[发明专利]基于粒子滤波的雷达回波资料反演大气波导的方法

说明书

本发明公开了基于粒子滤波的雷达回波资料反演大气波导的方法，采用电磁波抛物方程分步Fourier算法的马尔可夫链性质，同时假设大气折射率在局地范围内时空变化是连续的，把距离轴视为时间轴，将RFC问题构造为一个非线性递归贝叶斯状态空间估计问题，并采用粒子滤波对水平非均匀大气波导结构作出估计。解决了现有反演水平非均匀大气波导结构耗时过长、反演精度不高的问题。

技术领域

本发明属于电磁传播技术领域，特别是涉及一种基于粒子滤波的雷达回波资料反演大气波导的方法。

背景技术

大气波导是一种在大气边界层中频繁出现的异常大气折射结构，它能够改变电磁波的传播路径，而且能够使电磁波以较小的衰减实现超视距传播；将电磁波捕获在一定厚度的波导薄层内形成大气波导传播，这使得基于标准大气折射模式设计的雷达等无线电电磁通信系统性能受到影响。

大气波导主要对应于大气折射类型图中的陷获折射区，即大气折射率垂直梯度小于-157N-units/km(或大气修正折射率垂直梯度小于0M-units/km)时，电磁波传播路径的曲率将大于地球表面曲率，此时电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层内，就像电磁波在金属波导管中传播一样，这种现象称为大气波导传播，形成波导传播的大气薄层称为大气波导。

目前，大气波导的探测主要有三种手段：直接探测法，模式预报法和遥感反演法。

直接探测法通过微波折射计、无线电探空仪等设备直接或间接测量出大气折射率，通过计算大气折射率的垂直梯度来预报波导结构。直接探测法测量精度高、操作简单方便，但是探测设备价格昂贵，且重复利用率低，在广袤无垠的海洋上，设备部署亦相当困难，不利于常态化观测。

模式预报法主要是通过数值模式来预报大气波导结构，其预报精度依赖于海面气象水文要素的观测(模式输入)，而这些数据的准确获取是比较困难的，目前开发的大气波导预报模式主要针对蒸发波导。

遥感反演法主要是指利用雷达回波资料来反演大气波导(refractivity fromclutter,RFC)，其基本原理是通过大气介质与电磁波的相互作用，利用雷达回波所携带的介质信息，从反问题的角度来估计介质的特征参量。RFC技术于上个世纪90年末由美国军方提出，是一种极具发展前途的大气波导探测新方法。

目前RFC反演工作主要存在以下两个问题：

(1)以往的研究均采用统计反演算法结合大气波导参数化模型来近似估计大气波导结构，采用统计反演算法需要大量运行正演模式，尤其当需要考虑层结非均匀波导结构时，传统统计反演算法基本丧失了实时反演的可能性，且反演精度也不够理想。

(2)采用大气波导参数化模型来描述实际大气波导环境，往往会忽略了实际波导廓线中一些小的扰动结构，带来反演的模型误差，而这些误差可能会对电磁波时空传播特性的预报造成重要影响。

另外，假设大气环境在水平方向上层结均匀。这种假设在绝大多数情况下是合理的(尤其针对海洋大气环境)，但对于在气团的边界或海陆交界处，大气环境在水平方向上可能有较大的变化，而这种变化对电磁波传播的影响不能忽略，有必要考虑大气折射率的水平非均匀性。然而，对于水平非均匀情况，所需反演的变量将会大大增加，这使得由观测资料所构建的方程的数目远远小于待反演参数的个数，这大大增加了问题求解的不适定性。