[发明专利]一种基于遗传算法的非相干散射雷达数据反演方法

权利要求书

1.一种基于遗传算法的非相干散射雷达数据反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据非相干散射雷达探测得到电离层散射信号的自相关函数和信号的调制与滤波，对电离层多参量反演系统进行积分离散化，完成系统建模并确定适应度评价函数；

第二步，将电离层多参量反演系统中的目标电离层参量作为元素组成电离层的参量样本向量，根据遗传算法设定的样本个数，产生表示电离层特征的参量样本初始集合，并根据适应度评价完成父代筛选；最后，通过对父代电离层参量样本集合的交叉和变异，循环计算出适应度最高的电离层参数样本，得到电离层多个参量的最终反演结果。

2.根据权利要求1所述基于遗传算法的非相干散射雷达数据反演方法，其特征在于：所述第一步具体实现如下：

(1)根据非相干散射雷达的探测原理，当调制信号由电离层散射后被接收，经滤波处理获得的雷达信号的表达式为：

其中，p(t)为信号接收机的滤波器包络，为接收信号，env(t)为调制信号包络，e(t,d³r)是在t时刻r处单位体积内电子的随机散射信号，r是探测目标距雷达的距离，s(r)是信号从发射到接收的传播时间；则非相干散射雷达探测得到的电离层散射信号自相关函数为：

其中，是与雷达硬件和几何相关的参量，R为接收机阻抗，为单个电子散射截面，χ为极化角，P_t为发射功率，G₀(r),G₁(r)为r处的发射和接收天线增益，R₀,R₁为探测目标到发射和接收天线的距离，λ为雷达波长；σ(ω,r,a)是电离层等离子体散射功率谱；称为谱距离模糊函数，它是通过对时延距离模糊函数进行傅里叶变换计算获得，时延距离模糊函数的计算式为：

其中，W_t^A(μ,s(r))＝p(t-μ)env(μ-s(r))为距离幅度模糊函数，其不同采样时间的傅里叶变换乘积等于谱距离模糊函数；

(2)记谱模糊函数W_t,t'(ω)＝∫_rd³rW_t,t'(ω,s(r))，带入式(2)中并将频率积分按积分区间做n段分割，积分值近似等于被划分出的n个以每段内函数值为长，区间段为宽的矩形面积之和，得到式(2)积分离散化后的表达式为：

令Y_i＝z(t)z^*(t')表示接收信号的自相关函数，t'＝t+iΔt,i＝1,2,...,m，Δt为单位时延，m为信号自相关函数的总时延个数，H_ij＝P_0i×W_t,t+iΔt(ω_j)表示由雷达系数和谱模糊函数计算得到的系统矩阵，S(a)_j＝σ(ω_j,a),j＝1,2,...,n表示某一距离门的等离子体散射功率谱，ω为谱的频率坐标，n为谱的频点个数，a＝[Ne,Ti,Te,V]为由电离层的参量组成的矢量，Ne为电子密度、Ti为离子温度、Te为电子温度、V为等离子体漂移速度，这四个参量为反演的目标参量；等离子体散射功率谱由电离层的状态决定，一组电离层参量值计算得到对应的等离子体散射理论谱，具体计算公式如下：

其中，常值物理量λ_D＝0.0037798为电子德拜长度，k为雷达波矢，它由雷达探测性能决定；P_i表示离子成分比例，coll_in为等离子体碰撞频率，它们是根据电离层不同高度的情况由理论模型给出；另外自行设定用于辅助计算的常值系数为T₀,N₀,m₀,κ＝1.380658×10^-23J/K为波尔兹曼常数；由此，得到非相干散射雷达的电离层多参量反演系统模型为：

Y_m＝H_m×nS(a)_n (6)

该系统通过探测得到的信号自相关函数反演电离层的参量，目标参量包括电子密度、离子温度、电子温度和等离子体漂移速度；

(3)上述反演过程是一个非线性的最优化问题，根据贝叶斯定理和高斯概率分布假设，将自相关函数的残差最小作为该最优化问题的目标，把它作为电离层参数样本的适应度评价函数，适应度评价函数值越小表示该电离层参数样本的适应度越高，适应度评价函数的计算式为：

F(a)＝∑(Y-HS(a))² (7)。

3.根据权利要求1所述基于遗传算法的非相干散射雷达数据反演方法，其特征在于：所述第二步，采用遗传算法(GA)对电离层多参量反演系统模型进行求解，该方法不需输入各个反演的电离层目标参量的初值，而是通过并行计算随机搜索电离层参量的最优解，具体实现如下：

(1)首先，把一个电离层参量作为一个元素依次排列组成一个电离层的参量样本向量，根据设定的样本个数n_p和电离层参量的取值限制：[min,max]_4×1，表示电离层多参量反演系统中的四个目标电离层参量，即电子密度、离子温度、电子温度和漂移速度的取值上下限，计算代表电离层参量信息的样本集合初值并根据适应度评价函数计算各组电离层参量样本的适应度值，即观测的信号自相关函数和理论求得的信号自相关函数间的残差和；

(2)根据设定的优秀电离层参量样本保留个数n_gr和交叉样本比例p_cr，分别计算交叉和变异样本的个数：

其中，n_cr为交叉产生电离层参量新样本的个数，n_ch为变异产生电离层参量新样本个数；从携带电离层参量信息的初始样本中挑选出用于产生交叉和变异子代的父代样本，其个数为：

n_f＝2×n_cr+n_ch (9)

最后，采用对赌的方法从按适应度函数值排序的电离层参量样本中产生父代，具体的计算如下：

其中，p₀为电离层参数样本的适应度概率，p_F为电离层参数样本适应度概率的累加值，p_c为选择父代电离层参数样本的适应度概率，rand为范围在[0,1]产生的随机数；

(3)通过对父代电离层参数样本的交叉和变异计算来获得新的电离层参量信息，其中交叉计算是对筛选出的父代电离层参量样本，随机选择某个电离层参量，然后对两个样本的该电离层参量值进行互换，而变异计算则是通过在原有父代中随机选定一个要变异的电离层参量，对其值进行改变，来更新原来样本中带有的电离层信息，最终得到该次遗传产生的子代电离层参量样本集合，通过设定的遗传结束约束决定新的电离层参量样本是否继续进行遗传，若不符合遗传结束条件则进入下一子代遗传的循环，直到遗传结束搜索得到电离层参量样本集合中适应度最佳的样本，其中各参量的值即为电离层各个参量的反演结果。