[发明专利]一种基于深度卷积网络的海上非均匀蒸发波导剖面反演方法

说明书

本发明公开了一种基于深度卷积网络的海上非均匀蒸发波导剖面反演方法，其改进之处在于，包括如下步骤：步骤1，蒸发波导垂直M剖面的参数化建模：步骤2，距离向非均匀蒸发波导垂直M剖面样本的高斯‑马尔科夫过程生成：步骤3，构建一维残差卷积自动编码器网络模型：步骤4，计算多个海杂波接收功率：步骤5，构建深度卷积网络模型：步骤6，获得网络模型的最优神经元权重系数；步骤7，开展非均匀蒸发波导的反演测试和评估。本发明所公开的方法，采用一维残差卷积自编码器进行非均匀蒸发波导的特征提取，实现了蒸发波导垂直M剖面随距离方向的参数建模。

技术领域

本发明属于海洋大气遥感领域，特别涉及该领域中的一种基于深度卷积网络的雷达海杂波反演非均匀蒸发波导剖面方法。

背景技术

蒸发波导是海上对流层中频繁出现的一种异常大气折射率结构。受海上大气环境的时空变化影响，海上蒸发波导的修正折射率(M)剖面结构会在水平方向上表现出非均匀特性，从而导致海杂波功率在水平方向产生显著变化，严重影响雷达的实际探测性能。

国内外学者基于雷达海杂波开展了大量的非均匀对流层波导M剖面的反演方法研究，其中对M剖面非均匀性的参数化建模精度和简易度是保证反演方法性能的重要前提。传统的非均匀建模方法通常采用主分量分析(PCA)方法进行非均匀特征的提取和降维，然而，由于PCA降维只能做简单的波导参数线性变换，因此对于非线性的波导参数全空间依赖关系不能提取得到高精度的主分量，不能满足实际多参数非均匀蒸发波导M剖面的建模。

发明内容

本发明针对海上蒸发波导M剖面的非均匀性建模能力不足，以及非均匀M剖面与海杂波数据间的映射关系高度非线性，制约蒸发波导反演精度的问题，提供了一种基于深度卷积网络的海上非均匀蒸发波导剖面反演方法，实现了从雷达海杂波数据出发的非均匀蒸发波导M剖面参数高精度反演，从而支撑海上大气遥感技术研究。

本发明采用如下技术方案：

一种基于深度卷积网络的海上非均匀蒸发波导剖面反演方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，蒸发波导垂直M剖面的参数化建模：

模型使用波导高度δ、波导厚度ΔM、波导顶M梯度调节因子ρ三个参数进行描述，具体如下：

在z≤δ高度范围内的修正折射率M(z)计算公式为：

其中，在z≥δ高度范围内的修正折射率为：

其中，

上式中，z为海面以上垂直高度，z₀为空气动力学粗糙度因子，取1.5×10^-4m；M₀为海面高度处的大气修正折射率；

步骤2，距离向非均匀蒸发波导垂直M剖面样本的高斯-马尔科夫过程生成：

对步骤1中的三个参数进行距离向马尔科夫链模拟，代入垂直M剖面模型中，形成多个非均匀蒸发波导剖面空间结构，马尔科夫链模拟方法如下：

d(x_k+1)＝d(x_k)+η_k

d(x₁)＝d(x₀)

其中，d(xk)代表x_k处的蒸发波导垂直M剖面参数，d(x₀)是初始距离处的剖面参数，η_k服从均值为0，方差为的高斯分布，N表示高斯分布；

步骤3，构建一维残差卷积自动编码器网络模型，用于进行非均匀蒸发波导垂直M剖面高维度参数的特征提取，具体包括：