CN102540162A - 基于海杂波的低空电磁波传播特性估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于海杂波功率谱的低空电磁波传播特性估计方法，属于海洋环境特征及电磁波传播特性实时估计技术领域。主要用于解决海上大气折射率剖面参数估计与电磁波传播特性评估问题。区别于基于海杂波功率估计雷达探测效能的方法，该方法主要采用基于对实测海杂波功率谱估计和通过预设大气折射率剖面模型参数的电磁波传播扩散功率谱变化求解比对，反演实际大气折射率剖面、电磁波传播衰减量、求解大气折射率剖面参数后验估计值，得到大气折射率剖面图和电磁波传播衰减图。本发明工程实现简单，具有军事隐蔽性好、预报误差小、成本低、装备可嵌入加载等优点，主要适用于军事上和海洋监测中海上大气环境和电磁波传播衰减变化的测量与估计。
Description
技术领域
本发明涉及的基于海杂波功率谱估计的低空大气折射率特征参数及电磁波传播特性评估实现方法，属于海洋环境特征及电磁波传播特性实时估计技术领域。
背景技术
对海洋大气特征及电磁波传播特性的检测与评估是实现对海监测与海上目标探测效能判断的重要条件。目前为了弥补正演方式通过测量海面一定高度处的实时气象参数，基于各大气折射率模型递推得出大气折射率剖面，再结合电磁波传播方程求解得出电磁波在空间的传播因子的方法装备实现困难、成本高、误差大等不足，提出了通过海杂波的功率反演电磁波传播特性的方法，该方法基于对实测海杂波的强度与距离数据变化分析通过遗传算法全局优化搜索大气折射率剖面特征参数，进而求解出电磁波传播衰减量。但是受海情、雷达工作方式等参量的影响海杂波随机性较强，同时影响海杂波的多参量之间存在复杂的相互依赖性，因此通过建立海杂波模型来获取具有一定可信度和精度的海杂波强度，需要经过较长的试验验证过程。因此，寻求其它实用、简便、并能够实时准确估计低空电磁波传播特性的技术成为日益重要的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于针对目前基于气象数据、海杂波功率估计海洋环境参数及电磁波传播衰减特性工程实现困难、成本高、误差大等问题，提供了一种基于海杂波功率谱估计的采用正演加反演方式估计海洋环境特性参数及电磁波传播衰减特性的技术及其实现方法。该方法主要通过对海雷达回波数据经分离优解得到海杂波数据及其特征参数，采用相关图法进行功率谱估计；然后假设一种大气折射率模型，将该模型中的随机环境参数代入电磁波传播模型，结合电磁波距离扩散方程及海杂波模型计算出海杂波功率谱变化，模型计算出的海杂波功率谱与实际试验中测得的海杂波功率谱的谱峰值、谱峰位置及谱宽进行比对后，利用粒子群算法反演出实际的大气折射率剖面；最后对大气折射率剖面参数进行后验估计，验证反演准确率，并绘制出大气折射率剖面图和电磁波传播衰减曲线图。其特征在于：
1)基于雷达回波的海杂波特征参数分离优解技术特征在于：对采集的雷达回波信号进行平滑滤波，以抑制雷达系统噪声；采用了通过傅里叶变换计算多普勒频移，并结合对雷达回波的空间分布、幅度统计特性、时间相关性、频谱特性以及时频二维特性的分析，将海杂波数据从雷达回波数据中进行分离。对分离出的海杂波数据，本发明采用数字正交滤波、脉冲压缩和相位检波，形成海杂波视频数据，通过相关图法估计出海杂波功率随频率的变化。
2)基于海杂波功率谱估计的海洋大气折射率剖面参数匹配寻优估计方法其特征在于：根据实测的海杂波功率谱估计，结合电磁波传播模型、海洋环境物理模型及海杂波模型，利用粒子群算法对大气折射率剖面参数进行优化搜索，并实现后验估计，解决了基于气象数据、海杂波功率进行大气折射率剖面和电磁波传播衰减估计的多种不足。
建立大气折射率模型时，为反映海洋环境的动态特性，对大气折射率模型在空间范围内进行细化，距离步进为200km，垂直高度为100m，高度步进为1m；然后，根据电磁波传播模型，利用随机环境参数计算出电磁波传播的衰减因子，再根据海洋环境物理模型及海杂波模型，估计出海杂波功率谱变化，并与实测的随距离离散化的海杂波功率谱进行比对，在环境参数的取值范围内采用神经网络方法进行循环搜索，直至搜索出环境参数的最优解。其中本发明为了解决海杂波的随机性对反演准确度的影响，每30分钟利用实际采集的雷达回波数据，对海杂波模型进行一次修正；最后，通过奇异值分解对大气折射率剖面模型进行后验估计，检查基于最优解的大气折射率剖面与实测的大气折射率剖面的符合程度，若两者误差较大，修正大气折射率剖面模型，重新反演。
本发明技术实现软件平台为Visual Studio 2005，硬件平台为双核处理器、主频2.8GHz、3GB内存，操作系统为Windows XP。在软件设计中，为了提高故障排查隔离率，算法可替换性以及工程的稳定性，本发明采用了模块化设计，对各模型算法进行了封装，以.DLL动态数据链接库的方式进行调用。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：能够实时、准确地估计海洋探测环境特性参数及电磁波传播特性；能够实现在对海雷达上进行嵌入式加载，除数据采集器外，无其它额外设备。该方法工程实现简单，在双核处理器上可以实现实时处理，军事隐蔽性好，成本低，且工程软件实现时高度集成化，故障排除能力强，稳定性较高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是海杂波特征参数分离优解处理流程图；
图2是大气折射率剖面参数反演流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本评估技术的实现方法及具体实施步骤进行详细说明。
1)实测一定方位范围内的海杂波功率谱变化pcc(ω)；
本发明中在估计海杂波功率谱时，首先需要确定待反演的方位范围，并利用数据采集器采集雷达回波数据；其次需要将海杂波特征参数从采集的雷达回波数据中进行分离优解。本发明设计了一种有多个系数的低线性相位有限脉冲相应(FIR)滤波器，对原始雷达回波数据进行平滑滤波。特别注意的是在设计该滤波器时，需确保滤波器的带宽大得足以不衰减海杂波数据。然后本发明通过傅里叶变换计算多普勒频移，结合对杂波的空间分布、幅度统计特性、时间相关性、频域特性以及时频二维特性分析的方法，将该方位范围内的海杂波数据从各种信号数据中分离出来。其中本发明采用双线性变换维格纳-威利分布方法进行时频分析；最后对海杂波数据进行数字正交滤波、脉冲压缩和相位检波，形成海杂波视频数据，通过相关图法估计出各个方位上海杂波功率谱。
2)建立大气折射率模型，将环境参数m映射成不同高度处的修正折射率M；
目前对于环境模型的描述主要有两种方式：三段式折射率剖面模型(适用于表面波导)和四段式折射率剖面模型(适用于贴地波导和悬空波导)。由于海上大气波导一般为蒸发波导，所以本发明中环境模型采用四段式折射率剖面模型。本发明在建立该模型时，通过“莫宁-奥布霍夫”相似定理，一共采用11个参数对大气折射率模型进行描述，其中5个参数用来描述大气折射率剖面垂直结构，6个参数用来描述大气折射率剖面水平结构。包括蒸发波导高度、反演层的厚度、陷获层基高、混合层斜率和反演层的M增量，对应环境参数m＝[δ，zd，zb，c1，Md]，将大气折射率剖面在垂直结构上分为4层。
3)利用修正折射率M，结合电磁波传播模型和海洋环境物理模型，计算雷达回波功率随距离的变化p(ω)，代入海杂波后向散射系数，通过相关图法计算海杂波的功率谱；
目前典型的研究电磁波传播衰减的方法有三种，分别是抛物线方程法、几何光学理论以及波导模理论。本发明中将抛物线方程法与其它两种方法有机结合，弥补抛物线方程法忽略后向散射系数，对大于与水平线成20°的传播夹角，解的相位不够精确等不足。求解时需限定垂直空间的最大高度zmax和仰角的最大度数θmax。利用傅里叶分步积分对电磁波传播时空间场分布进行求解，求解时在距离上以Δx为步长步进，Δx按雷达距离分辨率的倍数进行选取，一般取30～100m，取值越小，计算电磁波的衰减因子时间越长，同时计算结果越精确。
本发明中海杂波后向散射系数的计算采用对GIT经验模型进行修正的方法，针对海杂波的随机性，每30分钟采集一次回波数据，对模型进行修正。其中有效浪高采用信噪比结合浮标测得的有效浪高拟合得出。
本发明中计算海杂波功率谱时，对海杂波功率随距离的变化进行自相关序列估计，再进行DFT从而得到功率谱估计值。
4)通过目标函数计算pcc(ω)与p(ω)的吻合程度；
5)在环境参数的取值范围内，利用粒子群算法进行优化搜索，使pcc(ω)与p(ω)的拟合最优；
粒子群算法是一种求解问题的高效并行搜索方法，对于大气折射率模型中多个参数同时反演效率较高。本发明在粒子群算法使用时，初始群体中包含的粒子数为500，迭代次数为20。
6)对基于最优解的大气折射率剖面与实际的剖面进行后验估计，估计参数误差，若误差较大，修正步骤2)中假设的大气折射率剖面模型，重复步骤3)～5)。
该方法在基于双核处理器、主频2.8GHz、3GB内存的计算机上可实现实时处理。软件系统使用VC语言实现，框架采用MFC，其中各模型采用模块化设计，以.DLL动态链接库的方式进行封装调用，以提高软件系统的稳定性和模块可替换性。
基于海杂波的低空电磁波传播特性估技术及实现方法能根据海杂波信息，实时反演出大气折射率空间结构及电磁波传播的衰减因子，准确地估计低空电磁波传播特性。
Claims (6)
1.一种基于海杂波的低空电磁波传播特性估计方法，其特征是：采用装备嵌入式加载的方式，从采集的雷达回波数据中分离优解海杂波特征参数并采用相关图法进行海杂波功率谱估计，与通过大气折射率模型、电磁波传播模型、海洋环境物理模型及海杂波模型正演计算出的海杂波功率谱值，针对谱峰值、谱峰位置及谱宽进行比对，利用粒子群算法反演出大气折射率特征参数并估计电磁波传播衰减因子，同时通过奇异值分解方法进行后验估计以提高优化结果的准确率。
2.一种基于海杂波的低空电磁波传播特性估计方法的实现系统，其特征是：在基于双核处理器、主频2.8GHz、3GB内存的计算机上实现，运行平台选用Windows XP操作系统。整个软件系统的功能采用VC语言编写。程序框架采用MFC，软件实现时采用模块化设计，对各模型以.DLL动态链接库的方式进行封装调用。按基于海杂波的低空电磁波传播特性估计方法的实现流程，整个软件系统划分为6个模块：实测海杂波特征参数分离优解模块、大气折射率模型建立模块、电磁波传播模型求解模块、粒子群算法反演模块、后验估计模块、绘图模块。该软件系统能实现基于海杂波的低空电磁波传播特性估计。
3.根据权利要求1所述的低空电磁波传播估计技术，其特征是：对海杂波特征参数进行分离优解。采用一种有多个系数的低线性相位有限脉冲相应(FIR)滤波器，对原始雷达回波数据进行平滑滤波；采用通过傅里叶变换计算多普勒频移的方法，结合对杂波的空间分布、幅度统计特性、时间相关性、频域特性以及时频二维特性的分析，将海杂波从各种回波信号中分离。其中采用双线性变换维格纳-威利分布方法进行时频分析。对分离后的海杂波进行数字正交滤波、脉冲压缩和相位检波，然后统计分析海杂波功率谱，求出海杂波功率谱与海洋环境参数的关联系数。
4.根据权利要求1所述的低空电磁波传播估计技术，其特征是：一共采用11个参数对大气折射率模型进行描述，其中5个参数用来描述大气折射率剖面垂直结构，6个参数用来描述大气折射率剖面水平结构。包括蒸发波导高度、反演层的厚度、陷获层基高、混合层斜率和反演层的M增量，对应环境参数m＝[δ，zd，zb，c1，Md]，将大气折射率剖面在垂直结构上分为4层。同时确定各参数的取值范围。环境模型在空间范围内进行细化，距离步进为200km，垂直高度为100m，高度步进为1m。
5.根据权利要求1所述的低空电磁波传播估计技术，其特征是：采用对GIT经验模型修正的方法，建立海杂波模型。分别对入射余角小于10度和大于10度情况下，在不同海况、不同极化方式下，对不同波段的海面后向散射系数进行修正。每30分钟利用实际采集的海杂波数据对该模型进行一次修正，以反映海杂波的随机性。
6.根据权利要求1所述的低空电磁波传播估计技术，其特征是：后验估计时采用奇异值分解法。
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