CN104765029B - 一种基于射线追踪确定表面波导盲区信息的方法 - Google Patents
一种基于射线追踪确定表面波导盲区信息的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于射线追踪确定表面波导盲区信息的方法，步骤如下：获取修正折射率剖面数据；确定计算范围，包括最大传播距离，最大传播高度，高度步进值，发射天线高度以及发射天线初始发射仰角及射线仰角间隔，判断是否对射线进行追踪；根据Snell定律的二阶泰勒近似模式对射线进行追踪，获得每一根射线的传播轨迹；对于所有符合追踪条件的射线进行陷获与否的判定并分类，提取出射射线的离散数据；获得波导顶部盲区的起始位置参数；计算表面波导顶部盲区面积。本发明引入射线追踪法对电波射线进行判定、归类，提取及数据离散化处理，简单直观并且准确地获得盲区的起始位置、范围，使盲区计算模型的复杂程度降低，从而实现对流层表面波导盲区面积的快速计算。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测及电波传播计算，尤其涉及一种确定表面波导盲区面积的计算方法。
背景技术
雷达的实际探测受制于其工作体制、信号检测能力、天线类型等因素，会存在一定的电磁盲区。与此同时，不同的探测环境也会对其电磁盲区造成影响。这一点在低空对流层海上大气环境中体现的尤为明显。由于海面上空，对流层底部往往存在折射率梯度极端异常的现象，会形成大气波导，使得一部分电波陷获在波导层内，损耗变小，传播到原本无法探测到的区域，形成超视距传播。但是另一方面而言，又会改变电波的正常传播轨迹，形成电波无法到达的电磁盲区。如今，对于如何利用大气波导的普遍存在性来实现海上微波雷达超视距探测已经成为一个研究热点。但对于伴随形成的电磁盲区的细致研究还较少有成果涉及。电磁盲区对于实际海上军事意义是极为重大的——近海面低空突防与反突防问题，随着我国海洋战略的逐步推进，必须获得足够的重视。
目前有关海上对流层大气波导的电磁盲区分析主要是针对蒸发波导而言的，对于表面波导的分析还相对停留在存在性的说明上，缺乏有效的定量的计算与分析。因而本发明利用射线追踪方法(Ray Trace)提出一种针对海上表面波导盲区信息的分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以基于射线追踪的确定对流层表面波导盲区的计算方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种基于射线追踪确定表面波导盲区信息的方法，包括以下步骤：
步骤1、获取修正折射率剖面数据；
步骤2、确定计算范围，包括最大传播距离Xmax，最大传播高度Hmax，高度步进值h，发射天线高度Ht以及发射天线初始发射仰角及射线仰角间隔，判断是否对射线进行追踪；
步骤3、根据Snell定律的二阶泰勒近似模式对射线进行追踪，获得每一根射线的传播轨迹；
步骤4、对于所有符合追踪条件的射线进行陷获与否的判定并分类，提取出射射线的离散数据；
步骤4a、陷获状态的判断步骤如下：判断射线是否能够传播到达最大传播高度Hmax，如果是则将该射线归为出射射线，否则归为陷获射线，统计出射射线的数目；
步骤4b、对于每一根出射射线，提取表征其位置的三维离散数据[rn，xni，yni]，其中，rn表示第n条出射射线，yni表示第n条出射射线上第i个步进点的高度值，xni表示第n条出射射线上对应于yni的水平距离；
步骤5、获得波导顶部盲区的起始位置参数；
步骤5a、找出xni的最大值所在的射线rxmax，获取表征该射线轨迹位置的二维离散数据[xxmaxi，yxmaxi]；
步骤5b、获取射线rxmax上最接近波导层顶高的步进点P1的坐标(XP1,YP1)，以及射线rxmax上最接近最大传播高度的步进点P2的坐标(XP2,YP2)，射线rxmax在P1点到P2点之间的曲线轨迹表征了表面波导顶部盲区的开始位置信息；
步骤6、计算表面波导顶部盲区面积S；
式中的xi、xi+1、yi、yi+1分别表示相邻步进点的坐标值。
更具体的，所述步骤2中判断是否对射线进行追踪的条件为：若发射天线初始发射仰角绝对值大于3°，则不对其进行追踪，否则对其进行追踪。
更具体的，所述步骤2中判断是否对射线进行追踪的条件为：若发射天线高度大于波导顶高，则不对其进行追踪，否则对其进行追踪。
本发明从电波传播机理上，确定表面波导顶部盲区的相关信息，引入射线追踪法对电波射线判定、归类，提取离散化数据，可以简单、直观并且准确地获得盲区的起始位置、范围，并给出盲区面积的快速计算方法，在军用海上低空突防与预警反突防，民用通信等领域具有显著的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图；
图2为采用本发明的方法计算的对流层表面波导的盲区面积的结果图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
结合图1所示，本发明方法包括以下步骤：发射天线发出射线，
步骤1、获取修正折射率剖面数据；
根据表面波导三折线模型获取表面波导四个基本输入参数：基础层高度HB、波导层厚度HD、基础层大气修正折射率随高度变化斜率SE1以及波导层大气修正折射率随高度变化斜率SE2，根据以上四参数获得修正折射率剖面数据；
步骤2、确定计算范围：最大传播距离Xmax(单位：千米)，最大传播高度Hmax(单位：米)，高度步进值h(单位：米)，发射天线高度Ht(单位：米)以及发射天线初始发射仰角及射线仰角间隔，判断是否对射线进行追踪；
追踪的条件为：若发射天线初始发射仰角绝对值大于3°，或发射天线高度大于波导顶高，即Ht>(HB+HD)，则不对其进行追踪，若发射天线初始发射仰角绝对值小于等于3°，或发射天线高度小于等于波导顶高，则进行射线追踪；
步骤3、根据Snell定律的二阶泰勒近似模式对射线进行追踪，获得每一根射线的传播轨迹；
将大气视为未知环境，通过射线传播的前一步对后一步进行判断，射线上相邻两点的高度分别为h1、h2，该两点的仰角分别为θ1、θ2，大气修正折射指数m1、m2通过步骤1中修正折射率剖面数据获得，m在h1与h2高度间随距离线性变化，斜率为k，根据如下方程组通过迭代求解获得每一根射线的传播轨迹；
本步骤采用现有技术中的方法来获取射线的传播轨迹，此处不做赘叙；
步骤4、对于所有符合追踪条件的射线进行陷获与否的判定并分类，提取出射射线的离散数据；
步骤4a、陷获状态的判断步骤如下：判断射线是否能够传播到达最大传播高度Hmax，如果是则将该射线归类为出射射线，否则归类为陷获射线，统计出射射线的数目；
步骤4b、对于每一根出射射线，提取表征其位置的三维离散数据[rn，xni，yni]，其中，rn表示第n条出射射线，yni表示传播高度范围内第n条出射射线上第i个步进点处的高度值，xni表示第n条出射射线上对应于yni的水平距离；
出射射线的三维离散数据从步骤3获得的射线的传播轨迹获取；
本步骤中，对发射天线发出的射线按照其陷获状态进行分类，并提取每一条射线的位置数据，从而方便研究电波在陷获或非陷获状态时不同的传播特点，为研究波导顶部电磁盲区信息打下基础；
步骤5、获得波导顶部盲区的起始位置参数；
步骤5a、结合图2，图2中x轴为传播距离，y轴为传播高度，对于最大传播高度Hmax处，找出xni的最大值所在的射线rxmax，即找出所有向上出射射线中位于最外部的一根，取出表征该射线轨迹位置的二维离散数据[xxmaxi，yxmaxi]；
步骤5b、获取射线rxmax上最接近波导层顶高(HB+HD)的步进点P1的坐标(XP1,YP1)，以及射线rxmax上最接近最大传播高度Hmax的步进点P2的坐标(XP2,YP2)，射线rxmax在P1点到P2点之间的曲线轨迹表征了表面波导顶部盲区的开始位置信息；
本步骤中，通过对出射射线的位置关系比较，确定出当前大气参数、相关雷达参数计算条件下，电波传播所能到达的最远处轨迹曲线，并给出其离散点的水平距离及高度数据，作为盲区起始位置，更为直观地确定了表面波导顶部盲区的位置信息；
步骤6、计算表面波导顶部盲区面积S；
如图2所示，盲区区域可以看作是由以下几条曲线：y＝YP2、y＝YP1和x＝Xmax围成，将整个盲区以直线x＝XP2垂直划分为两部分：射线rxmax在P1点到P2点之间的曲线以下、YP1高度以上的相邻步进点之间所围成的梯形区域和长为(Xmax-XP2)、宽为[Hmax-(HB+HD)]的矩形区域，
当XP1＜x＜XP2时，运用微分求和思想对射线rxmax在P1点到P2点曲线以下，YP1高度以上的相邻步进点之间所围成的区域的面积S1累加求和；在高度步进值h取值较小的情况下可以近似表示曲线以下盲区部分面积；
当XP2＜x＜Xmax时，根据矩形的长(Xmax-XP2)和宽[Hmax-(HB+HD)]求出矩形区域的面积S2：
则盲区面积S为：
式中的xi、xi+1、yi、yi+1分别表示相邻步进点的坐标值，yi从YP1开始取起，yi+1从YP1以上一个步进点取起，yi+1的最后一个取值步进点为YP2，xi+1，xi的取值与yi+1，yi相对应。
本发明在获取表面波导顶部盲区大小信息时，通过确定盲区的边界位置，根据射线的位置数据微分求和获得面积大小，相较于现有使用传播损耗计算法获得盲区大小，更加直观，边界更加清晰。
本发明提出的基于射线追踪确定表面波导的盲区计算方法，从电波传播机理上，确定了表面波导顶部盲区的相关信息。引入射线追踪法对电波射线进行判定、归类，提取及数据离散化处理，可以简单、直观并且准确地获得盲区的起始位置、范围，可以使得计算结果更具清晰的物理意义，反映出盲区的位置分布信息。并且具有较之于传统的抛物方程方法更为快速方便、运算量小等优势，使得盲区的计算模型的复杂程度降低，从而可以实现针对对流层表面波导盲区面积的快速计算。该问题的研究在军用海上低空突防与预警反突防，以及民用通信等领域具有显著的作用。
下面结合图2，以一个算例实验对本发明方法的效果进行说明：
1)算例计算条件
设定大气表面波导四参数分别为：
HB＝50m，HD＝50m，SE1＝100M/km，SE2＝-300M/km；
确定计算参数的范围为：
Xmax＝300km，Hmax＝500m，h＝1m，Ht＝60m；
设定初始仰角范围[-1°，1°]，射线仰角间隔0.005°；
2)计算结果分析
经过射线追踪计算，取出的最外部射线段为
P1(40.30km，100m)
P2(122.44km，500m)；
P1点与P2点之间射线段为顶部盲区起始位置。
经计算，阴影部分面积S1＝10.46km2，矩形区域面积S2＝71.00km2，则盲区总面积S＝81.46km2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种基于射线追踪确定表面波导盲区信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取修正折射率剖面数据；
步骤2、确定计算范围，包括最大传播距离Xmax，最大传播高度Hmax，高度步进值h，发射天线高度Ht以及发射天线初始发射仰角及射线仰角间隔，判断是否对射线进行追踪，追踪的条件为：若发射天线初始发射仰角绝对值大于3°，或发射天线高度大于波导顶高，则不对其进行追踪，若发射天线初始发射仰角绝对值小于等于3°，或发射天线高度小于等于波导顶高，则进行射线追踪；
步骤3、根据Snell定律的二阶泰勒近似模式对射线进行追踪，获得每一根射线的传播轨迹；
步骤4、对于所有符合追踪条件的射线进行陷获与否的判定并分类，提取出射射线的离散数据；
步骤4a、陷获状态的判断步骤如下：判断射线是否能够传播到达最大传播高度Hmax，如果是则将该射线归为出射射线，否则归为陷获射线，统计出射射线的数目；
步骤4b、对于每一根出射射线，提取表征其位置的三维离散数据[rn，xni，yni]，其中，rn表示第n条出射射线，yni表示第n条出射射线上第i个步进点的高度值，xni表示第n条出射射线上对应于yni的水平距离；
步骤5、获得波导顶部盲区的起始位置参数；
步骤5a、找出xni的最大值所在的射线rxmax，获取表征该射线轨迹位置的二维离散数据[xxmaxi，yxmaxi]；
步骤5b、获取射线rxmax上最接近波导顶高的步进点P1的坐标(XP1,YP1)，以及射线rxmax上最接近最大传播高度的步进点P2的坐标(XP2,YP2)，射线rxmax在P1点到P2点之间的曲线轨迹表征了表面波导顶部盲区的开始位置信息；
步骤6、计算表面波导顶部盲区面积S；
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