[发明专利]一种天波雷达电离层修正系数提取方法

权利要求书

1.一种天波雷达电离层修正系数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建多尺度地海杂波分类器，包括以下子步骤：

子步骤一：多尺度地海杂波分类器卷积核系数变换

当高分辨率地海杂波数据训练的分类器需要对低分辨率的地海杂波进行分类时，利用代数多网格法对卷积核进行限制，然后对低分辨率的地海杂波数据进行分类；

假设低分辨率的地海杂波数据表示为y_H，对低分辨率数据进行处理的模板为s_H，高分辨率的地海杂波数据表示为y_h，对高分辨率数据进行处理的模板为s_h，定义低分辨率数据y_H和高分辨率数据y_h之间的关系如下：

y_H＝R_esy_h和

P_ro是低分辨率地海杂波数据到高分辨率地海杂波数据的延长矩阵，R_es是高分辨率地海杂波数据到低分辨率地海杂波数据的限制矩阵，P_ro和R_es通过代数多网格方法构造；

定义K_h(s_h)表示处理高分辨率上卷积的稀疏矩阵，等价于将高分辨率数据y_h与卷积核s_h进行卷积；在低分辨率数据y_H上工作的K_H，与在高分辨率数据y_h上的K_h的操作一致；由代数多网格方法可以得到如下关系式：

K_Hy_H＝R_esK_hP_roy_H

由此可得低分辨率上的稀疏矩阵可以表示为：

K_H＝R_esK_hP_ro

假设已有高分辨率的地海杂波数据y_h，对高分辨率数据进行处理的模板s_h，此时高分辨率上卷积的稀疏矩阵K_h唯一确定，根据低分辨率上卷积的稀疏矩阵K_H与高分辨率上卷积的稀疏矩阵K_h之间的联系计算得到K_H，而低分辨率上卷积的稀疏矩阵K_H由处理低分辨地海杂波数据的模板s_H唯一确定，至此从已有的高分辨率的地海杂波数据y_h和对高分辨率数据进行处理的模板s_h计算得到了处理低分辨地海杂波数据的模板s_H；反之可由已有的低分辨率的地海杂波数据y_H和对低分辨率数据进行处理的模板s_H得到处理高分辨率地海杂波数据的模板s_h；

子步骤二：多尺度地海杂波识别分类方法，包括以下内容：

(1)对天波雷达地海杂波谱数据进行预处理，形成天波雷达地海杂波谱数据库；

(2)采用深度卷积神经网络作为天波雷达多尺度地海杂波分类器的基本框架结构；

(3)分析天波雷达典型工作模式及工作参数，天波雷达典型工作模式为行业默认，基于代数多网格法，通过高分辨率地海杂波数据与低分辨率地海杂波数据之间的联系构造限制或延长矩阵，利用限制卷积操作，通过已有高分辨率的地海杂波数据y_h与对高分辨率数据进行处理的模板s_h，计算得到处理低分辨地海杂波数据的模板s_H；相反利用延长卷积操作，通过已有低分辨率的地海杂波数据y_H和对低分辨率数据进行处理的模板s_H，计算得到处理高分辨率地海杂波数据的模板s_h；建立卷积核在不同尺度上的变换关系，求取不同尺度下的卷积核的变换系数，构建天波雷达多尺度地海杂波分类器；

步骤二：地海杂波识别结果与先验地形聚类，包括以下子步骤：

子步骤一：地海杂波识别结果聚类，包括以下步骤：

(1)构建地海杂波识别结果二值化矩阵

假设监视区域雷达探测方位子波束共M₁个，子波束个数取决于雷达实际工作参数设置，每一子波束距离单元数为，距离单元数取决于雷达实际工作参数设置，监视区域方位距离单元总数为M₁*N₁个；利用地海杂波分类器对每一方位距离单元R_ij识别其地/海属性，其中i∈{1,...,M₁}，j∈{1,...,N₁}，若判别为地，则R_ij＝1，若判别为海，则R_ij＝0；输出的二值化地海杂波识别结果矩阵R为：

(2)基于广度优先搜索的地海杂波识别结果聚类

扫描整个二值矩阵R，如果某一方位距离单元R_ij＝1，将其视为种子节点，开始进行广度优先搜索，将R_ij加入队列Q₁，并令R_ij＝0，向上、下、左、右寻找临近方位距离单元是否有地，若有则将其加入队列Q₁，将每个搜索到的地属性单元都重新标记为0，直到搜索结束；最终的聚类数量就是进行广度优先搜索的次数K₁，输出的聚类结果保存在G中；

子步骤二：先验地理信息聚类，包括以下步骤：

(1)构建先验地理信息二值化矩阵

寻找一个比当前雷达探测区域大的区域，使用与雷达相同的分辨率提取先验地理信息，将地标记为1，海标记为0，先验地理信息存入二值矩阵P，P的大小为M₂*N₂；每一单元P_mn保存有先验地理信息，其中m∈{1,...,M₂}，n∈{1,...,N₂}；输出的二值化先验地理信息矩阵P为：

(2)基于广度优先搜索的先验地理信息聚类

扫描整个二值矩阵P_mn，如果某一方位距离单元P_mn＝1，将其视为种子节点，开始进行广度优先搜索，将P_mn加入队列Q₂，并令P_mn＝0，向上、下、左、右寻找临近方位距离单元是否有地，若有则将其加入队列Q₂，将每个搜索到的地属性单元都重新标记为0，直到搜索结束；最终的聚类数量就是进行广度优先搜索的次数K₂，输出的聚类结果保存在S中；

步骤三：计算方位距离修正系数，包括以下子步骤：

子步骤一：计算聚类结果的形状上下文，包括以下步骤：

形状上下文是基于图像轮廓进行描述，首先提取地海杂波聚类结果的边缘信息，均匀采样，其中k₁＝{1,...,K₁}，聚类结果形状的点集信息保存在其中C₁代表中点的个数；对中的任意一点在以为圆心、r为半径的区域内按对数距离间隔建立N₃个同心圆；将此区域沿圆周方向等分为M₃份，形成靶状模板；点到其它各点的向量相对位置简化为模板上各扇区内的点数分布；这些点的统计分布直方图称为点的形状上下文，其计算公式为：

其中，k₃＝{1,2,...,K₃}，K₃＝M₃*N₃；

提取先验地理信息聚类结果的边缘信息，均匀采样，其中k₂＝{1,...,K₂}，聚类结果形状的点集信息保存在其中C₂代表中点的个数；采用上述方法计算中任意一点的形状上下文

子步骤二：计算形状上下文之间的相似度，包括以下步骤：

计算地海杂波识别聚类结果的形状直方图与先验地理信息聚类结果的形状直方图之间的相似度，计算公式如下：

CS越大，与的差异越大，CS越小，与的差异越小，形状越相似；根据计算结果将地海杂波识别聚类结果与先验地理信息聚类结果进行匹配；

子步骤三：计算方位、距离修正系数，包括以下步骤：

假设地海杂波识别聚类结果与先验地理信息聚类结果相似度最高，成功匹配；将中保存的地海形状信息存入矩阵E，其大小为M₄*N₄；将中保存的地海轮廓信息存入矩阵F，其大小为M₅*N₅；假设M₅≥M₄，N₅≥N₄，将F作为搜索图，E作为模板图，以(i₁,j₁)为左上角，取M₄*N₄大小的子图，遍历整个搜索图，在所有能够取到的子图中，找到与模板图最相似的子图作为最终匹配结果，相似性测量公式如下：

绝对误差越小，表明越相似，故只需要找到最小的D(i₁,j₁)即可确定待匹配的子图位置；

在先验地理信息中寻找到待匹配子图位置后，基于matlab，在大地坐标系下计算匹配子图的重心(Az₁,Dis₁)；相应地计算地海杂波识别聚类结果在大地坐标系下的重心(Az₂,Dis₂)；方位修正系数和距离修正系数为：

方位修正系数和距离修正系数即为所需电离层修正系数，利用计算得到的方位修正系数和距离修正系数提高目标定位精度，克服电离层环境探测子系统与天波主雷达目标参数不一致的问题。