海洋-电离层混沌动力学特征提取方法、装置、介质、应用制造方法及图纸

本发明专利技术属于高频地波超视距雷达和海洋与电离层动力学技术领域，公开了海洋

【技术实现步骤摘要】
海洋
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电离层混沌动力学特征提取方法、装置、介质、应用


[0001]本专利技术属于一种高频地波超视距雷达和海洋与电离层动力学
，公开了一种高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法、装置、接收用户输入程序存储介质以及应用。

技术介绍

[0002]目前，自从高频地波超视距雷达(HFSWR:HighFrequencySurfaceWaveRadar)研制成功以来，人们除了用于海上超视距目标探测与跟踪外，大力开展HFSWR海洋与电离层动力学特征研究。其中，人们十分关注HFSWR海洋回波和电离层回波的混沌特征研究。混沌是一种非线性动力学规律控制的行为，混沌现象是非线性确定性动力系统所表现的一种复杂行为，具体表现在对初始值的敏感性，其吸引子的维数是分维。混沌有十分复杂的分形结构，具有短期可预测性和长期不可预测性。40多年来混沌已经成为一项热门的非线性领域课题，现已成为研究内容极为丰富，应用范围极其广泛的前沿性研究领域。上世纪90年代本专利技术申请人开展了HFSWR海浪回波混沌特征研究，提取了海洋回波混沌特征，并应用HFSWR海洋回波混沌预测模型，成用地抑制了海杂波，进而促进了强海杂波背景下船目标检测跟踪研究。近几年本专利技术申请人通过对哈尔滨工业大学(威海)高频地波雷达站实测数据的分析，初步证实了HFSWR电离层回波所具有的弱混沌性，提出电离层不均匀结构的分形特性以及混沌时间序列问题。
[0003]从混沌系统的特性分析中得到，HFSWR海浪回波和电离层回波都具有奇异吸引子，其主要物理特征，一是HFSWR海浪回波和电离层回波对初始条件十分敏感，进入奇异吸引子的部位稍有差异，运动轨道就截然不同；二是具有非整数的维数；三是都具有吸引子关联维、最大李亚普诺夫指数以及Kolmogorov熵等混沌特征参数。由于电离层参量随地理位置、昼夜、季节及太阳活动因素而变化，因此HFSWR电离层动力学特征研究远比海洋回波动力学特征研究复杂。目前关于HFSWR电离层回波混沌特征的研究处于探索阶段。另外，目前大部分研究仅仅针对于判断HFSWR海洋回波或电离层回波是不是一个混沌过程进行研究，尚未开展HFSWR海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征研究，其研究处于国内外空白。
[0004]HFSWR作为大功率大型电子设备，尤其是雷达发射和接收阵面非常庞大，通常发射天线阵长几百米，接收天线阵长上千米，收发天线阵地面积达数万平方米。现有技术中，如HFSWR威海站收发天线阵，但现有的HFSWR还不能实现海洋
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电离层同步探测，即同频同步获取海洋与电离层信息。这就需要在现有的HFSWR基础上重新搭建同频同步获取海洋与电离层信息的HFSWR。图2表示了海洋
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电离层探测HFSWR系统基本框图。可见，海洋
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电离层探测HFSWR在系统架构上增加了接收B阵(用于电离层探测)和电离层信号接收以及信号处理通道。然而，海洋
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电离层探测HFSWR的时间、频率资源的管理十分复杂。其根本原因在于需要获取同频同步的HFSWR海洋与电离层探信息，即需要设计同频同步获取海洋与电离层信息的目标函数设计(如波形编码、发射频率、扫频方式、信号处理模式、积累时间以及时间和频率资源的需求)。
[0005]HFSWR海浪回波和电离层回波均被证实具有混沌动力学特征。图3表示了海浪回波混沌特征，图4表示了电离层回波混沌特征。目前国内外尚未公开同频同步获取的HFSWR海洋
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电离层复合系统混沌动力学提取技术与装置。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0007](1)现有技术中，不能实时对海上全天候超视距目标的探测，不能实时对海洋自然灾害和近地空间环境监测，以及不能实时对整个日地空间环境进行监测，不能为获取海上准确信息，提供理论支撑。
[0008](2)目前国内外尚未公开同频同步获取的HFSWR海洋
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电离层复合系统混沌动力学提取技术与装置，使得对海上准确、实时信息获取受限。
[0009]本专利技术基本依据是HFSWR回波中不但含有海上舰船目标和飞行目标的回波信息，同时还含有海洋和电离层反射多路径回波以及各种干扰回波，这为海洋以及电离层动力学特征研究提供了大量的信息。本专利技术将促进海洋
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电离层之间动力学特征研究，无论是对于提升海上超视距目标的探测全天候性能，实时监测海洋自然灾害和近地空间环境，还是对于人们认识整个日地空间环境(指海洋与近地空间，包括电离层扰动)都具有积极的重要科学意义。
[0010]本专利技术申请人研究结果表明，HFSWR海洋回波具有类球形状混沌吸引子几何特征，电离层回波具有类柱状混沌吸引子几何特征，而本专利技术提出的是HFSWR海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征。混沌系统的吸引子几何特征具有重要的特征。混沌系统吸引子的几何特征为构建混沌预测模型提供理论支撑。因此，本专利技术将提供HFSWR海洋
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电离层复合系统混沌吸引子几何特征技术，包括如何描述海洋
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电离层复合混沌系统的初值敏感性、李雅普诺夫指数在内的多种不变量的提取以及延迟时间嵌入维度等吸引子重构参数提取等问题。

技术实现思路

[0011]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法、装置、接收用户输入程序存储介质以及应用。本专利技术目的在于为HFSWR海洋
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电离层复合系统动力学特征研究提供复合系统构造与混沌特征提取技术和装置，从而促进HFSWR海洋
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电离层复合系统动力学研究。
[0012]所述技术方案如下：一种高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法具体包括：
[0013]S1，构造海洋
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电离层信息获取高频地波超视距雷达：在原有的高频地波超视距雷达系统上增加接收电离层回波的天线阵和接收通道，同时架设电离层探测垂直仪，用于电离层监测；
[0014]S2，构造HFSWR海洋
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电离层探测目标函数：由外部电磁环境、海况、海洋
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电离层探测任务优先级、发射频率模式参数构造海洋
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电离层探测目标函数；
[0015]S3，同步获取海洋和电离层回波时序和积累时间，完成海洋与电离层回波时间对齐；
[0016]S4，从获取HFSWR回波信号中分离海洋和电离层信号，获得海洋和电离层同频同步回波；
[0017]S5，对海洋和电离层回波信号进行归一化处理：分别对对海洋和电离层回波信号
进行归一化处理，获得归一化的海洋和电离层回波信号；
[0018]S6，由归一化的海洋与电离层回波信号构造海洋
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电离层回波复合系统；
[0019]S7，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法，其特征在于，所述高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法包括：通过构造海洋
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电离层信息获取高频地波超视距雷达，从高频地波超视距雷达回波中获取海洋
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电离层回波；通过构造海洋
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电离层复合系统，提取海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征；基于获取的海洋
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电离层回波、海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征对海上超视距目标进行全天候探测、实时监测海洋自然灾害和近地空间环境，以及日地空间环境进行监测。2.根据权利要求1所述的高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法，其特征在于，所述高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法具体包括：S1，构造海洋
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电离层信息获取高频地波超视距雷达：在原有的高频地波超视距雷达系统上增加接收电离层回波的天线阵和接收通道，同时架设电离层探测垂直仪，用于电离层监测；S2，构造HFSWR海洋
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电离层探测目标函数：由外部电磁环境、海况、海洋
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电离层探测任务优先级、发射频率模式参数构造海洋
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电离层探测目标函数；S3，同步获取海洋和电离层回波时序和积累时间，完成海洋与电离层回波时间对齐；S4，从获取HFSWR回波信号中分离海洋和电离层信号，获得海洋和电离层同频同步回波；S5，对海洋和电离层回波信号进行归一化处理：分别对对海洋和电离层回波信号进行归一化处理，获得归一化的海洋和电离层回波信号；S6，由归一化的海洋与电离层回波信号构造海洋
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电离层回波复合系统；S7，海洋
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电离层回波复合系统进行Tent混沌映射；S8，提取海洋
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电离层二维系统混沌特征参数：吸引子关联维数、最大李雅普诺夫指数以及Kolmogorov熵。3.根据权利要求2所述的高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法，其特征在于，所述S2具体包括：海洋探测指标函数ρ1包括：由工作频率优先级等级W1，海态遥感参数优先级W2，积累时间T0，传播衰减β，海浪回波一阶谱强度δ
T
，海浪回波二阶谱面积σ
T
，记为ρ1(W1,W2,T0,β,δ
T
,σ
T
)；其中，工作频率由雷达频监系统提供，回波一阶和二阶谱信息经回波信号二维傅里叶变换得到；电离层探测指标函数设计包括ρ2：由外部电磁环境优先级等级W1，电离层回波等级发射频率模式f
m
参数构造，记为其中，外部电磁环境评估由频监系统给出，电离层回波等级分为差、一般、良好三个等级，发射频率模式有单频、双频、扫频模式；海洋
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电离层信息获取目标函数化表示为f＝ρ1ρ2。4.根据权利要求2所述的高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法，其特征在于，所述S3具体包括：确定工作频率：首先通过海洋
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电离层信息获取高频地波超视距雷达装置的频监通道选择获取海洋回波的频段，并分别计算目标探测目标函数ρ1最大值，然后通过电离层探测
垂直仪检验海洋回波获取提供的选频对应的电离层探测目标函数ρ2值，最后通过与的计算确定能够同时获取海洋
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电离层信号的工作频率；确定积累时间：首先选择获取海洋信息所需的最短积累时间，然后用电离层探测垂直仪检验该积累时间的选择是否存在电离层信息获取的混叠；若存在混叠，重新选择积累时间来进行检验，直至正常获取海洋与电离层回波信息；获取海洋
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电离层信息HFSWR回波：用确定的工作频率和积累时间参数获取HFSWR回波信息；剔去高频干扰：采用辅助通道方法剔去高频干扰，辅助通道和主通道共用同一个天线阵，首先在辅助通道进行干扰源估计，然后进行干扰源波达方向估计，最后把多波束天线阵元加权值送到主通道数字形成波束形成器。5.根据权利要求2所述的高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法，其特征在于，所述S4具体包括：分离海洋与电离层回波：采用深度学习中的目标检测算法FasterR
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CNN，从HFSWR回波距离
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多普勒谱中自动提取海洋和电离层回波；提取海洋信息：HFSWR回波的一阶谱和二阶谱的探测范围不同，一阶谱探测范围可达数百公里，二阶谱探测范围大致为一阶谱探测范围一半；在第一阶段仅能利用一阶谱提取海态参数，采用基于一阶谱的有效波高反演方法，即在第一阶段仅能利用一阶谱提取海态参数，采用基于一阶谱的有效波高反演方法，即其中，H
s
为有效波高，k0为雷达波数，α和β为拟合参数，B
+
和B
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分别是正负一阶峰的强度，s为Longuet
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Higgins风向分布函数中的参数；在第二阶段利用二阶谱提取海态参数，采用多海况下联合估计有效波高方法，即其中，ξ为拟合参数，R
w
为二阶谱与一阶谱能量比值；其他海态参数如风场、浪场可用传统的反演公式获得；提取电离层信息：1)电离层电子浓度反演；2)F2层临界频率f0F2反演；3)电离层高度估计；4)电离层多普勒频移估计。6.根据权利要求5所述的高频地波超视距雷达海洋
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电离层复合系统混沌动力学特征提取方法，其特征在于，所述步骤1)电离层电子浓度反演包括：
①
定频探测模式：设电离层雷达照射面积为S，由单个电子的散射截面σ
e
≈10
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28<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕哲，于长军，刘爱军，王霖玮，权太范，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：