[发明专利]一种利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法

摘要

利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，1)使用Gerstoft提出的五参数经验模型即海上大气环境建立大气折射率廓线参数化；2)计算雷达回波功率Pc；根据雷达低入射角时，与雷达电磁波传播距离成线性函数关系；4)基于抛物型方程(PE)传播模式，雷达电磁波传播写为初边值问题；5)对上式作‘Fourier变换’和‘Fourier逆变换’，得到解；6)定义方向图传播因子F为空间某点处的实际场强与同一发射天线在自由空间中沿天线最大发射方向上相同距离点处场强之比，7)最后可由下式算出传播路径上(x,z)处的单程传播损耗值L，结合真实大气折射率廓线和雷达系统参数，采用正演模型计算雷达回波功率；8)利用实测雷达回波功率和仿真雷达回波功率建立目标函数；利用已建立的目标函数，采用LPSO算法反演大气波导参数。

主权项

利用LPSO算法由雷达回波反演大气波导方法，其特征在于实现步骤为：(1)使用Gerstoft提出的五参数经验模型即海上大气环境建立大气折射率廓线参数化：M(z)=M0+M1+c0(z-δlogzz0)z<zdc1zzd<z<zbc1zb-Mdz-zbzthickzb<z<ztc1zb-Md+c2(z-zt)zt<z---(1)]]>其中，δ是蒸发波导厚度、c1混合层的斜率、zb是波导底的高度、zthick是表面波导的厚度、Md是陷获层底和陷获层顶大气修正折射率之差(M‑deficit)；z0为粗糙因子，在中性大气条件下，一般取参数z0＝0.00015,c0＝0.13；单位为M；c2是陷获层以上大气的修正折射率梯度，一般取为0.118；zt是波导陷获层顶的高度，zt＝zb+zthick，zd可由下式计算：(2)计算雷达回波功率Pc，被表示为：Pc=4πPtGtGrAcσ0Lloss2λ2---(3)]]>Pt是雷达发射功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，Ac是雷达电磁波照射区域大小，σ0是归一化散射系数，λ是电磁波波长；(3)根据雷达低入射角时，与雷达电磁波传播距离成线性函数关系，改写上式为：Pc=Cσ0xL2---(5)]]>C代表式中所有的常量，L是雷达电磁波的单程传播损耗即Lloss，将上式Pc的量用dB单位表示，则上式可改写为：Pc(x,m)＝‑2L(x,m)+σ0(x)+10log10(x)+C       (6)(4)基于抛物型方程(PE)传播模式，雷达电磁波传播可写为如下初边值问题：∂2u(x,z)∂z2+2ik0∂u(x,z)∂x+k02[m2(x,z)-1]u(x,z)=0u(x,0)=0u(0,z)=φ(z)---(7)]]>x和z分别为水平距离和垂直高度，u表示场强；m为大气修正折射率，k0表示真空波数，φ表示表示初始场； (5)在给定边界条件下，若已知距离xk处的解u(xk,z)，对上式作‘Fourier变换’和‘Fourier逆变换’，可得到处的解：u(xk+1,z)=exp{ik0[m2(x,z)-1]δx2}×F-1{exp(-iP2δr2k0)·F[u(xk,z)]}---(8)]]> F和F‑1分别表示‘Fourier变换’和‘Fourier逆变换’，P是Fourier变换变量，实际应用中常取‑Pmax<P<Pmax，此处取P＝k0sinη，η为仰角，Pmax对应着计算中所取的最大仰角ηmax，Pmax与zmax之间满足Nyquist定理：zmaxPmax＝πN，N为快速Fourier变换大小；(6)定义方向图传播因子F为空间某点处的实际场强与同一发射天线在自由空间中沿天线最大发射方向上相同距离点处场强之比： 在平面直角坐标系中，方向图传播因子可由下式确定：F=x.|u(x,z)|---(10)]]> 然后，利用步骤(5)和步骤(6)获得参数，最后可由下式算出传播路径上(x,z)处的单程传播损耗值L，L(x,z)=20log10(4πrλ)-20log10[F(x,z)]---(11)]]>将获得的单程传播损耗值L代入步骤(3)中(6)式，获得雷达回波功率Pc；(7)结合真实大气折射率廓线和雷达系统参数，采用正演模型计算雷达回波功率Step1.设定雷达系统参数，Step2.沿某一方向角截取折射率廓线，将折射率廓线依次带入步骤(4)，步骤(5)和步骤(6)计算真实的传播损耗值Ltrue,Step3.根据归一化散射率系数δ0，通过步骤(3)中式(6)计算真实的雷达回波功率(8)利用实测雷达回波功率和仿真雷达回波功率建立目标函数：f(m)＝eeT        (12) 其中，和分别是实测雷达回波功率和仿真回波功率Pc的平均值，有归一化因子的作用，使该目标函数具有归一化功能，f(m)值越小，表明反演值与观测值的一致程度越高，得到的参数值越准确；(9)利用已建立的目标函数，采用LPSO算法反演大气波导参数m＝(δ,c1,zb,zthick,Md)T。