CN106707256B - 一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法和装置，该方法可以包括：获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息，基于海杂波的传播方式信息，预估海杂波传播所经波导的波导类型；根据预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取该波导类型对应的目标修正折射率模型；从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与波导类型和海杂波信息对应的目标函数；基于雷达发射参数以及海杂波信息，并利用目标修正折射率模型和目标函数，确定出对流层波导的修正折射率分布。该方法和装置可以提高反演出的对流层波导修正折射率分布的准确性。

Description

一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法和装置

技术领域

本申请涉及信息与通信技术领域，更具体的说是涉及一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法和装置。

背景技术

对流层波导对无线通信以及雷达系统有很大影响，如降低无线电系统的性能；导致雷达探测失败等。而高湿地区更是对流层波导的高发区域，如，海面上的对流层波导。

目前，利用雷达海杂波反演对流层波导(RFC，refractivity from clutter)是当前国内外研究热点。RFC是通过建立电波传播抛物方程模型，计算得到不同大气修正折射率条件下的雷达海杂波功率，将其与实际接收到的雷达海杂波功率进行拟合，最终输出满足要求的对流层波导修正折射率分布。然而由反演过程受到雷达参数、环境参数等多种因素影响，导致最终反演出的对流层波导的修正折射率的准确性低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法和装置，以提高反演出的对流层波导修正折射率分布的准确性。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法，包括：

获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息，其中，所述海杂波信息至少包括所述海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息；

基于所述海杂波的传播方式信息，预估所述海杂波传播所经波导的波导类型；

根据预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取所述波导类型对应的目标修正折射率模型；

从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数；

基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，其中，所述目标函数中的海杂波功率理论计算函数是基于所述目标修正折射率模型计算出的修正折射率，来计算所述海杂波的海杂波功率的。

优选的，所述从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数，包括：

当所述海杂波的传播距离小于预设距离时，将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

当所述传播距离大于或等于所述预设距离时，将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，并将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

优选的，当预估出所述海杂波为经表面波导传播的海杂波时，所述雷达发射信息包括：雷达系统的天线高度；

则在从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数之前，还包括：

获取表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高；

计算所述雷达系统的天线高度与所述基础层底高之间的比值；

则所述从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数，包括：

当所述比值小于预设阈值，且所述海杂波的传播距离小于预设距离时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

当所述比值小于所述预设阈值，且所述海杂波的传播距离大于所述预设距离时，则将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

当所述比值大于所述预设阈值时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

优选的，所述第一目标函数为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r所述海杂波的海杂波功率理论计算值，且其计算公式为：

其中，

其中，为所述海杂波传播路径上所有海杂波的实测功率的均值，为所述海杂波传播路径上所有P′_c(dB)理论计算值的均值；P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为所述雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；

所述第二目标函数为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r处的海杂波功率的理论计算值，且

其中，P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；其中，所述传播距离r处的掠射角θ为采用曲面波谱的谱功率估计法，并基于优化方法对谱功率进行优化得到谱功率最大时所对应的角度；

σ₀为所述传播距离处的归一化雷达散射截面，其计算公式为：

其中，σ_0,GIT(r,θ)为利用乔治亚洲学院GIT模型计算得到的在所述传播距离r处的海表面归一化散射截面，F⁴ _std(r′)是在标准大气条件下相同掠射角θ对应距离r′上计算得到的双程传播因子；其中，a_e为等效地球半径，h_t为发射天线海拔高度。

优选的，所述基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，包括：

为所述目标修正折射率模型分配优化参数值；

基于所述雷达发射参数、所述海杂波信息以及所述目标修正折射率模型的优化参数值，并结合所述目标函数进行优化计算，当优化计算结果不是最优时，重新为所述目标修正折射率模型分配优化参数值，直至确定出最优值，并将所述最优值确定为所述对流层波导的修正折射率分布。

另一方面，本申请实施例提供了一种基于雷达海杂波的对流层波导反演装置，包括：

信息获取单元，用于获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息，其中，所述海杂波信息至少包括所述海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息；

类型预估单元，基于所述海杂波的传播方式信息，预估所述海杂波传播所经波导的波导类型；

模型选取单元，用于根据所述类型预估单元预估出的波导类型，并结合预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取所述波导类型对应的目标修正折射率模型；

函数选取单元，用于从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数；

反演优化单元，用于基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，其中，所述目标函数中的海杂波功率理论计算函数是基于所述目标修正折射率模型计算出的修正折射率，来计算所述海杂波的海杂波功率。

优选的，所述函数选取单元，包括：

第一函数选取单元，用于当所述海杂波的传播距离小于预设距离时，将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；其中，第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，并将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

第二函数选取单元，用于当所述传播距离大于或等于所述预设距离时，将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同。

优选的，当预估出所述海杂波为经表面波导传播的海杂波时，所述信息获取单元获取到的所述雷达发射信息包括：雷达系统的天线高度；

则所述装置还包括：

底高获取单元，用于在所述函数选取单元选取所述目标函数之前，获取所述表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高；

比值计算单元，用于计算所述雷达系统的天线高度与所述基础层底高之间的比值；

则所述函数选取单元，包括：

第三函数选取单元，用于当所述比值小于预设阈值，且所述海杂波的传播距离小于预设距离时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

第四函数选取单元，用于当所述比值小于所述预设阈值，且所述海杂波的传播距离大于所述预设距离时，则将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

第五函数选取单元，用于当所述比值大于所述预设阈值时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

经由上述的技术方案可知，在确定出该海杂波传播所经波导的波导类型后，根据波导类型来选取目标修正折射率模型，并结合波导类型以及海杂波的具体信息来选取出反演所需的目标函数，从而选取出受到掠射角等环境因素影响程度最小的目标函数，进而基于该目标函数进行反演有利于提高确定出的对流层波导修正折射率分布的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了本申请一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法一个实施例的流程示意图；

图2示出了10个不同水平非均匀条件下，表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高h₁随传播距离的变化示意图；

图3a至3d分别示出了本申请在四种不同频率、天线高度和大气修正折射率M水平非均匀特性条件下，掠射角随传播距离变化的仿真结果示意图；

图4a示出了本申请在频率为10GHZ时，不同天线高度条件下改变M水平非均匀特性所得传播路径上掠射角平均值的分布示意图；

图4b示出了在天线高度h_t＝80m时，不同频率条件下M水平非均匀特性对的影响示意图；

图5示出了在M的7个初值条件下，表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高h₁沿水平方向的分布；

图6a示出了本申请实施例中修正折射率沿传播路径的一种分布示意图；

图6b示出了本申请实施例中实测海杂波功率沿传播路径的一种分析示意图；

图7示出了反演过程中每次反演的海杂波功率平均误差统计结果；

图8示出了本申请一种基于雷达海杂波的对流层波导反演装置一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，其示出了本申请一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法一个实施例的流程示意图，本实施例的方法可以包括：

101，获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息。

其中，该海杂波信息中至少包括该海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息。

该雷达发射参数是与发射该海杂波的雷达系统相关的参数，如该雷达发射参数可以包括发射天线增益、雷达系统总功耗等等。

其中，海杂波信息为与该传播路径上反射回来的海杂波相关的参数信息。该海杂波信息中至少包括海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息。该海杂波的传播距离为海面上反射回该海杂波的位置点距离该发射天线的距离。该海杂波的传播方式信息表明该海杂波是经表面波导传播还是经蒸发波导传播，如，该传播方式信息可以包括：反射回的该海杂波所用的信道。可以理解的是，由于同一传播路径上可能会同时出现经多种不同类型波导传播的海杂波，因此，在本申请实施例中该海杂波传播方式信息仅仅为预估该波导类型提供依据。

当然，为了能够反演对流程波导，该海杂波信息还可以包括现有技术中反演过程中所有的其他海杂波参数，如，用于计算海杂波功率所需的其他参数信息，例如海杂波频率等。

可以理解的是，雷达系统接收海杂波后，可以选取出待分析海杂波传播路径，并对传播路径上反射回来的海杂波进行分析，而该海杂波传播路径上反射回来海杂波可以包含多个位置点反射回来的海杂波，也就是说该传播路径上会存在多个传播距离所对应的海杂波。但是，对于该传播路径上任意一处传播距离处的海杂波，均可以采用本实施例的方法。

102，基于该海杂波的传播方式信息，预估该海杂波传播所经波导的波导类型。

其中，海杂波所经波导的波导类型可以是表面波导、蒸发波导等，如海杂波经表面波导传播，海杂波经蒸发波导传播等。对于预估波导类型的方式可以与现有的方式相同，在此不再赘述。

103，根据预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取波导类型对应的目标修正折射率模型。

波导类型对应的目标修正折射率模型也就是用于计算该种波导类型对应的波导所需的修正折射率的模型。

其中，不同类型的波导对应了不同的修正折射率模型，为了便于区分，对于某一固定传播距离处反射回来的海杂波，基于传播该海杂波所经波导的波导类型，确定出的修正折射率模型称为目标修正折射率模型。

104，从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与该海杂波信息和所述波导类型对应的目标函数。

可以理解的是，反演对流层波导的目标函数是海杂波实测值与海杂波理论计算函数之间的关系函数；不同的目标函数中所对应的海杂波理论计算函数也不相同。

在本申请实施例中预置了多个目标函数，不同目标函数内海杂波理论计算函数也不相同，而且不同目标函数所适用的海杂波的参数值也不相同。如，当海杂波的传播距离、海杂波所经波导的波导类型不同时，反演所用的目标函数也可能会有所不同。

105，基于该雷达发射参数以及海杂波信息，并利用该目标修正折射率模型和该目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布。

其中，所述目标函数中的海杂波功率理论计算函数是基于该目标修正折射率模型计算出的修正折射率，来计算该海杂波的海杂波功率的。可以理解的是，波导修正折射率会影响到海杂波功率理论计算值，换言之，海杂波理论计算值需要基于波导修正折射率来完成整个计算过程。

需要说明的是，确定出目标修正折射率模型、目标函数后，基于得到的雷达发射参数以及海杂波信息，反演对流层波导的过程可以与现有的过程相似。

在本申请实施例中，在确定出该波导类型后，根据波导类型来选取目标修正折射率模型，然后并结合波导类型以及海杂波的具体信息来选取出反演所需的目标函数，从而选取出受到掠射角等环境因素影响程度最小的目标函数，进而基于该目标函数进行反演可以有利于提高确定出的波导修正折射率分布的准确性。

本申请的发明人通过对流层波导反演的过程进行研究发现：在反演对流层波导的过程中，反演的目标函数中包括计算海杂波功率的理论值的海杂波理论计算函数，而海杂波功率的理论计算会与归一化雷达散射截面有关。其中，归一化雷达散射截面具有随着传播距离变化的特性，且其受到海杂波的频率和掠射角，以及风速、大气修正折射率等环境参数等多种因素影响，但其中掠射角对归一化雷达散射截面的影响最大。然而目前现有计算海杂波功率过程中，为了简化计算会忽略该掠射角随海杂波传播距离变化的特性，从而忽略对掠射角对归一化雷达散射截面的影响，将该归一化雷达散射截面视为常数，导致计算出的海杂波功率存在较大偏差。

基于对现有计算海杂波功率的分析，并结合本申请的发明人通过对不同频率、天线高度、大气修正折射率等条件下海杂波功率的研究得出结论：当海杂波的传播距离不同时，掠射角等对归一化雷达散射截面以及传播因子的影响不同。也就是说，海杂波的传播距离不同时，掠射角对海杂波功率理论计算值的影响程度也会有所不同。因此，发明人基于研究结果，可以根据海杂波传播距离选取适合计算该传播距离处的海杂波功率的计算模型，从而选取出包含该海杂波功率的计算模型的目标函数。

发明人进一步研究发现：计算海杂波功率的过程中如果考虑归一化雷达散射截面随着传播距离的变化，那么在计算过程中就需要考虑到以上多种因素对该归一化雷达散射截面的影响，而掠射角对归一化雷达散射截面的影响较大，且掠射角的计算过程又尤为复杂。同时，掠射角也会影响到计算海杂波功率过程中传播因子。因此，如果计算该海杂波传播路径上的所有海杂波功率均需要考虑到掠射角则会导致计算过程复杂。

基于以上研究可以得出结论：在海杂波传播距离小于一定距离时，掠射角对海杂波功率的计算影响较小，可以不计入该掠射角的影响，将归一化雷达散射截面参数设为常数；相应的，在海杂波传播距离大于该一定距离时，则需要不可以忽略该掠射角的影响。

可见，在选取目标函数时，无论海杂波传播所经波导的波导类型怎样，都可以采用如下方式来选择目标函数：

当海杂波的传播距离小于预设距离时，将该目标函数集合中的第一目标函数作为目标函数；

当海杂波的传播距离大于或等于预设距离时，将目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

其中，该第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，并将该归一化雷达散射截面设置为预设常数。在该第一目标函数中包括的第一海杂波功率计算函数中忽略了掠射角随传播距离的变化，并将该计算海杂波功率过程中用到的归一化雷达散射截面设置为预设常数。这样，在反射回来海杂波的位置点与该发射天线的距离较小时，则可以采用第一目标函数来反演对流层波导，从而可以在减少计算复杂度的前提下，又不会影响到反演结果的精准度。

基于前面的研究结果，发明人进一步研究发现：对于经表面波导传播的海杂波而言，除了海杂波的传播距离外，在该传播距离处该表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高与天线高度之间的比值的大小不同时，对掠射角以及该归一化雷达散射截面的影响也会有所不同，因此，当经表面波导传播的海杂波的传播距离相同，但是在该传播距离处该表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高与天线高度之间的比值不同时，适用于计算该传播距离处的海杂波功率的计算模型也可能会有所不同，相应的目标函数也会有所不同。

因此，当预估出海杂波为经表面波导传播的海杂波时，获取到的雷达发射信息至少包括：雷达系统的天线高度；

则在选取与该波导类型和该海杂波信息对应的目标函数之前，还可以包括：

获取该传播距离处的表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高；

计算所述雷达系统的天线高度与所述表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高之间的比值。

相应的，在选取目标函数的过程可以包括：

当该天线高度与该基础层底高比值小于预设阈值，且海杂波的传播距离小于预设距离时，则将该目标函数集合中的第一目标函数作为目标函数；

当该比值小于预设阈值，且该海杂波的传播距离大于预设距离时，则将目标函数集合中的第二目标函数作为该目标函数；

当该比值大于所述预设阈值时，则将该目标函数集合中的第一目标函数作为该目标函数。

其中，第一目标函数与第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，将该归一化雷达散射截面设置为预设常数。

其中，获取表面波导大气修正折射率剖面波导模型的基础层底高的方式可以有多种，如可以随机生成该基础层底高，并在后续反演过程中可以不断调整该基础层底高；也可以是预先设定一个或多个基础层底高，以供选择。

该实施例综合考虑了在该传播距离处表面波导大气修正折射率剖面模型高度与天线高度的比值以及传播距离对海杂波计算功率的影响，并基于该比值和该传播距离来确定适合的目标函数，从而降低反演结果所存在的偏差。

可以理解的是，在以上任意一个实施例中，该第一目标函数可以为现有的任意适用于将归一化雷达散射截面设为常数的目标函数，在该第一目标函数的海杂波功率计算函数中忽略掠射角对归一化雷达散射截面以及海杂波功率计算的。而该第二目标函数也可以为现有技术中考虑掠射角对归一化雷达散射截面以及海杂波功率计算结果的影响的函数。

可选的，该第一目标函数为：min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在传播距离r所述海杂波的海杂波功率理论计算值，且其计算公式为：

(公式一)

其中，

其中，为在该海杂波传播路径上所有海杂波的实测功率的均值，为所述海杂波传播路径上所有P′_c(dB)理论计算值的均值；P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为该雷达系统的总损耗，θ_B为该雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为该雷达系统发射的脉冲宽度；F(r)为在该传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1。

可见，在该第一目标函数中的海杂波功率理论计算公式中将该归一化雷达散射截面视为常数，没有计入掠射角随着传播距离变化的特性对该归一化雷达散射截面的影响。因此，在该第一目标函数的海杂波功率理论计算公式中并没有包含该归一化雷达散射截面这个参数，而该归一化雷达散射截面的具体取值可以有多种，可以根据实际需要进行设定。

可选的，在本申请以上任意一个实施例中，该第二目标函数可以为：min|P_c(r)-P_obs(r)|²。

其中，在该第二目标函数中，传播距离r处的海杂波功率理论计算值P_c(r)的计算公式为：

(公式二)

其中，P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在该传播距离r处对应的掠射角，且由于海表面掠射角均小于1°，则secθ取值为1；其中，该传播距离r处的掠射角θ为采用曲面波谱的谱功率估计法，并基于优化方法对谱功率进行优化得到谱功率最大时所对应的角度。

其中，σ₀为该传播距离r处的归一化雷达散射截面，其计算公式为：

(公式三)

其中，σ_0,GIT(r,θ)为根据在该传播距离r处对应的掠射角以及该传播距离，并利用乔治亚洲学院(GIT，Georgia Institute of Technology)模型计算得到的海表面归一化散射截面；F⁴ _std(r′)是在标准大气条件下相同掠射角θ对应距离r′上计算得到的双程传播因子；其中，a_e为等效地球半径，h_t为发射天线海拔高度。

结合以上公式，可以将该公式三代入到公式二中，将公式二简化为如下公式四：

(公式四)

由此可见，在该公式中，只有σ_0,GIT(r,θ)和与掠射角相关外，其它参数均为已知的参数，因此，基于该公式三可以分析在传播距离、天线高度、波导高度等不同时，掠射角对该海杂波功率的影响，具体可以参见后续推理不同参数情况下，掠射角对海杂波功率的理论推导以及仿真介绍。

由第一目标函数以及该第二目标函数中涉及到的公式可知，在这两个目标函数中c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s是已知，雷达发射功率P_t，天线增益G，雷达系统的总损耗L_s，雷达系统中天线3dB波束宽度θ_B，雷达系统发射的脉冲宽度τ等都为雷达相关的已经参数，可以从雷达发射参数中确定。而对于这其中涉及到的掠射角、σ_0,GIT(r,θ)以及该传播距离r处的传播因子F(r)的计算方式则可以采用现有任意确定这三个参数的方式。

如，基于现有的该曲面波谱的谱功率估计方法确定掠射角，为了便于理解，下面对基于曲面波谱的谱功率估计进行简单介绍：

应用曲面波谱时，若同时考虑入射波和反射波，谱功率B_CWS(θ)的计算公式如公式五：

(公式五)

在公式四中φ_l(θ)为海拔高度z_l处的相位差，其计算公式如公式流：

(公式六)

其中，ω为该雷达频率对应的角频率，c为电波在真空中的传播速度；m(z)为等效海表面高度z处大气修正折射指数；m(z₁)为等效海表面高度z₁处大气修正折射指数；

z_l＝lΔz(l＝1,2…N_r)，Δz为采样间隔，且N_r取满足k_v(z,θ)≥0时的最大值，且N_r小于θ_BW为零点到零点的波束宽度；其中α_max是有效的抛物方程对全场近似的锥形角最大值。

谱估计法的原理是利用二维空间中的场分布，求得整个海杂波传播路径上每个位置处的谱功率，利用优化方法搜索得到的每个传播距离处谱功率最大时所对应的角度即为该位置处的掠射角。对于某一个传播距离所对应的位置点而言，谱功率是由该位置处整个空间海杂高度上的功率与θ决定的，通过对θ在一定范围内进行优化，而确定出谱功率最大时所对应的θ。当然，具体优化过程与现有对谱功率进行优化的过程相似，在此不再赘述。

而对于该第二计算模型中的σ_0,GIT(r,θ)直接根据GIT模型便可以确定出来，为了便于理解也对GIT模型进行简单介绍，如下分别给出在水平极化和垂直极化条件下对应的σ_0h,GIT和σ_0v,GIT的计算公式：

其中，定义以下参量：

(公式七)

(公式八)

其中，λ和θ与前面参数含义相同，λ为雷达频率对应的波长，θ为掠射角。

其中，h_av为平均浪高(单位：m)，其计算公式为：ν_w为风速(单位：m/s)。

(公式九)

G_M＝exp{0.2(1-2.8θ)(λ+0.015)^-0.4cosψ} (公式十)

(公式十一)

其中ψ为天线观测方向和风速的夹角(单位：弧度)。则

σ_0h,GIT＝10log(3.9×10^-6λθ^0.4G_aG_MG_w) (公式十二)

(公式十三)

另外，对于第一计算模型以及第二计算模型中的传播因子F(r)可根据天线高度h_t、天线3dB波束宽度θ_B、天线仰角、天线方向图函数等和大气修正折射率参数M，应用抛物方程法计算得到。限于篇幅限制，在此不再赘述抛物方程法的具体公式。

在一种可能的实现方式中，该根据预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取确定出的波导类型对应的目标修正折射率模型，可以包括：

当预估出海杂波为经表面波导传播的海杂波，即波导类型为表面波导时，该目标修正折射率模型包括如下第一修正折射率计算公式：

(公式十四)

M(z)为在海平面以上高度Z处的修正折射率，M₀为海平面处的修正折射率，m₁是基础层修正折射率的梯度，h₁为在该传输距离处的基础层底高，M_d为逆变层逆差，z_thick为逆变层厚度，m₃为最高层修正折射率的梯度，h₂为逆变层高度。

其中，当海杂波的为经表面波导传播时，则在传播距离x处的表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高h₁(x)可以采用现有的计算公式计算，具体的，其计算公式为：

(公式十五)

其中，ⁱ＝1，2，3，4，5，coeⁱ分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个水平参数；eigenvectorⁱ(x)分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个特征向量。

当预估出该海杂波为经蒸发波导传播的海杂波，即波导类型为蒸发波导时，选取出的目标修正折射率模型包括如下第二修正折射率计算公式：

(公式十六)

其中，M(z)为在海平面以上高度Z处的修正折射率，z₀为粗糙海面的动力学高度尺度，M(z₀)为高度z₀处的修正折射率，h_d为蒸发波导高度；

其中，蒸发波导高度是指蒸发波导垂直剖面模型中折射率最小值对应的高度。在传播距离x处的蒸发波导高度h_d(x)的计算公式可以采用现有的计算公式计算。具体的，其计算公式可以为：

(公式十七)

其中，ⁱ＝1，2，3，4，5，coeⁱ分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个水平参数；eigenvectorⁱ(x)分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个特征向量。

可以理解的是，在以上任意一个实施例中，反演过程实际是一个不断优化的过程，而在优化过程中则可能需要不断修改参数，而本申请实施例中，基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出对流层波导的修正折射率分布，同样是不断优化的过程，且具体过程可以包括：

为目标修正折射率模型分配优化参数值；

基于雷达发射参数、海杂波信息以及目标修正折射率模型的优化参数值，并结合目标函数进行优化计算，当优化计算结果不是最优时，重新为该目标修正折射率模型分配优化参数值，直至确定出最优值，并将该最优值确定为所述对流层波导的修正折射率分布。

其中，为目标修正折射率模型分配中未知参数分配参数值可以与现有的方式相似。

而在优化过程中，可以基于该目标修正折射率模型以及为该目标修正折射率模型分配的优化参数，并结合目标函数进行优化计算，在优化计算过程中需要判断目标函数是否满足要求，即目标函数是否为最优，如果不是，则可能需要重新调整为该目标修正折射率模型分配的参数值。当然，由于前面对波导类型为预估的类型，有可能预估出的波导类型并不是该传播该海杂波的波导的实际类型，则在优化过程中，还需要重新预估波导类型，并不断优化，直至输出满足要求的对流层波导的修正折射率分布。

为了能够更加直观的理解到本申请的有益效果，并证明本申请的方法成立的理论基础，该推导过程以计入掠射角随传播距离的变化的特性的计算公式来推导。为了避免篇幅过多，本申请实施例仅仅以经表面波导传播的海杂波为例进行介绍。同时，为了便于介绍，下面的推导基于本申请实施例中第二目标函数中海杂波理论计算公式，即以考虑掠射角影响的公式二为例，来介绍发明人确定出的不同传播距离，天线高度以及表面波导基础层底高对掠射角的影响，以及在该不同传播距离，天线高度以及表面波导基础层底高条件下，掠射角对海杂波功率的影响。而由于该公式二可以简化为公式三，则计算海杂波功率可以直接引用公式三。

(一)、下面对不同参数取值对掠射角的影响进行推导：

1、大气修正折射率M水平非均匀特性对掠射角灵敏度影响

①、基于如下表1中的雷达环境参数，探讨M水平非均匀特性对掠射角影响。

表1

其中，表面波导在传播距离为0千米处的垂直剖面参数取为：

表面波导基础层底高h₁＝50m，表面波导陷获层顶高h₂＝100m,表面波导陷获层逆差M_d＝20M,表面波导基础层斜率m₁＝0.135。

将上面的这四个值视为水平非均匀模型的初值。应用马尔科夫链，可得到如图2中所示的10个h₁水平非均匀样本，将其作为M沿水平方向上的分布。由此，可得到传播路径上每个位置处表面波导大气修正折射率的垂直剖面，即获得M的10个海拨高度—传播路径二维空间分布。

尽管在此水平非均匀模型下开展仿真，且表面波导高度较低利于计算，但研究过程中根据表面波导分布按比例设置发射天线高度。所以所得结论不失一般性，可以扩展至任意高度范围分布表面波导逆变层底高、任意天线高度的情况。

②、计算θ

其中，需要说明的是，表1中的频率f是指雷达发射频率，为了将该雷达发射频率均简称为频率。

基于公式五中谱功率B_CWS(θ)的计算公式，分别计算表1中所有天线高度、频率和①中每个M组合条件下，掠射角θ沿海杂波传播路径的分布。

基于以上的分析以及θ计算结果，图3a至图3d给出了不同频率、天线高度和M水平非均匀特性条件下，θ随传播距离变化的仿真结果示意图。其中，图3a至图3d的四张图分别对应天线高度与表面波导基础层底高的比值h_t/h₁取0.7、1、1.6和2，频率分别为3GHZ、5GHZ、7GHZ和10GHZ时的仿真结果，且10条曲线均代表每个M水平非均匀特性条件下计算得到的掠射角。例如，图3a为h_t/h₁取0.7，且频率为3GHZ的仿真结果图。

③计算

由②中的计算结果，求整个传播路径上的掠射角的均值

基于以上分析以及的计算结果，可以得出相应的仿真结果，如图4a和图4b。其中，图4(a)给出了f＝10GHz时，不同天线高度条件下改变M水平非均匀特性所得的分布。图中横坐标分别表示不同天线高度与h₁初值的比，纵坐标表示10个M水平非均匀特性的标号，颜色深浅表示掠射角均值的大小。图4(b)分别给出了天线高度h_t＝80m时，不同频率条件下M水平非均匀特性对的影响。

2、M初值对掠射角影响的研究思路

基于表1中的雷达环境参数，探讨M初值对掠射角影响，具体如下：

①M的二维空间分布

按比例调整表面波导在x＝0km处垂直剖面的参数h₁＝50m，分别变化 其它参数h₂＝100m，M_d＝20M,m₁＝0.135不变，且任取一个图2中的水平非均匀特性样本，可得到7个初值条件下h₁沿水平方向的分布，见图5。由此，可得到每个水平位置处表面波导大气修正折射率的垂直剖面，即获得M的7个海拨高度—传播路径二维空间分布。

尽管以此处的具体取值为例开展仿真，但研究过程中按比例调整表面波导逆变层底高大小。所以所得结论不失一般性，可以扩展至任意表面波导逆变层底高初值的情况。

②计算θ

由基于公式五中谱功率B_CWS(θ)的计算公式计算表1中所有天线高度、海杂波频率和①中每个M组合条件下，计算θ沿路径的分布。

③计算

由②中的计算结果，求整个路径上的均值

同样，M初值对掠射角影响的仿真，也是对不同频率，h_t/h₁分别取0.7、1、1.6和2，M初值变化时掠射角随传播距离的变化进行仿真。同时，基于频率f＝10GHz时，不同天线高度条件下改变M初值所得的分布进行仿真。同样，基于天线高度h_t＝80m时，不同频率条件下M初值对的影响进行仿真。鉴于篇幅的限制，不一一罗列。

3、结果分析

由图3a至图3d以及对M初值变化时掠射角随传播距离的变化的仿真，可以得出：f取值不同，其它参数取值相同条件下，θ随传播路径的变化趋势基本一致。因此，f对θ的影响较小。

在传播距离较近位置处，如传播距离小于20Km时，M水平非均匀特性、初值和天线高度与表面波导基础层底高的比值h_t/h₁对θ的影响可忽略；在传播距离较远位置处，如传播距离大于20Km，M水平非均匀特性和初值对θ的影响不可忽略，h_t/h₁对θ的影响与其取值有关。

在传播距离较远位置处，如传播距离小于20Km，当h_t/h₁<2时，θ随传播路径变化而震荡，且路径上θ最大值和最小值间的差值与θ具有相同数量级，h_t/h₁对θ的影响不可忽略；h_t/h₁≥2时，该区间内曲线较为平稳，h_t/h₁对θ的影响可忽略。

由图4a、图4b和基于频率f＝10GHz时，不同天线高度条件下改变M初值所得的分布进行仿真，以及基于天线高度h_t＝80m时，不同频率条件下M初值对的影响进行仿真可以得出，随h_t/h₁比值增大而增大，受f的影响较小。

(二)、下面研究表面波导条件下掠射角对海杂波功率的影响

本节根据前面“对不同参数取值对掠射角的影响”部分中计算得到的掠射角，探讨掠射角对归一化雷达散射截面σ₀和海杂波功率的影响。具体研究如下：

1、掠射角对海杂波功率影响

(1)M水平非均匀特性对海杂波功率的影响

基于表1中的雷达环境参数，探讨M水平非均匀特性引入掠射角的变化对海杂波功率的影响。具体研究思路如下。

①计算σ₀

计算表1中所有天线高度和频率组合条件下标准大气传播因子F_std，并集合(一)中M不同水平非均匀特性条件下掠射角的计算结果，由公式(3)计算σ₀。

同时，对不同频率、天线高度时h₁不同水平非均匀特性条件下的σ₀进行仿真。

②计算传播因子F

基于(一)中生成的10个M水平非均匀特性，计算表1中所有天线高度和频率组合条件下的传播因子F。

③计算假设σ₀为常数时的海杂波功率

基于②，由第一计算模型中的公式(1)计算传播路径上第i个传播距离对应的位置处，假设σ₀为常数时的海杂波功率P_c,indp,i。

④计算考虑掠射角时的海杂波功率

基于①和②，由公式(4)计算传播路径上第i个位置处的的海杂波功率P_c,cws,i。

计算P_c,indp,i和P_c,cws,i差值δ(单位：dB)和其沿传播路径的平均差值(单位：dB)，将其作为评价掠射角对海杂波功率的影响程度的标准。

基于如上计算，对不同频率、天线高度时M不同水平非均匀特性条件下的δ进行仿真。同时，仿真不同频率、天线高度时M不同水平非均匀条件下的平均差值图。

(2)M初值对海杂波功率的影响

基于表1中的雷达环境参数，探讨M初值引入掠射角的变化对海杂波功率的影响。具体研究思路如下。

①计算σ₀

计算表1中所有天线高度和频率组合条件下标准大气传播因子F_std，并结合(一)中M不同初值条件下掠射角的计算结果，计算σ₀。

同时，对不同频率、天线高度时M不同初值条件下的σ₀进行仿真，以得到相应的仿真图。

②计算传播因子F

③计算假设σ₀为常数时的海杂波功率P_c,indp,i。

④计算考虑掠射角时的海杂波功率

基于①和②，由公式(4)计算传播路径上第i个位置处的海杂波功率P_c,cws,i。

计算P_c,indp,i和P_c,cws,i差值δ和其沿传播路径的平均差值将其作为评价掠射角对海杂波功率的影响程度的标准。

基于如上的计算，对不同频率、天线高度时M不同水平非均匀特性条件下的δ进行仿真。同时，仿真不同频率、天线高度时M不同水平非均匀条件下的平均差值图。

需要说明的是，限于篇幅的限制，在本申请实施例中并没有附上对掠射角对海杂波功率过程中仿真得到仿真图，但是进行仿真得到仿真图是本领域技术人员所公知的。

而基于如上(二)所涉及的计算以及仿真，可以得到如下结论：

不同M水平非均匀特性和初值条件下，σ₀随路径的变化趋势与θ随路径的变化趋势不完全一致，且当h_t/h₁<2时，f越大，震荡越剧烈，f和h_t/h₁对σ₀的影响不可忽略。

在传播距离较近位置处，如一般是传播距离小于20Km时，仿真图中该区间内线簇均较细，则表明M水平非均匀特性、初值和天线高度与表面波导基础层底高的比值h_t/h₁对σ₀和海杂波功率差值δ的影响可忽略；在传播距离较远位置处，如，一般以传播距离大于20Km认为距离较远，仿真图中线簇均较粗，M水平非均匀特性和初值对σ₀和海杂波功率差值δ的影响不可忽略，h_t/h₁对σ₀和海杂波功率差值δ的影响与其取值有关。

在传播距离较远位置处，如传播距离大于20km，且当h_t/h₁<2时，δ和σ₀随传播路径变化而震荡，h_t/h₁对δ和σ₀的影响不可忽略；且当h_t/h₁≥2时，仿真图中该区间内曲线较为平稳，h_t/h₁对δ和σ₀的影响可忽略。

基于上述研究结论，在进行表面波导条件下RFC反演时，如果反演的表面波导基础层底高相对天线高度较高，即h_t/h₁<2时，则当所需计算的传播距离较近(如，小于20km)，则反演过程中可不计掠射角，即采用第一计算模型来计算海杂波功率；反之，计算距离较远时(如，大于20km)，则反演过程中必须考虑掠射角的影响，采用CWS模型的RFC反演方法，即采用第二计算模型来计算海杂波功率。如果反演表面波导基础层底高相对天线高度较低(如，h_t/h₁≥2)时，无论传播距离如何，均无需计入掠射角影响，此时采用第一计算模型计算海杂波功率即可。

特别的，当无法确定表面波导基础层底高相对天线高度的比值时，则在传播距离较近，如小于20km时，采用第一计算模型计算海杂波功率；在传播距离较远，如大于20km时，采用CWS模型计算海杂波功率。

为了验证以上(一)和(二)中推导出的结论，下面以实测数据为例，来对本申请的对流层波导反演方法进行说明。

其中，该实例中所应用的实测海杂波数据为美国空间测距雷达的试验数据。其中，具体雷达参数以及环境参数如表2所示。

表2

同时，应用某时刻测得的150°方位对流层波导试验数据。如图6a给出了修正折射率沿传播路径的分布图；图6b示出实测海杂波功率沿传播路径的分析图。

另外，确定出反演10次得到的修正折射率二维分布图，并得到每次反演1次的修正折射率二维分布图。图7示出了为每次反演中的海杂波功率平均误差统计结果。较大的黑点表示基于第二计算模型来进行反演得到结果分布，较小的黑点表示基于第二计算模型反演得到的结果分布。

则由实测的修正折射率数据可以看出，该试验中所测得的表面波导高度相对天线高度较低。应用第一计算模型和第二计算模型反演计算得到的修正折射率和海杂波功率相差不大。

经过大量计算得出：表面波导基础层底高相对天线高度较低时，应用第一计算模型的RFC反演方法计算即可，以避免确定掠射角等复杂计算。

需要说明的是，虽然以上是以经表面波导传播的海杂波为例来介绍推导出本发明中发明人研究结论的过程，但是对于海杂波为经蒸发波导传播的海杂波而言，其同样可以采用以上的推导思路来得出相应结论，限于篇幅在此不再赘述。

对应本申请的一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法，本申请还提供了一种基于雷达海杂波的对流层波导反演装置。参见图8，其示出了本申请一种基于雷达海杂波的对流层波导反演装置一个实施例的结构示意图，本实施例的装置可以包括：

信息获取单元801，用于获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息，其中，所述海杂波信息至少包括所述海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息；

类型预估单元802，基于所述海杂波的传播方式信息，预估所述海杂波传播所经波导的波导类型；

模型选取单元803，用于根据所述类型预估单元预估出的波导类型，并结合预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取用于计算所述海杂波的修正折射率的目标修正折射率模型；

函数选取单元804，用于从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数；

反演优化单元805，用于基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，其中，所述目标函数中的海杂波功率理论计算函数是基于所述目标修正折射率模型计算出的修正折射率，来计算所述海杂波的海杂波功率的。

可选的，所述模型选取单元，包括：

第一模型选取单元，用于当预估出所述海杂波为经表面波导传播的海杂波时，所述目标修正折射率模型包括如下第一修正折射率计算公式：

M(z)为在海平面以上高度Z处的修正折射率，M₀为海平面处的修正折射率，m₁是基础层修正折射率的梯度，h₁为基础层底高，M_d为逆变层逆差，z_thick为逆变层厚度，m₃为最高层修正折射率的梯度，h₂为逆变层高度；

其中，其中，ⁱ＝1，2，3，4，5，coeⁱ分别表示ⁱ ＝1，2，3，4，5时的5个水平参数；eigenvectorⁱ(x)分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个特征向量；

第二模型选取单元，用于当预估出所述海杂波为经蒸发波导传播的海杂波时，所述目标修正折射率模型包括如下第二修正折射率计算公式：

其中，M(z)为在海平面以上高度Z处的修正折射率，z₀为粗糙海面的动力学高度尺度，M(z₀)为高度z₀处的修正折射率，h_d为蒸发波导高度；

其中，

其中，ⁱ＝1，2，3，4，5，coeⁱ分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个水平参数；eigenvectorⁱ(x)分别表示ⁱ＝1，2，3，4，5时的5个特征向量。

可选的，所述函数选取单元，包括：

第一函数选取单元，用于当所述海杂波的传播距离小于预设距离时，将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；其中，第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，并将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

第二函数选取单元，用于当所述传播距离大于或等于所述预设距离时，将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同。

可选的，当预估出所述海杂波为经表面波导传播的海杂波时，所述信息获取单元获取到的所述雷达发射信息包括：雷达系统的天线高度；

则所述装置还包括：

底高获取单元，用于在所述函数选取单元选取所述目标函数之前，获取所述表面波导基础层底高；

比值计算单元，用于计算所述雷达系统的天线高度与所述表面波导基础层底高之间的比值；

则所述函数选取单元，包括：

第三函数选取单元，用于当所述比值小于预设阈值，且所述海杂波的传播距离小于预设距离时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

第四函数选取单元，用于当所述比值小于所述预设阈值，且所述海杂波的传播距离大于所述预设距离时，则将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

第五函数选取单元，用于当所述比值大于所述预设阈值时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

可选的，在以上装置的实施例中，第一目标函数可以为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r所述海杂波的海杂波功率理论计算值，且其计算公式为：

其中，

其中，为所述海杂波传播路径上所有海杂波的实测功率的均值，为所述海杂波传播路径上所有P′_c(dB)理论计算值的均值；P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为所述雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；

可选的，在以上装置的实施例中，所述第二目标函数可以为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r处的海杂波功率的理论计算值，且

其中，P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；其中，所述传播距离r处的掠射角θ为采用曲面波谱的谱功率估计法，并基于优化方法对谱功率进行优化得到谱功率最大时所对应的角度；

σ₀为所述传播距离处的归一化雷达散射截面，其计算公式为：

其中，σ_0,GIT(r,θ)为利用乔治亚洲学院GIT模型计算得到的在所述传播距离r处的海表面归一化散射截面，F⁴ _std(r′)是在标准大气条件下相同掠射角θ对应距离r′上计算得到的双程传播因子；其中，a_e为等效地球半径，h_t为发射天线海拔高度。

可选的，在以上实施例中反演优化单元可以包括：

参数配置单元，用于为所述目标修正折射率模型分配优化参数值；

优化子单元，用于基于所述雷达发射参数、所述海杂波信息以及所述目标修正折射率模型的优化参数值，并结合所述目标函数进行优化计算，当优化计算结果不是最优时，重新返回所述参数配置单元为所述目标修正折射率模型分配优化参数值，直至确定出最优值，并将所述最优值确定为所述对流层波导的修正折射率分布。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于雷达海杂波的对流层波导反演方法，其特征在于，包括：

获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息，其中，所述海杂波信息至少包括所述海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息；

基于所述海杂波的传播方式信息，预估所述海杂波传播所经波导的波导类型；

根据预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取所述波导类型对应的目标修正折射率模型；

从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数；

基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，其中，所述目标函数中的海杂波功率理论计算函数是基于所述目标修正折射率模型计算出的修正折射率，来计算所述海杂波的海杂波功率的；

其中，所述从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数，包括：

当所述海杂波的传播距离小于预设距离时，将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

当所述传播距离大于或等于所述预设距离时，将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，并将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数；

所述第一目标函数为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r所述海杂波的海杂波功率理论计算值，且其计算公式为：

其中，

其中，为所述海杂波传播路径上所有海杂波的实测功率的均值，为所述海杂波传播路径上所有P_c′(dB)理论计算值的均值；P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为所述雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；

所述第二目标函数为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r处的海杂波功率的理论计算值，且

其中，P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；其中，所述传播距离r处的掠射角θ为采用曲面波谱的谱功率估计法，并基于优化方法对谱功率进行优化得到谱功率最大时所对应的角度；

σ₀为所述传播距离处的归一化雷达散射截面，其计算公式为：

其中，σ_0,GIT(r,θ)为利用乔治亚洲学院GIT模型计算得到的在所述传播距离r处的海表面归一化散射截面，F⁴ _std(r′)是在标准大气条件下相同掠射角θ对应距离r′上计算得到的双程传播因子；其中，a_e为等效地球半径，h_t为发射天线海拔高度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当预估出所述海杂波为经表面波导传播的海杂波时，所述雷达发射信息包括：雷达系统的天线高度；

则在从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数之前，还包括：

获取表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高；

计算所述雷达系统的天线高度与所述基础层底高之间的比值；

则所述从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数，包括：

当所述比值小于预设阈值，且所述海杂波的传播距离小于预设距离时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

当所述比值小于所述预设阈值，且所述海杂波的传播距离大于所述预设距离时，则将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

当所述比值大于所述预设阈值时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，包括：

为所述目标修正折射率模型分配优化参数值；

基于所述雷达发射参数、所述海杂波信息以及所述目标修正折射率模型的优化参数值，并结合所述目标函数进行优化计算，当优化计算结果不是最优时，重新为所述目标修正折射率模型分配优化参数值，直至确定出最优值，并将所述最优值确定为所述对流层波导的修正折射率分布。

4.一种基于雷达海杂波的对流层波导反演装置，其特征在于，包括：

信息获取单元，用于获取雷达发射参数以及待分析海杂波传播路径上的海杂波信息，其中，所述海杂波信息至少包括所述海杂波的传播距离以及海杂波传播方式信息；

类型预估单元，基于所述海杂波的传播方式信息，预估所述海杂波传播所经波导的波导类型；

模型选取单元，用于根据所述类型预估单元预估出的波导类型，并结合预置的波导类型与修正折射率模型的对应关系，选取所述波导类型对应的目标修正折射率模型；

函数选取单元，用于从预置的用于反演对流层波导的目标函数集合中，选取与所述波导类型和所述海杂波信息对应的目标函数；

反演优化单元，用于基于所述雷达发射参数以及海杂波信息，并利用所述目标修正折射率模型和所述目标函数，确定出所述对流层波导的修正折射率分布，其中，所述目标函数中的海杂波功率理论计算函数是基于所述目标修正折射率模型计算出的修正折射率，来计算所述海杂波的海杂波功率；

其中所述函数选取单元，包括：

第一函数选取单元，用于当所述海杂波的传播距离小于预设距离时，将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；其中，第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，并将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数；

第二函数选取单元，用于当所述传播距离大于或等于所述预设距离时，将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；

所述第一目标函数为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r所述海杂波的海杂波功率理论计算值，且其计算公式为：

其中，

其中，为所述海杂波传播路径上所有海杂波的实测功率的均值，为所述海杂波传播路径上所有P_c′(dB)理论计算值的均值；P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为所述雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；

所述第二目标函数为：

min|P_c(r)-P_obs(r)|²；

其中，P_obs(r)为在传播距离r处的实测海杂波功率；

P_c(r)为在所述传播距离r处的海杂波功率的理论计算值，且

其中，P_t为雷达发射功率，G为雷达系统的天线增益，λ为雷达频率对应的波长，L_s为所述雷达系统的总损耗，θ_B为所述雷达系统中天线3dB波束宽度，τ为雷达发射的脉冲宽度；F(r)为在所述传播距离r处的传播因子；c为自由空间光速，取为3×10⁸m/s；θ为所述海杂波在所述传播距离r处对应的掠射角，且secθ取值为1；其中，所述传播距离r处的掠射角θ为采用曲面波谱的谱功率估计法，并基于优化方法对谱功率进行优化得到谱功率最大时所对应的角度；

σ₀为所述传播距离处的归一化雷达散射截面，其计算公式为：

其中，σ_0,GIT(r,θ)为利用乔治亚洲学院GIT模型计算得到的在所述传播距离r处的海表面归一化散射截面，F⁴ _std(r′)是在标准大气条件下相同掠射角θ对应距离r′上计算得到的双程传播因子；其中，a_e为等效地球半径，h_t为发射天线海拔高度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，当预估出所述海杂波为经表面波导传播的海杂波时，所述信息获取单元获取到的所述雷达发射信息包括：雷达系统的天线高度；

则所述装置还包括：

底高获取单元，用于在所述函数选取单元选取所述目标函数之前，获取所述表面波导大气修正折射率剖面模型的基础层底高；

比值计算单元，用于计算所述雷达系统的天线高度与所述基础层底高之间的比值；

则所述函数选取单元，包括：

第三函数选取单元，用于当所述比值小于预设阈值，且所述海杂波的传播距离小于预设距离时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；

第四函数选取单元，用于当所述比值小于所述预设阈值，且所述海杂波的传播距离大于所述预设距离时，则将所述目标函数集合中的第二目标函数作为所述目标函数；

第五函数选取单元，用于当所述比值大于所述预设阈值时，则将所述目标函数集合中的第一目标函数作为所述目标函数；其中，所述第一目标函数与所述第二目标函数不同；第一目标函数中假设掠射角随所述传播距离的变化对归一化雷达散射截面无影响，将所述归一化雷达散射截面设置为预设常数。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述反演优化单元包括：

参数赋值单元，用于为所述目标修正折射率模型分配优化参数值；

优化子单元，用于基于所述雷达发射参数、所述海杂波信息以及所述目标修正折射率模型的优化参数值，并结合所述目标函数进行优化计算，当优化计算结果不是最优时，返回所述参数赋值单元重新为所述目标修正折射率模型分配优化参数值，直至确定出最优值，并将所述最优值确定为所述对流层波导的修正折射率分布。