CN116660831A - 一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法 - Google Patents

一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116660831A
CN116660831A CN202310272571.XA CN202310272571A CN116660831A CN 116660831 A CN116660831 A CN 116660831A CN 202310272571 A CN202310272571 A CN 202310272571A CN 116660831 A CN116660831 A CN 116660831A
Authority
CN
China
Prior art keywords
point
atmospheric
refractive index
data
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310272571.XA
Other languages
English (en)
Inventor
高乾
弓树宏
王霞
李思哲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202310272571.XA priority Critical patent/CN116660831A/zh
Publication of CN116660831A publication Critical patent/CN116660831A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/021—Auxiliary means for detecting or identifying radar signals or the like, e.g. radar jamming signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N2021/4106—Atmospheric distortion; Turbulence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明实施例涉及一种基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法，包括：设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据；根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点；计算杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；计算杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据；根据杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据。

Description

一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法
技术领域
本发明涉及电波传播技术领域，尤其涉及一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法。
背景技术
大气波导是在特定的气象条件下，某一高度范围内的大气折射指数随高度迅速下降而形成的一种“特殊”大气分层结构。由于其内部的大气结构可以使电波产生折射效应，从而被陷获在波导层内形成超视距传播，因此大气波导环境往往会对电子设备性能产生重要影响。
目前大气波导最为精确的诊断手段是根据大气折射指数的空间分布，结合大气波导环境内大气折射率梯度特征来进行判断，而在实时作战环境中，敌方区域内的大气环境往往无法直接测量，这对大气波导分布诊断产生了严重的限制，因此一种可以便捷进行大气波导反演分析的技术手段往往可以帮助扩展大气波导实时分析的区域范围，掌握战场主动权。
当前已有的大气波导反演方法主要分为两类：接触式探测方法和遥感探测方法。接触式探测方法又可分为直接方法和间接方法：直接方法就是利用高精度气象传感器直接测量大气的温、湿、压和折射率等参数廓线，判断是否存在大气波导结构，间接方法即采用高精度气象水文仪器测量一定高度大气的温、湿、压、风速风向和海温参数，代入一定模型，判断大气波导是否存在；遥感探测方法利用气象卫星、雷达、GPS、微波辐射计和激光雷达等设备和技术来反演大气波导。
虽然上述的大气波导反演方法已经进入了应用层面，但是仍然存在很多问题，比如：需要大量的人力、物力以及高精尖的仪器，对资金有一定要求；反演方法对环境的适应性差，在极端环境下精度波动较为剧烈；预报速度和准确度和选取的预报模型息息相关，因此基于不同的预报模型反演出来的波导参数有较大的误差，同时也无法预报精度雷达探测范围外波导环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法，以解决现有反演方法计算效率低，反演精度差，适用范围受限等问题。
为此，本发明实施例提供了一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法，包括：
设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；
调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据；
根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对所述反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点；
计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；
计算所述杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据；
根据所述杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和所述杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据。
优选的，所述方法还包括：
基于所述大气折射指数的分布结果数据逐点进行大气波导分布诊断，确定是否存在大气波导；
在存在大气波导的情况下，确定波导厚度、波导高度和波导强度。
优选的，所述设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内具体包括：
将所述信号发射和接收装置建立在海面上的可移动平台上；
对所述信号发射和接收装置所在位置不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，并根据测量结果进行大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M；其中，计算结果M包括不同高度处的大气折射指数N；t为温度，P为大气压强，e为湿度决定的水汽压；
根据计算结果M对大气折射率梯度进行计算，当满足时，将Nn点高度与信号发射和接收装置的高度进行比较，如果该高度大于发射装备高度，确定所述信号发射和接收装置处于波导环境内，否则不在波导环境内；Nn和Nn-1为大气折射指数垂直分布的计算结果中中相邻高度处的两个大气折射指数，其中Nn为高度较高点的大气折射指数，Nn-1为高度较低点的大气折射指数，ΔH为上述相邻高度之间的高度差。
进一步优选的，当所述信号发射和接收装置不在波导环境内时，通过移动所述可移动平台，重新设置并重新确定信号发射和接收装置处于波导环境内。
优选的，所述调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据具体包括：
根据信号发射和接收装置中发射天线的半功率波束角θ和临界折射角θ0，设置发射仰角为θ/2+θ0，然后将发射仰角减小一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第一海面杂波反射信号监测数据；
再设置发射仰角为-θ/2-θ0，然后将发射仰角增加一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第二海面杂波反射信号监测数据；
所述海面杂波反射信号监测数据包括：方位角、信号强度和反射点与发射点之间的距离。
进一步优选的，所述根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对所述反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点具体包括：
根据所述电磁波信号发射方向建立坐标系，使所述电磁波信号发射方向处于所述坐标系中的第一象限；
对所述第一海面杂波反射信号监测数据进行分析，当反射点与发射点之间的最远距离大于电波传播视距范围Dlimit时，根据所述第一海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第一一维数组，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第二一维数组；
索引比第二一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；如果存在这样的数据，将索引得到的第一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；如果不存在这样的数据，将所述第二一维数组中的最后一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；
对所述第二海面杂波反射信号监测数据进行分析，根据所述第二海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第三一维数组，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第四一维数组；
索引比第四一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；将索引得到的第二个数据输出为第二特征点P2在所述坐标系的横坐标上的位置；将索引得到的第一个数据输出为第二特征点P2的辅助点P3在所述坐标系的横坐标上的位置。
进一步优选的，所述预设倍数为10倍。
进一步优选的，所述计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据具体包括：
根据分别计算对第一特征点P1和第二特征点P2位置处的大气折射率，其中，np为对应特征点位置海面处的大气折射率，R_0为地球半径，H天线为发射天线的海拔高度，n天线为发射天线所在位置的大气折射率，θt为打在对应特征点位置处波束的信号发射仰角，θr为在对应特征点位置处的波束略入角；
根据np分别计算对第一特征点P1和第二特征点P2对应的海面大气折射指数Np，Np＝(np-1)×106+R_0*H天线，得到第一特征点P1海面处的大气折射指数Np1，以及第二特征点P2海面处的大气折射指数Np2。
进一步优选的，所述计算所述杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据具体包括：
计算电磁波信号在传播过程中，由于地球曲率而产生的与地球表面的夹角变化量；
根据所述夹角变化量计算所述第一特征点P1在垂直方向上的大气折射指数分布数据和第二特征点P2在垂直方向上的大气折射指数分布数据。
进一步优选的，所述根据所述杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和所述杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据具体为：
确定待测位置在水平空间内的位置；
当点Sd1对应的待测位置d1在水平空间内处于发射天线所在位置与第一特征点P1的水平位置之间时，距地高度为H的点Sd1处大气折射指数为：Nd1＝N0+(Np1-N0)/Ld1×(xd1-xp0)；其中，Nd1为点Sd1处的大气折射指数，N0为发射天线位置对应高度H处的大气折射指数，Np1为第一特征点P1对应高度H处的大气折射指数，Ld1为发射天线所在位置与第一特征点P1所在位置之间的水平距离，xd1为点Sd1的水平位置，xp0为发射天线所在水平位置；
当点Sd2对应的待测位置d2在水平空间内处于第一特征点P1与第二特征点P2的水平位置之间时，距地高度为H的点Sd2处大气折射指数为：Nd2＝Np2+(Np2-Np1)/Ld2×(xd2-xp1)；其中，Nd2为Sd2处的大气折射指数，Np2为第二特征点P2对应高度H处的大气折射指数，Ld2为第一特征点P1所在位置与第二特征点P2所在位置之间的水平距离，xd2为点Sd2的水平位置，xp1为第一特征点P1的水平位置；
当点Sd3处对应的待测位置d3在水平空间内处于第二特征点P2的水平位置之外时，距地高度为H的点Sd3处大气折射指数为：Nd3＝Np1+(Np2-Np1)/Ld2×(xd3-xp1)；其中，Nd3为点Sd3处的大气折射指数，xd3为点d3的水平位置。
本发明实施例提供的基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法，从大气折射效应的角度出发，根据海杂波反射数据，通过分析杂波反射点位置分布情况，海面处信号反射点与信号发射仰角的关系，基于球面分层大气折射的原理对空间中的大气折射指数分布进行计算，以产生大气波导诊断所需要的大气折射指数分布数据。通过本发明所述方法可以对无法进行实地大气环境测量的区域进行用以表征大气波导环境结构的参数的分析计算，能够有效拓展不用应用场景下的电波环境掌控范围。本发明提出的大气波导反演方法与现有大气波导反演技术相比，基于大气折射效应进行分析，分析过程更能体现大气波导内电波的传播特性且计算过程更为简洁，具有更高的效率和精度，适用性更好，同时，实施本方法所需要的装置简便，成本低，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例提供的大气波导反演方法流程图；
图2为本发明实施例提供的信号发射和接收装置试验场景设置图；
图3为本发明实施例提供的大气折射指数垂直剖面计算结果及仿真图；
图4为本发明实施例提供的波导环境内电波传播轨迹示意图，其中左侧图4a为上行波束，右侧图4b为下行波束；
图5为本发明实施例提供的发射点与地球之间的切线示意图；
图6为本发明实施例提供的上行波束特征点垂直方向大气折射指数拓展示意图；
图7为本发明实施例提供的下行波束特征点垂直方向大气折射指数拓展示意图；
图8为本发明实施例提供的水平方向大气折射指数插值拓展示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法，该方法通过数据监测，对大气折射指数分布进行计算，获得用以表征大气波导环境结构的参数，来实现大气波导反演。图1为本发明实施例提供的基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法在，下面结合图1的步骤对本方法进行说明。
步骤110，设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；
步骤111，将信号发射和接收装置建立在海面上的可移动平台上；信号发射和接收装置可以是一体化的电磁波信号发射装置和接收装置，也可以是分立的各自独立的装置，它们设置在海面上的可移动平台上，如图2所示以方便调整其位置。
步骤112，对信号发射和接收装置所在位置不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，并根据测量结果进行大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M；其中，计算结果M包括不同高度处的大气折射指数N；
T为温度，P为大气压强，e为湿度决定的水汽压；
通过低空气球对不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，测量最大高度最低为40m，测量高度间隔可根据实际条件选择，间隔越小则最终计算精度越高。
湿度决定的水汽压(water vapor pressure determined by humidity)是指空气中含有的水汽分子在一定温度下所产生的压强。湿度是指空气中水汽分子的含量，通常用相对湿度(RH)来表示，其定义为空气中水汽分子的实际含量与该温度下饱和水汽分压之比。因此通过测量温度、湿度和大气压强可以得到湿度决定的水汽压这一参数。在一定的温度下，空气中水汽分子的含量和相对湿度是相互关联的，即当温度不变时，相对湿度越高，空气中水汽分子的含量也越高，产生的水汽压也就越大。
上述大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M可表现为大气折射指数剖面(Atmospheric Refractive lndex Profile)，是指随着高度变化而变化的大气折射指数的分布情况。大气折射指数即大气折射率，是一个无量纲物理量，表示光线在穿过大气时折射角度与在真空中的折射角度之比，其值受大气中温度、压强、湿度等因素的影响而变化，大气折射率的值会随着高度和空气成分的变化而发生变化，因此在不同的高度上折射率也不同。这种变化通常是连续的，因此可以用一个剖面图来表示，也就是大气折射指数剖面。如图3所示。
步骤113，根据计算结果M对大气折射率梯度进行计算，当满足时，将Nn点高度与信号发射和接收装置的高度进行比较，如果该高度大于发射装备高度，确定信号发射和接收装置处于波导环境内，否则不在波导环境内；Nn和Nn-1为大气折射指数垂直分布的计算结果中中相邻高度处的两个大气折射指数，其中Nn为高度较高点的大气折射指数，Nn-1为高度较低点的大气折射指数，ΔH为上述相邻高度之间的高度差。
步骤114，当信号发射和接收装置不在波导环境内时，通过移动可移动平台，重新设置并重新确定信号发射和接收装置处于波导环境内。即重复执行上述步骤111-113，直至确定适当的位置使信号发射和接收装置处于波导环境内。
在确定好信号发射和接收装置处于波导环境内后，对于这一位置进行记录并记录相应的大气折射指数剖面。大气折射指数剖面所包含的数据内容如下所示：
序号 高度(m) 大气折射指数
步骤120，调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据；
本步骤根据信号发射和接收装置中发射天线的半功率波束角θ和临界折射角θ0；
半功率波束角θ可以从天线参数中获取，属于发射天线的固有属性。
临界折射角θ0计算方法如下：
θ0＝[(2×10-6)(N天线-Nmin)]1/2-1×10-6 (式3)
式中N1为天线高度处的大气折射指数，Nmin为大气折射指数剖面M中的最小值。
设置发射仰角为θ/2+θ0，然后将发射仰角减小一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第一海面杂波反射信号监测数据，记为数据A；再设置发射仰角为-θ/2-θ0，然后将发射仰角增加一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第二海面杂波反射信号监测数据，记为数据B；上述海面杂波反射信号监测数据包括：方位角、信号强度和反射点与发射点之间的距离。数据A和数据B所包含的数据内容如下所示：
序号 方位角(°) 信号强度 反射点发射点之间的距离(m)
步骤130，根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点；
步骤131，根据电磁波信号发射方向建立坐标系，使电磁波信号发射方向处于坐标系中的第一象限；
步骤132，对第一海面杂波反射信号监测数据进行分析，取出数据中反射点与发射点之间的最远距离设为Dmax，并对电波传播视距范围进行计算，计算结果设为Dlimit。
计算公式如下：
其中h天线为发射天线的海拔高度，单位为m，，h目标为反射点高度，此处由于反射点在海面上，因此h目标＝0。
如果Dlimitmax则说明存在波导影响，继续下一步骤；如果Dlimi tmax则说明不存在波导，整个方法结束。
步骤133，当反射点与发射点之间的最远距离大于电波传播视距范围Dlimit时，根据第一海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第一一维数组L1，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第二一维数组L2。
步骤134，索引比第二一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；如果存在这样的数据，将索引得到的第一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；如果不存在这样的数据，将所述第二一维数组中的最后一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；
具体的，本实施例中的预设倍数为通过实验确定的，设定预设倍数为10倍；对第二一维数组L2进行分析，将数组中第一个值定为a1，并索引数组内比a1大十倍及以上的数，该数表示盲区，输出其在数组中的位置，i1、i2……。盲区存在的情况下，将L1中i1位置处的数作为第1个用于计算的特征点的位置，如果没有盲区，即没有输出结果，则将第一一维数组L1中最后一个数作为第1个用于计算的特征点的位置；第一特征点记为P1。
步骤135，对第二海面杂波反射信号监测数据进行分析，根据第二海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第三一维数组L3，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第四一维数组L4；
步骤136，索引比第四一维数组L4中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；将索引得到的第二个数据输出为第二特征点P2在坐标系的横坐标上的位置；将索引得到的第一个数据输出为第二特征点P2的辅助点P3在坐标系的横坐标上的位置。
具体的，对第四一维数组L4进行分析，将数组中第一个值定为a2，并索引数组内比a2大十倍的数，该数表示盲区，输出第一个盲区的位置，设为i。将第四一维数组L4中i+1位置处的数作为第2个用于计算的第二特征点的位置，第二特征点记为P2；将第四一维数组L4中i位置处的数作为用于计算第二特征点P2的辅助点，记为P3。
步骤140，计算杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；
步骤141，根据分别计算对第一特征点P1和第二特征点P2位置处的大气折射率，其中，np为对应特征点位置海面处的大气折射率，R_0为地球半径，H天线为发射天线的海拔高度，n天线为发射天线所在位置的大气折射率，θt为打在对应特征点位置处波束的信号发射仰角，θr为在对应特征点位置处的波束略入角；
θt和θr的示意图如图4所示。在计算过程中将打在P1和P2处的波束看作与地球相切，即θr＝0，则对于(式5)来说需要对n天线和θt进行求解。
对发射装备处的大气折射率n天线进行求解：首先根据在先测得的发射天线处大气折射指数剖面中读取天线所在高度的大气折射指数，在此设为N1，则n天线计算公式如下：
n天线＝1+(N1-R_0*H天线)×10-6 (式6)
对θt进行计算：对第一特征点P1，其对应的角度θt1计算公式如下：
θt1＝[(2×10-6)(N1-Nmin)]1/2-1×10-6 (式7)
对第二特征点P2，其对应的角度θt2计算公式如下：
θt2＝-[(2×10-6)(N1-Nmin)]1/2-1×10-6 (式8)
式中Nmin为大气折射指数剖面中大气折射指数的最小值。
由此，可以得到第一特征点P1位置处的大气折射率np1和第二特征点P2位置处的大气折射率np2。
步骤142，根据np分别计算对第一特征点P1和第二特征点P2对应的海面大气折射指数Np，Np＝(np-1)×106+R_0*H天线(式9)，得到第一特征点P1海面处的大气折射指数Np1，以及第二特征点P2海面处的大气折射指数Np2。
步骤150，计算杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据；
首先，先计算电磁波信号在传播过程中，由于地球曲率而产生的与地球表面的夹角变化量θdet。
如图5所示，t点为发射装备，H是发射装备的海拔高度，l是由发射天线做出的地球球面的切线，切点为Q。θdet表示在电波传播过程中，由于地球曲率而产生的与地球表面的夹角变化，θdet的计算公式如下：
接下来，根据夹角变化量计算第一特征点P1在垂直方向上的大气折射指数分布数据和第二特征点P2在垂直方向上的大气折射指数分布数据。
首先对第一特征点P1垂直方向上的大气折射指数分布进行计算。如图6所示，对第一特征点P1垂直方向上的某一高度处的大气折射指数计算，需要发射天线处大气折射指数剖面的数据中相同高度的气折射指数作为输入参数，因此第一特征点P1垂直方向上的大气折射指数分布计算结果在高度点分布上与发射天线处垂直方向上的大气折射指数的数据一一对应，且只能算到大气折射指数剖面中大气折射指数的最小值Hmin对应的高度。
在此以图6中所示的第一特征点P1垂直方向上的S1点的计算为例：
H为S1点的海拔高度；在发射天线到第一特征点P1之间的电波射线轨迹中，S2为与S1有相同高度的点，首先根据(式6)计算出第一特征点P1海面出的大气折射率np1，则S2处的大气折射率nS2计算方法如下所示：
当H小于发射天线的海拔高度时
nS2＝(R_0)×np1/((R_0+H)×cos(θdet-(θp1+θdet)(H/Hmin))) (式11)
当H大于发射天线的海拔高度时
nS2＝(R_0)×np1/((R_0+H)×cos((θp1+θdet)(1-H/Hmin))) (式12)
式中θt1为利用(式7)所计算出的角度，Hmin为大气折射指数剖面中大气折射指数的最小值对应的高度。
根据以上计算出的S2处的大气折射率nS2，利用(式9)计算出S2处的大气折射指数，记为NS2。
再如图6所示，发射天线在垂直方向上高度H处为S3点，在大气折射指数剖面中提取出S3点的大气折射指数，记为NS3，使用NS3和NS2进行插值得到S1处的大气折射指数NS1，NS1的计算公式如下：
NS1＝NS3+(NS2-NS3)/xS2*(xp1-xS2) (式13)
公式中xp1为第一特征点P1与发射天线之间的水平距离，xS2为S2点到S3点的水平距离，其中，xS2的计算公式如下：
当H小于发射天线的海拔高度时，
xS2＝(H天线-H)/tan(θdet×(1-H/Hmin)) (式14)
当H大于发射天线的海拔高度时，
xS2＝(H-H天线)/tan((θp1+θdet)-(θdet×H/Hmin)) (式15)
然后，对第二特征点P2位置处垂直方向上的大气折射指数分布进行计算，如图7所示，对第二特征点P2垂直方向上的某一高度处的大气折射指数计算，需要发射天线处大气折射指数剖面数据中相同高度的大气折射指数作为输入参数，因此第二特征点P2垂直方向上的大气折射指数分布计算结果在高度点分布上与发射天线处垂直方向上的大气折射指数的数据一一对应，且只能算到大气折射指数剖面中，大气折射指数的最小值Hmin对应的高度。
在此以图7中所示的第二特征点P2垂直方向上的S4点的计算为例：
H为S4点的海拔高度；在发射天线到第二特征点P2之间的电波射线轨迹中，如图7所示的S5为与S4有相同高度的点，首先根据(式6)计算出第二特征点P2海面出的大气折射率np2，则S5处的大气折射率nS5计算方法如下所示：
nS5＝(R_0)×np2/((R_0+H)×cos(θdet(1-H/Hmin))) (式16)
最后，根据计算出的S5处的大气折射率nS5，利用(式9)计算出S5处的大气折射指数，记为NS5。
发射天线处垂直方向上高度H处为S6点，在大气折射指数剖面中提取出S6点的大气折射指数，记为NS6，使用NS6和NS5进行插值得到S4处的大气折射指数NS4，NS4的计算公式如下：
NS4＝NS6+(NS6-NS5)/xS5*(xp2-xS5) (式17)
公式中xp2为第二特征点P2与发射天线之间的水平距离，xS5为S5点到S6点的水平距离，其中，xS5的计算公式如下：
xS5＝(xp2+xp3)/2+(Hmin-H)/tan(θdet) (式18)
公式中xp3为辅助点P3点与天线之间的水平距离。
步骤160，根据杂波反射特征点垂直方向上的大气折射指数分布数据和杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据。
确定待测位置在水平空间内的位置。
当点Sd1对应的待测位置d1在水平空间内处于发射天线所在位置与第一特征点P1的水平位置之间时，距地高度为H的点Sd1处大气折射指数为：Nd1＝N0+(Np1-N0)/Ld1×(xd1-xp0)(式19)；其中，Nd1为点Sd1处的大气折射指数，N0为发射天线位置对应高度H处的大气折射指数，Np1为第一特征点P1对应高度H处的大气折射指数，Ld1为发射天线所在位置与第一特征点P1所在位置之间的水平距离，xd1为点Sd1的水平位置，xp0为发射天线所在水平位置；
当点Sd2对应的待测位置d2在水平空间内处于第一特征点P1与第二特征点P2的水平位置之间时，距地高度为H的点Sd2处大气折射指数为：
Nd2＝Np2+(Np2-Np1)/Ld2×(xd2-xp1)(式20)；其中，Nd2为Sd2处的大气折射指数，Np2为第二特征点P2对应高度H处的大气折射指数，Ld2为第一特征点P1所在位置与第二特征点P2所在位置之间的水平距离，xd2为点Sd2的水平位置，xp1为第一特征点P1的水平位置；
当点Sd3处对应的待测位置d3在水平空间内处于第二特征点P2的水平位置之外时，距地高度为H的点Sd3处大气折射指数为：Nd3＝Np1+(Np2-Np1)/Ld2×(xd3-xp1)(式21)；其中，Nd3为点Sd3处的大气折射指数，xd3为点d3的水平位置。
进一步的，本发明的方法还课包括大气波导诊断步骤：基于大气折射指数分布计算结果，逐点对大气波导分布进行诊断，得出大气波导分布情况和波导特征参数。
首先，本方法基于大气折射指数的分布结果数据逐点进行大气波导分布诊断，确定是否存在大气波导；然后，在存在大气波导的情况下，确定波导厚度、波导高度和波导强度。
大气波导诊断需要在水平方向上逐点分析，以第一特征点P1的波导诊断为例：
步骤1，取出第一特征点P1处的大气折射指数垂直分布序列，记为Mp1，以Mp1中最高点处的大气折射指数为起点，进行循环判断，判断条件如下：
式中Nn和Nn-1为Mp1相邻高度处的两个大气折射指数，其中Nn为高度较高点的大气折射指数，Nn-1为高度较低点的大气折射指数，ΔH为两点之间的高度差。在满足(式22)的情况时，说明存在大气波导进入步骤2和步骤3，对波导厚度、波导高度和波导强度进行计算；否则继续进行循环判断。如果序列中全部数据判断结束没有出现满足公式的点，则说明不存在大气波导。
步骤2，在确定存在大气波导的情况下，直接将步骤S1中Nn对应的点的高度作为波导厚度和波导高度。
步骤3，将步骤1中得到的Nn的值记为Nu，再以步骤1所取出的P1点处的大气折射指数垂直分布序列Mp1中最低点处的大气折射指数为起点，进行循环判断，判断条件如下：
式中Nn+1和Nn为Mp1相邻高度处的两个大气折射指数，其中Nn+1为高度较高点的大气折射指数，Nn为高度较低点的大气折射指数，ΔH为两点之间的高度差。在满足(式23)的情况时，输出Nn+1，记为Nd。
大气波导强度的计算公式为：波导强度＝Nd-Nu(式24)
本发明实施例公开的一种基于海面杂波信号监测数据的大气折射指数反演方法，通过数据监测、大气折射指数计算和大气波导诊断等过程，通过对信号回波数据进行测量，并基于测量数据对大气波导内电波在海面上产生的反射点分布与发射仰角之间的关系进行分析，确定两个特征点的位置，然后结合发射天线的参数和反射点位置，对两个特征点垂直空间内的大气折射指数分布进行计算，并完成空间水平分布拓展。大气波导诊断基于大气折射指数分布计算结果，对水平方向上每个点处的其折射率垂直梯度分布进行分析，确定是否存在大气波导环境，并对确定存在的波导环境进行波导参数计算。
通过本发明所述方法可以对无法进行实地大气环境测量的区域进行用以表征大气波导环境结构的参数的分析计算，能够有效拓展不用应用场景下的电波环境掌控范围。本发明提出的大气波导反演方法与现有大气波导反演技术相比，基于大气折射效应进行分析，分析过程更能体现大气波导内电波的传播特性且计算过程更为简洁，具有更高的效率和精度，适用性更好，同时，实施本方法所需要的装置简便，成本低，易于实现。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法，其特征在于，所述方法包括：
设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；
调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据；
根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对所述反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点；
计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；
计算所述杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据；
根据所述杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和所述杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据。
2.根据权利要求1所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述大气折射指数的分布结果数据逐点进行大气波导分布诊断，确定是否存在大气波导；
在存在大气波导的情况下，确定波导厚度、波导高度和波导强度。
3.根据权利要求1所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内具体包括：
将所述信号发射和接收装置建立在海面上的可移动平台上；
对所述信号发射和接收装置所在位置不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，并根据测量结果进行大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M；其中，计算结果M包括不同高度处的大气折射指数N；T为温度，P为大气压强，e为湿度决定的水汽压；
根据计算结果M对大气折射率梯度进行计算，当满足时，将Nn点高度与信号发射和接收装置的高度进行比较，如果该高度大于发射装备高度，确定所述信号发射和接收装置处于波导环境内，否则不在波导环境内；Nn和Nn-1为大气折射指数垂直分布的计算结果中中相邻高度处的两个大气折射指数，其中Nn为高度较高点的大气折射指数，Nn-1为高度较低点的大气折射指数，ΔH为上述相邻高度之间的高度差。
4.根据权利要求3所述的大气波导反演方法，其特征在于，当所述信号发射和接收装置不在波导环境内时，通过移动所述可移动平台，重新设置并重新确定信号发射和接收装置处于波导环境内。
5.根据权利要求1所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据具体包括：
根据信号发射和接收装置中发射天线的半功率波束角θ和临界折射角θ0，设置发射仰角为θ/2+θ0，然后将发射仰角减小一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第一海面杂波反射信号监测数据；
再设置发射仰角为-θ/2-θ0，然后将发射仰角增加一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第二海面杂波反射信号监测数据；
所述海面杂波反射信号监测数据包括：方位角、信号强度和反射点与发射点之间的距离。
6.根据权利要求5所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对所述反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点具体包括：
根据所述电磁波信号发射方向建立坐标系，使所述电磁波信号发射方向处于所述坐标系中的第一象限；
对所述第一海面杂波反射信号监测数据进行分析，当反射点与发射点之间的最远距离大于电波传播视距范围Dlimit时，根据所述第一海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第一一维数组，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第二一维数组；
索引比第二一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；如果存在这样的数据，将索引得到的第一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；如果不存在这样的数据，将所述第二一维数组中的最后一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；
对所述第二海面杂波反射信号监测数据进行分析，根据所述第二海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第三一维数组，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第四一维数组；
索引比第四一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；将索引得到的第二个数据输出为第二特征点P2在所述坐标系的横坐标上的位置；将索引得到的第一个数据输出为第二特征点P2的辅助点P3在所述坐标系的横坐标上的位置。
7.根据权利要求6所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述预设倍数为10倍。
8.根据权利要求6所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据具体包括：
根据分别计算对第一特征点P1和第二特征点P2位置处的大气折射率，其中，np为对应特征点位置海面处的大气折射率，R_0为地球半径，H天线为发射天线的海拔高度，n天线为发射天线所在位置的大气折射率，θt为打在对应特征点位置处波束的信号发射仰角，θr为在对应特征点位置处的波束略入角；
根据np分别计算对第一特征点P1和第二特征点P2对应的海面大气折射指数Np，Np＝(np-1)×106+R_0*H天线，得到第一特征点P1海面处的大气折射指数Np1，以及第二特征点P2海面处的大气折射指数Np2。
9.根据权利要求8所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述计算所述杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据具体包括：
计算电磁波信号在传播过程中，由于地球曲率而产生的与地球表面的夹角变化量；
根据所述夹角变化量计算所述第一特征点P1在垂直方向上的大气折射指数分布数据和第二特征点P2在垂直方向上的大气折射指数分布数据。
10.根据权利要求8所述的大气波导反演方法，其特征在于，所述根据所述杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和所述杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据具体为：
确定待测位置在水平空间内的位置；
当点Sd1对应的待测位置d1在水平空间内处于发射天线所在位置与第一特征点P1的水平位置之间时，距地高度为H的点Sd1处大气折射指数为：Nd1＝N0+(Np1-N0)/Ld1×(xd1-xp0)；其中，Nd1为点Sd1处的大气折射指数，N0为发射天线位置对应高度H处的大气折射指数，Np1为第一特征点P1对应高度H处的大气折射指数，Ld1为发射天线所在位置与第一特征点P1所在位置之间的水平距离，xd1为点Sd1的水平位置，xp0为发射天线所在水平位置；
当点Sd2对应的待测位置d2在水平空间内处于第一特征点P1与第二特征点P2的水平位置之间时，距地高度为H的点Sd2处大气折射指数为：Nd2＝Np2+(Np2-Np1)/Ld2×(xd2-xp1)；其中，Nd2为Sd2处的大气折射指数，Np2为第二特征点P2对应高度H处的大气折射指数，Ld2为第一特征点P1所在位置与第二特征点P2所在位置之间的水平距离，xd2为点Sd2的水平位置，xp1为第一特征点P1的水平位置；
当点Sd3处对应的待测位置d3在水平空间内处于第二特征点P2的水平位置之外时，距地高度为H的点Sd3处大气折射指数为：Nd3＝Np1+(Np2-Np1)/Ld2×(xd3-xp1)；其中，Nd3为点Sd3处的大气折射指数，xd3为点d3的水平位置。
CN202310272571.XA 2023-03-20 2023-03-20 一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法 Pending CN116660831A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310272571.XA CN116660831A (zh) 2023-03-20 2023-03-20 一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310272571.XA CN116660831A (zh) 2023-03-20 2023-03-20 一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116660831A true CN116660831A (zh) 2023-08-29

Family

ID=87723039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310272571.XA Pending CN116660831A (zh) 2023-03-20 2023-03-20 一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116660831A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116882203A (zh) * 2023-09-04 2023-10-13 中国科学院国家空间科学中心 一种大气波导信号仿真方法、装置、系统、设备及介质

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116882203A (zh) * 2023-09-04 2023-10-13 中国科学院国家空间科学中心 一种大气波导信号仿真方法、装置、系统、设备及介质
CN116882203B (zh) * 2023-09-04 2023-11-17 中国科学院国家空间科学中心 一种大气波导信号仿真方法、装置、系统、设备及介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106772300B (zh) 一种微波超视距雷达回波图计算方法
Rogers et al. Estimating evaporation duct heights from radar sea echo
CN110095784B (zh) 一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法
US20060164063A1 (en) Atmospheric refractivity profiling apparatus and methods
CN111638521B (zh) 一种成像高度计遥感数据的海面风速反演方法
Zhao et al. Theoretical analysis and numerical experiments of variational adjoint approach for refractivity estimation
CN114942428B (zh) 多目标跟踪的混合体制雷达数据关联算法
CN101988963A (zh) 利用风廓线雷达获取三维风场的方法
CN111006743B (zh) 一种基于平面雷达水位计的水位测量排除干扰的方法
CN111060899B (zh) 星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统
CN113391315B (zh) 基于电磁波抛物方程伴随模式的雷达回波资料反演大气波导的方法
Pozderac et al. $ X $-Band Beacon-Receiver Array Evaporation Duct Height Estimation
CN108462545B (zh) 一种基于单接收站的电离层foF2参数重构方法
CN116660831A (zh) 一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法
CN115079109A (zh) 一种合成孔径雷达成像质量指标评价系统
CN113671485B (zh) 基于admm的米波面阵雷达二维doa估计方法
US20040022127A1 (en) Seismic survey system
CN115575914B (zh) 一种多波段双线偏振天气雷达观测量误差量化方法
CN111830500A (zh) 基于改进的sbr快速成像技术的海面舰船目标的雷达图像仿真方法
CN114252875B (zh) 一种成像高度计数据的高精度网格化方法
Norman et al. HF radar backscatter inversion technique
CN106291490A (zh) 一种用于反演表面波导的海杂波功率计算方法和装置
Bebbington et al. Modelling of weather radar echoes from anomalous propagation using a hybrid parabolic equation method and NWP model data
CN112730313B (zh) 用于冰云探测的多频太赫兹探测仪通道选取方法及装置
CN114325625B (zh) 海洋-电离层混沌动力学特征提取方法、装置、介质、应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination