一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法技术

本发明专利技术涉及一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，采用时间累积、方向锁定、波束定时的方法，在已知目标舰船航海雷达参数的基础上，获取监测链路上的路径损失数据，通过建立监测链路上水平非均匀的蒸发波导剖面模型，并结合电磁波高级传播模型、目标函数、全局寻优算法、插值同化算法等，以水平均匀环境反演结果为初值，设置目标函数搜索阈值，反演得到监测链路上非均匀蒸发波导分布。合理利用舰船航海雷达的已知信息，实时被动接收射频信号，反演蒸发波导剖面，降低反演难度，提高反演效率，实现蒸发波导剖面的被动信号反演，获取海上电磁波传播的环境特性，保障海上电磁系统的超视距工作需求。系统的超视距工作需求。系统的超视距工作需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法


[0001]本专利技术属于近海面蒸发波导、海上大气、海洋物理等
，属于蒸发波导剖面反演方法，涉及一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法。

技术介绍

[0002]蒸发波导是经常出现在对流层内的一种较为常见的海上大气波导现象，这种现象的产生源于大气中的温度、湿度、压力等气象因素之间的相互作用。由于海水的蒸发，在海面上出现海汽相互作用，蒸汽不断扩散，随着扩散的高度增加，大气环境中的大气折射率不断减小，到达一定高度时，就会出现折射率小于地球海面曲率的现象，电磁波就被陷获在这一层面中，从而实现超视距传播。
[0003]目前，蒸发波导的主动反演方法需要发射端发射电磁波信号，通过接收的路径损耗数据进行计算，增加了监测的复杂性及难度。而航海雷达是海上舰船配置的一种常用的探测设备，其信号强度高，且X波段航海雷达的射频信号频率在蒸发波导最优频段内。因此，利用航海雷达被动反演蒸发波导剖面的方法具有天然的技术优势。
[0004]由于目前蒸发波导剖面获取的方法都存在一定的缺陷，从而导致无法长期实时、隐蔽高效、大范围地获取海上高精度的蒸发波导真实剖面，难以满足蒸发波导的预测模型校准、监测链路数据对比、反演模型优化等方面及被动监测蒸发波导信道的实际需求。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，适用于蒸发波导剖面反演、蒸发波导监测实验数据对比测试、蒸发波导通信可行性预测等方面，具有长期实时、隐蔽高效、范围广等优点。
[0007]技术方案
[0008]一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1、建立拷贝场数据库：以设定间隔，计算蒸发波导高度h
t
＝z
EDH
的大气修正折射率分布：
[0010][0011]其中：M0、M(z)分别为海面和高度z处的大气修正折射率，M0取值330；h
t
＝z
EDH
为蒸发波导高度，粗糙度长度z0＝1.5
×
10
‑4，ΔM＝M(h1)
‑
M0为蒸发波导强度，M(h1)为蒸发波导高度处的修正折射率；
[0012]以上得到的数据作为建立水平均匀的蒸发波导环境数据；
[0013]步骤2、路径损失仿真：依据目标舰船信息设定发射源仿真参数，代入到高级传播模型中，计算对应蒸发波导剖面的路径损失：
[0014][0015]PL
fs
是自由空间损耗，单位是dB：PL
fs
＝32.45+20log f+20log r；
[0016]其中：f为频率，单位是MHz，r为发射天线和接收天线之间的距离，单位是km；
[0017]所述F是传播因子：
[0018]其中：|u(x,z)|表示利用抛物方程模型计算得到的蒸发波导环境下的电磁场场强分布；x表示传播距离，单位为m；
[0019]步骤3、计算实测路径损失：根据航海雷达自转特性，提取一个雷达自转周期内的最大监测信号电平及其出现的时间，结合目标船提供的位置信息、发射功率、天线高度、天线增益，计算监测链路的路径损失：
[0020][0021]其中：t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,
…
,N
t
；为实际测得的路径损失，单位为dB；P
t
为发射信号功率，单位为dBm；G
t
为发射天线增益，单位为dBi；G
r
为接收天线增益，单位为dBi；G
a
为接收信号放大器增益，单位为dB；P
r
为接收信号的电平值，单位为dBm；IL为整个系统的等效系统插损，单位为dB；
[0022]步骤4、建立反演目标函数
[0023][0024]其中，p表示蒸发波导剖面模型参数，N
t
在拷贝场数据库的搜索次数；
[0025]利用全局优化算法，搜索求解使最小的一组最优解，反演得到单链路上的均匀蒸发波导修正折射率剖面；
[0026]步骤5、计算拷贝场向量：将反演结果即单链路上的均匀蒸发波导修正折射率剖面作为初值，在监测链路上建立水平不均匀的蒸发波导修正折射率剖面：M＝[M1,M2,
…
,M
N
]，将计算的N个蒸发波导剖面及发射端参量代入高级传播模型，计算路径损失反演的拷贝场向量；
[0027]步骤6、反演区域蒸发波导分布情况：重复步骤3～5，计算反演每条链路的均匀蒸发波导修正折射率剖面，然后插值同化每条链路的反演结果，得到蒸发波导的区域分布。
[0028]所述传播因子F
d
和F
r
分别表示直射和折射射线的天线方向因子，Ω表示直射和折射射线的总相位角。
[0029]所述的雷达自转周期内的最大监测信号电平，指雷达射频信号中心频率处的电平，在一个雷达自转周期内所能达到最大值，即雷达天线主波束完全对准接收天线时的信号电平。
[0030]所述蒸发波导高度h
t
＝z
EDH
为从0到50m。
[0031]所述设定间隔为0.1米。
[0032]所述的发射端功率为雷达射频的平均功率，以应对雷达射频信号在频谱上表现出的脉冲退敏效应。
[0033]所述的航海雷达包括X波段和C波段两类，X波段雷达由于其射频信号在蒸发波导的最优频段内，更适宜用作蒸发波导剖面的反演，因此使用X波段航海雷达信号作为反演目标信号。
[0034]所述的蒸发波导修正折射率剖面的节点间距可为25～50km，反演的距离步长分辨率与蒸发波导剖面的精度分辨率不可兼得。
[0035]有益效果
[0036]本专利技术提出的一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，采用时间累积、方向锁定、波束定时的方法，在已知目标舰船航海雷达参数的基础上，获取监测链路上的路径损失数据，通过建立监测链路上水平非均匀的蒸发波导剖面模型，并结合电磁波高级传播模型、目标函数、全局寻优算法、插值同化算法等，以水平均匀环境反演结果为初值，设置目标函数搜索阈值，反演得到监测链路上非均匀蒸发波导分布。合理利用舰船航海雷达的已知信息，实时被动接收射频信号，反演蒸发波导剖面，降低反演难度，提高反演效率，实现蒸发波导剖面的被动信号反演，获取海上电磁波传播的环境特性，保障海上电磁系统的超视距工作需求。可用于蒸发波导相关的模型校准、数据对比、反演优化、科研探索、海上电磁系统的辅助决策等方面。
[0037]本专利技术提出了一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，通过目标舰船航海雷达信号的路径损失数据，反演得到监测链路上非均匀蒸发波导分布，无需主动发射信号，避免了设备用频干扰，解决了现有蒸发波导信道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立拷贝场数据库：以设定间隔，计算蒸发波导高度h
t
＝z
EDH
的大气修正折射率分布：其中：M0、M(z)分别为海面和高度z处的大气修正折射率，M0取值330；h
t
＝z
EDH
为蒸发波导高度，粗糙度长度z0＝1.5
×
10
‑4，ΔM＝M(h1)
‑
M0为蒸发波导强度，M(h1)为蒸发波导高度处的修正折射率；以上得到的数据作为建立水平均匀的蒸发波导环境数据；步骤2、路径损失仿真：依据目标舰船信息设定发射源仿真参数，代入到高级传播模型中，计算对应蒸发波导剖面的路径损失：PL
fs
是自由空间损耗，单位是dB：PL
fs
＝32.45+20logf+20logr；其中：f为频率，单位是MHz，r为发射天线和接收天线之间的距离，单位是km；所述F是传播因子：其中：u(x,z)|表示利用抛物方程模型计算得到的蒸发波导环境下的电磁场场强分布；x表示传播距离，单位为m；步骤3、计算实测路径损失：根据航海雷达自转特性，提取一个雷达自转周期内的最大监测信号电平及其出现的时间，结合目标船提供的位置信息、发射功率、天线高度、天线增益，计算监测链路的路径损失：其中：t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,
…
,N
t
；为实际测得的路径损失，单位为dB；P
t
为发射信号功率，单位为dBm；G
t
为发射天线增益，单位为dBi；G
r
为接收天线增益，单位为dBi；G
a
为接收信号放大器增益，单位为dB；P
r
为接收信号的电平值，单位为dBm；IL为整个系统的等效系统插损，单位为dB；步骤4、建立反演目标函数步骤4、建立反演目标函数其中，p表示蒸发波导剖面模型参数，N
t
在拷贝场数据库的搜索次数；利用全局优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨坤德，杨帆，史阳，张皓，王淑文，段顺利，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：