CN115238737A - 一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法 - Google Patents

一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法
技术领域
本发明属于近海面蒸发波导、海上大气、海洋物理等技术领域，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。
背景技术
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。
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。
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。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明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。
技术方案
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ht＝zEDH的大气修正折射率分布：
Figure BDA0003726524530000021
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；ht＝zEDH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：
Figure BDA0003726524530000022
PLfs是自由空间损耗，单位是dB：PLfs＝32.45+20log f+20log r；
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：
Figure BDA0003726524530000023
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：
Figure BDA0003726524530000024
其中：t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,…,Nt；
Figure BDA0003726524530000025
为实际测得的路径损失，单位为dB；Pt为发射信号功率，单位为dBm；Gt为发射天线增益，单位为dBi；Gr为接收天线增益，单位为dBi；Ga为接收信号放大器增益，单位为dB；Pr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
Figure BDA0003726524530000031
Figure BDA0003726524530000032
其中，p表示蒸发波导剖面模型参数，Nt在拷贝场数据库的搜索次数；
利用全局优化算法，搜索求解使
Figure BDA0003726524530000033
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；
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,…,MN]，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；
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。
所述传播因子
Figure BDA0003726524530000034
Fd和Fr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。
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。
所述蒸发波导高度ht＝zEDH为从0到50m。
所述设定间隔为0.1米。
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。
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。
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。
有益效果
本发明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。
本发明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监测手段难以长期实时、隐蔽高效、大面积应用的难题，可作为海上电磁系统的辅助决策手段。
附图说明
图1是本发明的流程图
图2是采集导航雷达信号的概念图
图3是蒸发波导高度20m时的仿真路径损失
图4是航海雷达射频信号的频谱
图5是反演得到的均匀蒸发波导修正折射率剖面
图6是反演得到的非均匀蒸发波导修正折射率剖面
图7是区域蒸发波导反演同化结果
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于合作式航海雷达信号的蒸发波导剖面反演方法，其特征在于利用实测船载航海雷达信号电平数据，结合非均匀蒸发波导剖面模型、高级传播模型、反演目标函数以及全局寻优算法等方法，反演得到单条链路的蒸发波导分布，通过多条链路反演结果的插值、同化算法，得到监测海域内的蒸发波导分布，具体步骤如下：
步骤1：建立拷贝场数据库。利用式(1)计算蒸发波导高度从0到50m、间隔0.1米的大气修正折射率分布，建立水平均匀的蒸发波导环境。
Figure BDA0003726524530000051
式(1)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；ht＝zEDH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。
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，利用公式(2)～(7)计算对应蒸发波导剖面的路径损失。
PLfs＝32.45+20log f+20log r (2)
Figure BDA0003726524530000052
式(2)～(3)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，PLfs是自由空间损耗，单位是dB，
Figure BDA0003726524530000053
是计算的路径损失，单位是dB，F是传播因子，在高级传播模型中有两种表达形式，即式(4)和式(5)。抛物方程空间中的F由式(4)计算，射线空间由式(5)和式(6)计算，平坦地球空间由式(5)和式(7)计算，而超光学空间远超蒸发波导层，由射线空间近似计算。其中，平坦地球空间在天线仰角大于5°或距离小于2.5km时使用，射线空间是在天线仰角小于5°且大于2°，距离大于2.5km时使用，射线空间外的低空区域为抛物方程空间，高空区域为超光学空间。
Figure BDA0003726524530000061
Figure BDA0003726524530000062
Figure BDA0003726524530000063
Figure BDA0003726524530000064
公式(4)～(7)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；Fd和Fr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，βd和βr分别代表直射和折射射线的传播角，R和
Figure BDA0003726524530000065
分别是菲涅尔反射系数的级别和滞后相位，α是接收仰角，α1和α0分别表示在每一个射线追踪步长开始和结束时的角度，X代表计算距离，S表示球形传播因子，D表示光路长度差，r1和r2分别是直射和折射射线的路径长度，a表示地球平均半径，ke表示有效地球半径系数。
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，由式(8)计算监测链路的路径损失。
Figure BDA0003726524530000071
式中，t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,…,Nt；
Figure BDA0003726524530000072
为实际测得的路径损失，单位为dB；Pt为发射信号功率，单位为dBm；Gt为发射天线增益，单位为dBi；Gr为接收天线增益，单位为dBi；Ga为接收信号放大器增益，单位为dB；Pr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
Figure BDA0003726524530000073
Figure BDA0003726524530000074
其中，p表示蒸发波导剖面模型参数，Nt表示搜索数，其大小与步骤1建立的拷贝场数据库有关。利用全局优化算法，搜索求解使
Figure BDA0003726524530000075
最小的一组最优解，反演得到单条链路上的蒸发波导修正折射率剖面。
步骤5：计算拷贝场向量。将蒸发波导均匀分布的反演结果作为初值，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,…,MN]，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。
步骤6：反演区域蒸发波导分布情况。利用岸基监测点、移动监测点、岛礁监测点等组成监测网络，分别反演各监测点与合作船间监测链路的非均匀蒸发波导分布，结合插值、同化算法，反演得到监测区域的蒸发波导分布情况。
具体实施例：
该方法特征在于利用实测船载航海雷达信号电平数据，结合非均匀蒸发波导剖面模型、高级传播模型、反演目标函数以及全局寻优算法等方法，反演得到单条链路的蒸发波导分布，通过多条链路反演结果的插值、同化算法，得到监测海域内的蒸发波导分布，图1是本发明方法的流程图。
本方法实施例的步骤如下：
步骤1：建立拷贝场数据库。利用式(1)计算蒸发波导高度从0到50m、间隔0.1米的大气修正折射率分布，建立水平均匀的蒸发波导环境。
步骤2：本实例中目标舰船的航海雷达天线高度为20m，接收端天线高度为15m，代入到高级传播模型中，利用公式(2)～(7)计算对应蒸发波导剖面的路径损失，图2是蒸发波导高度20m时的路径损失示意图。
步骤3：本实例中目标船距离监测点50km，航海雷达的平均发射功率为15dBm、天线高度20m、天线增益30dBi；接收端天线增益25dBi，接收信号放大器增益25dB，信号采集概念图如图3所示，接收信号频谱如图4所示，系统的等效插损5dB，由式(8)计算监测链路的路径损失为156.94dB。
步骤4：建立反演目标函数
Figure BDA0003726524530000081
Figure BDA0003726524530000082
利用全局优化算法，搜索求解使
Figure BDA0003726524530000083
最小的一组最优解，图5是反演得到单条链路上的蒸发波导修正折射率剖面，蒸发波导高度为22.9m。
步骤5：将蒸发波导均匀分布的反演结果作为初值，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,…,MN]，节点间距为25km，图6是反演得到单条链路上的非均匀蒸发波导修正折射率剖面。
步骤6：利用岸基监测点、移动监测点、岛礁监测点等组成监测网络，分别反演各监测点与合作船间监测链路的非均匀蒸发波导分布，结合插值、同化算法，得到监测区域的蒸发波导分布情况，如图7所示。

Claims (8)

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ht＝zEDH的大气修正折射率分布：
Figure FDA0003726524520000011
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；ht＝zEDH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：
Figure FDA0003726524520000012
PLfs是自由空间损耗，单位是dB：PLfs＝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：
Figure FDA0003726524520000013
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：
Figure FDA0003726524520000014
其中：t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,…,Nt；
Figure FDA0003726524520000015
为实际测得的路径损失，单位为dB；Pt为发射信号功率，单位为dBm；Gt为发射天线增益，单位为dBi；Gr为接收天线增益，单位为dBi；Ga为接收信号放大器增益，单位为dB；Pr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
Figure FDA0003726524520000021
Figure FDA0003726524520000022
其中，p表示蒸发波导剖面模型参数，Nt在拷贝场数据库的搜索次数；
利用全局优化算法，搜索求解使
Figure FDA0003726524520000023
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；
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,…,MN]，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；
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。
2.根据权利要求1所述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：所述传播因子
Figure FDA0003726524520000024
Fd和Fr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。
3.根据权利要求1所述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：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。
4.根据权利要求1所述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：所述蒸发波导高度ht＝zEDH为从0到50m。
5.根据权利要求1所述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：所述设定间隔为0.1米。
6.根据权利要求1所述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：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。
7.根据权利要求1所述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：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。
8.根据权利要求1所述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：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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116068560A (zh) * 2023-03-06 2023-05-05 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法

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CN116068560A (zh) * 2023-03-06 2023-05-05 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法

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