一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，具体为：首先对罗兰‑C电流时域信号进行采样，对采样后的信号作离散傅里叶变换，将其分解为多个频率电流分量；然后采用平地面公式计算每个频率电流分量在近区所辐射的磁场，并通过近远区边界上的磁场结果作为非均匀网格剖分的离散分布抛物方程方法的初始场计算远区磁场，从而得到每个频率电流分量在地表所产生的磁场；最后，采用基于滑动窗思想的傅里叶逆变换，从得到的多个频率电流分量在地表辐射的频域磁场恢复出时域磁场信号。本发明专利技术方法克服现有理论难于预测实际长距离罗兰‑C信号ASF分布的不足，与现有频域方法相比，预测精度明显提高，具有实用性强的特点。

A method for high resolution prediction of ASF with discrete discrete Parabolic Equations

The invention discloses a method, a ASF high prediction accuracy of narrowband discrete distribution of parabolic equations in particular: first of all Luo Lan C current time-domain signal sampling, discrete Fourier transform of the sampled signals, which can be decomposed into a plurality of frequency current components; and then calculate the radiation in the near field of each frequency component of current use flat ground formula of magnetic field, and the initial field through the boundary of near and far zone on the field as a result of non uniform mesh discrete distribution of parabolic equation method for the calculation of the far zone field, resulting in each frequency component of current generated in the magnetic field; finally, using Fourier transform sliding window based on the idea of change, from the magnetic field frequency a plurality of frequency current components in the surface radiation recovery time domain magnetic field signal. The method of the invention is to overcome the existing theory, it is very difficult to predict the actual length of less than C Roland ASF distribution of the signal distance, compared with the existing frequency-domain method, the prediction accuracy is obviously improved, with strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法
本专利技术属于电波传播
，具体涉及一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法。
技术介绍
目前获取罗兰-C附加二次时延(AdditionalSecondaryFactor，ASF)的方法可以分为两类：时域方法和频域方法。其中时域方法都是基于FDTD方法展开的，这类方法预测精度高，但是内存消耗大、计算时间过长，因此其不适用于长距离电波传播问题。频域方法主要包括：平地面公式、Fock绕射方法、Wait积分、Millington公式、积分方程(IntegralEquation，IE)方法、抛物方程(ParabolicEquation，PE)方法等。频域方法仅适用于单频信号电波传播预测，其对ASF的求解均是依据对100kHz单频信号展开的，而实际的罗兰-C信号为100kHz载波调制的高斯脉冲，周围环境对罗兰-C信号和单频信号的影响不同。因此，有必要对实际长距离罗兰源的ASF分布进行仿真预测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，解决现有时域方法不适用于长距离电波传播，而现有频域方法预测精度低的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：对实测罗兰-C时域电流时域信号i(t)进行采样，采样后得到信号i(n)，其中，n＝0,1,2,…,Nt，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I(m)，其中，m＝0,1,2,…,Nf；步骤2：当m＝0时，利用平地面公式计算频率f(m)对应的电流分量I(m)在近区即区域I(ρ≤ρ0)产生的磁场分布步骤3：以步骤2计算的近区最大处即近远区边界ρ＝ρ0处的磁场作为远区即区域II(ρ≥ρ0)的激励源，用非均匀网格剖分的离散分布抛物方程方法用于求解远区的磁场分布步骤4：通过步骤2和步骤3可得到频率为f(m)的电流分量I(m)在地面接收点辐射的磁场强度；更新步骤2和步骤3中的m，对其赋值为m＝m+1，当f(m)≤fmax时，重复步骤2和步骤3即可求得罗兰-C带宽中每个频率处电流分量I(m)在地面接收点辐射的磁场强度步骤5：基于滑动窗的思想，对步骤4中计算的磁场分布，采用离散傅里叶逆变换求解地表任意距离处接收到的时域罗兰-C信号和滑动时间twindow(ρ)，并提取ASF(ρ)分布。本专利技术的特点还在于：步骤1中得到电流分量I(m)具体为：对采样后的信号i(n)作离散傅里叶变换，公式为：其中，Nt和Δt分别为离散时域电流信号的样本长度和采样步长，Nf和Δf分别为离散频域电流信号的样本长度和采样步长，记Imax为I(m)的最大值，fmax和fmin为频率上下边界且均对应于0.1Imax处的频率，为了简便，记f(m)＝fmin+mΔf，且有f(m)≤fmax。步骤2具体为：设时谐因子为ejωt，采用二维柱坐标系(ρ,z)，其中ρ和z分别表示为距离和高度坐标，根据实际发射天线尺寸，通过测量得到垂直电偶极子的电荷间距dl，放置在距离地面高度为d的位置，利用平地面公式计算近区即ρ≤ρ0频率为f(m)的电流分量所产生的辐射地波磁场采用如下公式计算：其中，ρ0为近区与远区的分界处，k0和k1分别对应频率为f(m)真空和地面的波数，r1表示从源点到观测点的直线距离，r0表示从源的镜像点到观测点的直线距离，P为中间参量为：F(z)是Fresnel积分，其定义为：步骤3中用非均匀网格剖分的离散分布抛物方程方法用于求解远区的磁场分布具体为：首先将近远场边界处的磁场作为远区的激励源，即定义沿ρ轴正方向传播的波函数为：离散分布抛物方程方法的求解过程为步进迭代算法：其中，和为离散混合傅里叶变换对，为大气折射率，Δρ为ρ方向的网格大小，对于实际的复杂地形，Δρ为非均匀网格，在均匀平地面Δρ为大网格，在起伏地形处，Δρ取小网格；由步骤2计算可得到频率为f(m)的电流分量在近远区边界产生的磁场将其代入式(4)和(5)中求得u(m,ρ0,z)，通过式(6)求出每一步进处的u(m,ρ,z)，从而进一步确定该频率成分电流分量在远区辐射的磁场步骤4具体为：步骤2和步骤3可得到频率为f(m)的电流分量I(m)在整个计算区域产生的磁场强度包含区域I和区域II产生的磁场和为了求解地面ASF分布，提取地面接收点zx＝T(x)辐射的磁场强度其中T(x)是地形高度；更新步骤2和步骤3中的m，对其赋值为m＝m+1，当f(m)≤fmax时，重复步骤2和步骤3求得罗兰-C带宽中每个频率处电流分量在地表面的磁场强度步骤5具体为：定义滑动窗IDFT：其中，Nw是滑动窗的网格数且Nw＝4T/dt，T为载波周期，4T既表示罗兰-C信号的前四载波周期，也表示滑动窗的持续时间，twindow(ρ)表示每一距离窗口的滑动时间；下面给出ASF(ρ)提取公式：ASF(ρ)＝TAT-TAT0(8)其中TAT(ρ)＝twindow(ρ)+3T(9)TAT0(ρ)＝twindow0(ρ)+3T(10)twindow(ρ)和twindow0(ρ)分别表示实际路径和良导体路径的滑动时间，TAT(ρ)和TAT0(ρ)分别表示实际路径和良导体路径的信号跟踪点的到达时刻；结合式(8)、(9)和(10)求出地表的ASF(ρ)分布。twindow(ρ)具体为：地波的传播速度小于光速C，所以在应用滑动窗的时候，要随时监测相位跟踪点在窗中的位置Ns有没有发生变化，已知初始时刻相位跟踪点的位置为3Nw/4，开始窗口以光速滑动，每当窗口滑动一次，就需要对此刻相位跟踪点的位置Ns进行校对，当Ns等于3Nw/4，窗口不动且将ρ赋值为ρ+Δρ，否则，向后滑动Ns-3Nw/4个时间网格并且将ρ保持不变，校正后的twindow(ρ)可用公式表示为：通过步骤4已求出各个频率成分电流分量在地面产生的磁场的将代入式(7)中的H(m)中；结合式(11)，即可求出地表任意距离处接收到的twindow(ρ)。本专利技术的有益效果是：①本专利技术克服了传统方法难于预测实际罗兰-C信号源在长距离复杂环境下的ASF分布，提出一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法。与传统SSPE方法相比，该方法直接从罗兰-C信号源入手，对其进行分析，而非100kHz的单频信号，这样避免了对源的近似带来的误差；并且该方法的到达时刻是从时域恢复的罗兰-C信号中提取第三时刻载波周期的过零点，该操作与实际相符，而非100kHz单频信号是从频域对衰减因子相位进行预测。从而，该方法的ASF预测结果比传统SSPE方法与实际吻合的更好。②本专利技术一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法基于传统SSPE方法对远区场分布进行求解，为了提高分布离散傅里叶变换(Split-StepFourierTransform，SSFT)算法的总体效率，采用非均匀剖分网格思想，在均匀平缓路径，使用大网格，在复杂地形路径，使用小网格。③本专利技术一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法将滑动窗思想和IDFT技术结合，提出滑动窗IDFT，从而能够高效的从频域信号中恢复出有用的截断时域信号，而不产生任何冗余，大大提高了计算的效率。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是本专利技术方法的结构示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：对实测罗兰‑C时域电流时域信号i(t)进行采样，采样后得到信号i(n)，其中，n＝0,1,2,…,N

【技术特征摘要】
1.一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1：对实测罗兰-C时域电流时域信号i(t)进行采样，采样后得到信号i(n)，其中，n＝0,1,2,…,Nt，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I(m)，其中，m＝0,1,2,…,Nf；步骤2：当m＝0时，利用平地面公式计算频率f(m)对应的电流分量I(m)在近区即区域I(ρ≤ρ0)产生的磁场分布步骤3：以步骤2计算的近区最大处即近远区边界ρ＝ρ0处的磁场作为远区即区域II(ρ≥ρ0)的激励源，用非均匀网格剖分的离散分布抛物方程方法用于求解远区的磁场分布步骤4：通过步骤2和步骤3可得到频率为f(m)的电流分量I(m)在地面接收点辐射的磁场强度；更新步骤2和步骤3中的m，对其赋值为m＝m+1，当f(m)≤fmax时，重复步骤2和步骤3即可求得罗兰-C带宽中每个频率处电流分量I(m)在地面接收点辐射的磁场强度步骤5：基于滑动窗的思想，对步骤4中计算的磁场分布，采用离散傅里叶逆变换求解地表任意距离处接收到的时域罗兰-C信号和滑动时间twindow(ρ)，并提取ASF(ρ)分布。2.根据权利要求1所述的一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，其特征在于，所述步骤1中得到电流分量I(m)具体为：对采样后的信号i(n)作离散傅里叶变换，公式为：其中，Nt和Δt分别为离散时域电流信号的样本长度和采样步长，Nf和Δf分别为离散频域电流信号的样本长度和采样步长，记Imax为I(m)的最大值，fmax和fmin为频率上下边界且均对应于0.1Imax处的频率，为了简便，记f(m)＝fmin+mΔf，且有f(m)≤fmax。3.根据权利要求1所述的一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，其特征在于，所述步骤2具体为：设时谐因子为ejωt，采用二维柱坐标系(ρ,z)，其中ρ和z分别表示为距离和高度坐标，根据实际发射天线尺寸，通过测量得到垂直电偶极子的电荷间距dl，放置在距离地面高度为d的位置，利用平地面公式计算近区即ρ≤ρ0频率为f(m)的电流分量所产生的辐射地波磁场采用如下公式计算：其中，ρ0为近区与远区的分界处，k0和k1分别对应频率为f(m)真空和地面的波数，r1表示从源点到观测点的直线距离，r0表示从源的镜像点到观测点的直线距离，P为中间参量为：F(z)是Fresnel积分，其定义为：4.根据权利要求1所述的一种高精度预测ASF的窄带离散分布抛物方程方法，其特征在于，所述步骤3中用非均匀网格剖分的离散分布抛物方程方法用于求解远区的磁场分布具体为：首先将近远场边界处的磁场作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：席晓莉，王丹丹，张金生，蒲玉蓉，李征委，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61