信号持续时间，I为电流频域表示符，m = 0, 1，2···，N-1，点m处对应的角频率为j为 虚数单位，exp为指数函数； 所述步骤一中采用的正相位编码的罗兰-C信号电流波形i⑴： 其中A是与天线峰值电流幅度有关的常数，A = 1，t是包周差，exp为指数函数， JT为圆周率； 当地波传播表面为理想导体平面时，远区垂直电场ejt)可由下面公式近似得 到： 其中m。为真空磁导率，1电偶极子的电荷间的距离，I = lm，c为光速，d为传播距 离，^为对时间求导运算符； dt 若不考虑不规则路径的散反射波、天地波干扰、天线辐射环境复杂、时域脉冲信号 色散效应等因素的影响，接收点处的电场时域波形可直接用下式得到： 其中j为虚数单位，ds为入水深度，k g为水中波数，W g为地波衰减因子； 步骤二： 根据实际发射天线尺寸，通过测量得到电偶极子的电荷间的距离1，由测得的观测 点位置计算得到观测点至场当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
高精度预测罗兰‑C脉冲水下传播特性的方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：设罗兰‑C电流时域信号为i(t)，对实际测得的罗兰‑C电流时域信号进行采样，采样后得到信号为i(n)，将采样后的信号作离散傅里叶变换，分解为多个频率电流分量；离散傅里叶变换公式如下：I(m)=Σn=0N-1i(n)exp(-j2πNnm)---(1)]]>其中，采样角频率为ωs，根据奈奎斯特采样定律选取，n为采样序号，i(n)的样本总长度为N，N根据i(t)的信号周期及持续时间选取，即n＝0,1,2…,N‑1，I为电流频域表示符，m＝0,1,2…,N‑1，点m处对应的角频率为步骤二：根据实际发射天线尺寸，通过测量得到电偶极子的电荷间的距离l，由测得的观测点位置计算得到观测点至场源的大圆角距离θ，利用现有长波频域算法，计算每个频率电流元在水下接收点正上方的地球表面上辐射的地波场强Er(m)，采用如下公式计算：当ωsNm≤ωs2]]>时，Er(m)=j120πI*(m)lλ(m)aθsinθexp(jk0(m)aθ)Wg(m)---(2)]]>λ为波长，由电流信号i(t)的载波频率确定，a为地球半径，k0为自由空间波数，π为圆周率，Wg为地波衰减因子，根据实际信号传播路径地形，通过地波预测算法计算得到，地波传播衰减因子频率范围为30Hz—300KHz，I*(m)为I(m)的共轭；当时，每个频率电流元在水下接收点正上方的地球表面上辐射的地波场强由其离散傅里叶变换的共轭对称特性得到；步骤三：通过实际测量得到入水深度ds，由步骤二中得到的每个频率电流元在地球表面上辐射的地波场强，考虑边界约束条件和水下电波传播的幅度衰减及相位延迟，计算得到每个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强；采用如下公式计算：当ωsNm≤ωs2]]>时，Er(m)=Δg2(m)exp(jkg(m)ds)j120πI*(m)lλaθsinθexp(jk0(m)aθ)Wg(m)---(3)]]>其中，kg为水中波数，由εr和σ的值确定，λ为波长，a为地球半径，k0为自由空间波数，Δg为空气和水分界面处归一化地表面阻抗，由下式表示：Δg=j(k0a2)13ϵr-1+j60λσϵr+j60λσ---(4)]]>其中，εr和σ分别为水的相对介电常数和电导率，均通过测量得到，Dt为的相位；当时，每个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强由其离散傅里叶变换的共轭对称特性得到；步骤四：利用离散傅里叶逆变换，将步骤三得到的多个频率电流元在水下接收点处辐射的地波场强恢复为水下接收的罗兰‑C场强时域信号，采用的离散傅里叶逆变换公式如下：er(n)=1NΣm=0N-1Er*(m)exp(j2πNnm)---(5)]]>其中，为Er(m)的共轭。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周丽丽，穆中林，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61