一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法

技术领域

本发明涉及电波传播技术领域，尤其涉及一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法。

背景技术

大气波导是在特定的气象条件下，某一高度范围内的大气折射指数随高度迅速下降而形成的一种“特殊”大气分层结构。由于其内部的大气结构可以使电波产生折射效应，从而被陷获在波导层内形成超视距传播，因此大气波导环境往往会对电子设备性能产生重要影响。

目前大气波导最为精确的诊断手段是根据大气折射指数的空间分布，结合大气波导环境内大气折射率梯度特征来进行判断，而在实时作战环境中，敌方区域内的大气环境往往无法直接测量，这对大气波导分布诊断产生了严重的限制，因此一种可以便捷进行大气波导反演分析的技术手段往往可以帮助扩展大气波导实时分析的区域范围，掌握战场主动权。

当前已有的大气波导反演方法主要分为两类：接触式探测方法和遥感探测方法。接触式探测方法又可分为直接方法和间接方法：直接方法就是利用高精度气象传感器直接测量大气的温、湿、压和折射率等参数廓线，判断是否存在大气波导结构，间接方法即采用高精度气象水文仪器测量一定高度大气的温、湿、压、风速风向和海温参数，代入一定模型，判断大气波导是否存在；遥感探测方法利用气象卫星、雷达、GPS、微波辐射计和激光雷达等设备和技术来反演大气波导。

虽然上述的大气波导反演方法已经进入了应用层面，但是仍然存在很多问题，比如：需要大量的人力、物力以及高精尖的仪器，对资金有一定要求；反演方法对环境的适应性差，在极端环境下精度波动较为剧烈；预报速度和准确度和选取的预报模型息息相关，因此基于不同的预报模型反演出来的波导参数有较大的误差，同时也无法预报精度雷达探测范围外波导环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法，以解决现有反演方法计算效率低，反演精度差，适用范围受限等问题。

为此，本发明实施例提供了一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法，包括：

设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；

调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据；

根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对所述反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点；

计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；

计算所述杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据；

根据所述杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和所述杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据。

优选的，所述方法还包括：

基于所述大气折射指数的分布结果数据逐点进行大气波导分布诊断，确定是否存在大气波导；

在存在大气波导的情况下，确定波导厚度、波导高度和波导强度。

优选的，所述设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内具体包括：

将所述信号发射和接收装置建立在海面上的可移动平台上；

对所述信号发射和接收装置所在位置不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，并根据测量结果进行大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M；其中，计算结果M包括不同高度处的大气折射指数N；

根据计算结果M对大气折射率梯度进行计算，当满足

进一步优选的，当所述信号发射和接收装置不在波导环境内时，通过移动所述可移动平台，重新设置并重新确定信号发射和接收装置处于波导环境内。

优选的，所述调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据具体包括：

根据信号发射和接收装置中发射天线的半功率波束角θ和临界折射角θ

再设置发射仰角为-θ/2-θ

所述海面杂波反射信号监测数据包括：方位角、信号强度和反射点与发射点之间的距离。

进一步优选的，所述根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对所述反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点具体包括：

根据所述电磁波信号发射方向建立坐标系，使所述电磁波信号发射方向处于所述坐标系中的第一象限；

对所述第一海面杂波反射信号监测数据进行分析，当反射点与发射点之间的最远距离大于电波传播视距范围D

索引比第二一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；如果存在这样的数据，将索引得到的第一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；如果不存在这样的数据，将所述第二一维数组中的最后一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；

对所述第二海面杂波反射信号监测数据进行分析，根据所述第二海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第三一维数组，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第四一维数组；

索引比第四一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；将索引得到的第二个数据输出为第二特征点P2在所述坐标系的横坐标上的位置；将索引得到的第一个数据输出为第二特征点P2的辅助点P3在所述坐标系的横坐标上的位置。

进一步优选的，所述预设倍数为10倍。

进一步优选的，所述计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据具体包括：

根据

根据n

进一步优选的，所述计算所述杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据具体包括：

计算电磁波信号在传播过程中，由于地球曲率而产生的与地球表面的夹角变化量；

根据所述夹角变化量计算所述第一特征点P1在垂直方向上的大气折射指数分布数据和第二特征点P2在垂直方向上的大气折射指数分布数据。

进一步优选的，所述根据所述杂波反射特征点的大气折射指数分布数据和所述杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据具体为：

确定待测位置在水平空间内的位置；

当点S

当点S

当点S

本发明实施例提供的基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法，从大气折射效应的角度出发，根据海杂波反射数据，通过分析杂波反射点位置分布情况，海面处信号反射点与信号发射仰角的关系，基于球面分层大气折射的原理对空间中的大气折射指数分布进行计算，以产生大气波导诊断所需要的大气折射指数分布数据。通过本发明所述方法可以对无法进行实地大气环境测量的区域进行用以表征大气波导环境结构的参数的分析计算，能够有效拓展不用应用场景下的电波环境掌控范围。本发明提出的大气波导反演方法与现有大气波导反演技术相比，基于大气折射效应进行分析，分析过程更能体现大气波导内电波的传播特性且计算过程更为简洁，具有更高的效率和精度，适用性更好，同时，实施本方法所需要的装置简便，成本低，易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例提供的大气波导反演方法流程图；

图2为本发明实施例提供的信号发射和接收装置试验场景设置图；

图3为本发明实施例提供的大气折射指数垂直剖面计算结果及仿真图；

图4为本发明实施例提供的波导环境内电波传播轨迹示意图，其中左侧图4a为上行波束，右侧图4b为下行波束；

图5为本发明实施例提供的发射点与地球之间的切线示意图；

图6为本发明实施例提供的上行波束特征点垂直方向大气折射指数拓展示意图；

图7为本发明实施例提供的下行波束特征点垂直方向大气折射指数拓展示意图；

图8为本发明实施例提供的水平方向大气折射指数插值拓展示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法，该方法通过数据监测，对大气折射指数分布进行计算，获得用以表征大气波导环境结构的参数，来实现大气波导反演。图1为本发明实施例提供的基于海面杂波点信号监测数据的大气波导反演方法在，下面结合图1的步骤对本方法进行说明。

步骤110，设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；

步骤111，将信号发射和接收装置建立在海面上的可移动平台上；信号发射和接收装置可以是一体化的电磁波信号发射装置和接收装置，也可以是分立的各自独立的装置，它们设置在海面上的可移动平台上，如图2所示以方便调整其位置。

步骤112，对信号发射和接收装置所在位置不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，并根据测量结果进行大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M；其中，计算结果M包括不同高度处的大气折射指数N；

通过低空气球对不同高度处的温度、湿度和大气压强进行测量，测量最大高度最低为40m，测量高度间隔可根据实际条件选择，间隔越小则最终计算精度越高。

湿度决定的水汽压(water vapor pressure determined by humidity)是指空气中含有的水汽分子在一定温度下所产生的压强。湿度是指空气中水汽分子的含量，通常用相对湿度(RH)来表示，其定义为空气中水汽分子的实际含量与该温度下饱和水汽分压之比。因此通过测量温度、湿度和大气压强可以得到湿度决定的水汽压这一参数。在一定的温度下，空气中水汽分子的含量和相对湿度是相互关联的，即当温度不变时，相对湿度越高，空气中水汽分子的含量也越高，产生的水汽压也就越大。

上述大气折射指数垂直分布计算得到计算结果M可表现为大气折射指数剖面(Atmospheric Refractive lndex Profile)，是指随着高度变化而变化的大气折射指数的分布情况。大气折射指数即大气折射率，是一个无量纲物理量，表示光线在穿过大气时折射角度与在真空中的折射角度之比，其值受大气中温度、压强、湿度等因素的影响而变化，大气折射率的值会随着高度和空气成分的变化而发生变化，因此在不同的高度上折射率也不同。这种变化通常是连续的，因此可以用一个剖面图来表示，也就是大气折射指数剖面。如图3所示。

步骤113，根据计算结果M对大气折射率梯度进行计算，当满足

步骤114，当信号发射和接收装置不在波导环境内时，通过移动可移动平台，重新设置并重新确定信号发射和接收装置处于波导环境内。即重复执行上述步骤111-113，直至确定适当的位置使信号发射和接收装置处于波导环境内。

在确定好信号发射和接收装置处于波导环境内后，对于这一位置进行记录并记录相应的大气折射指数剖面。大气折射指数剖面所包含的数据内容如下所示：

步骤120，调节信号发射仰角，通过信号收发获得海面杂波反射信号监测数据；

本步骤根据信号发射和接收装置中发射天线的半功率波束角θ和临界折射角θ

半功率波束角θ可以从天线参数中获取，属于发射天线的固有属性。

临界折射角θ

θ

式中N

设置发射仰角为θ/2+θ

步骤130，根据海面杂波信号监测数据对大气波导内电波传播轨迹进行分析，确定波束的反射点分布数据，并对反射点分布数据进行编译处理得到杂波反射特征点；

步骤131，根据电磁波信号发射方向建立坐标系，使电磁波信号发射方向处于坐标系中的第一象限；

步骤132，对第一海面杂波反射信号监测数据进行分析，取出数据中反射点与发射点之间的最远距离设为D

计算公式如下：

其中h

如果Dlimit

步骤133，当反射点与发射点之间的最远距离大于电波传播视距范围D

步骤134，索引比第二一维数组中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；如果存在这样的数据，将索引得到的第一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；如果不存在这样的数据，将所述第二一维数组中的最后一个数据输出为第一特征点P1在所述坐标系的横坐标上的位置；

具体的，本实施例中的预设倍数为通过实验确定的，设定预设倍数为10倍；对第二一维数组L2进行分析，将数组中第一个值定为a1，并索引数组内比a1大十倍及以上的数，该数表示盲区，输出其在数组中的位置，i1、i2……。盲区存在的情况下，将L1中i1位置处的数作为第1个用于计算的特征点的位置，如果没有盲区，即没有输出结果，则将第一一维数组L1中最后一个数作为第1个用于计算的特征点的位置；第一特征点记为P1。

步骤135，对第二海面杂波反射信号监测数据进行分析，根据第二海面杂波反射信号监测数据中的反射点与发射点之间的距离生成第三一维数组L3，并按数据大小进行升序排序，以每一组后项与前项的数据大小差值组成用以表征不同反射点的位置间距的第四一维数组L4；

步骤136，索引比第四一维数组L4中的第一个数据的值大预设倍数及以上的各项数据；将索引得到的第二个数据输出为第二特征点P2在坐标系的横坐标上的位置；将索引得到的第一个数据输出为第二特征点P2的辅助点P3在坐标系的横坐标上的位置。

具体的，对第四一维数组L4进行分析，将数组中第一个值定为a2，并索引数组内比a2大十倍的数，该数表示盲区，输出第一个盲区的位置，设为i。将第四一维数组L4中i+1位置处的数作为第2个用于计算的第二特征点的位置，第二特征点记为P2；将第四一维数组L4中i位置处的数作为用于计算第二特征点P2的辅助点，记为P3。

步骤140，计算杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；

步骤141，根据

θ

对发射装备处的大气折射率n

n

对θ

θ

对第二特征点P2，其对应的角度θ

θ

式中Nmin为大气折射指数剖面中大气折射指数的最小值。

由此，可以得到第一特征点P1位置处的大气折射率n

步骤142，根据n

步骤150，计算杂波反射特征点在垂直方向上的大气折射指数分布数据；

首先，先计算电磁波信号在传播过程中，由于地球曲率而产生的与地球表面的夹角变化量θ

如图5所示，t点为发射装备，H是发射装备的海拔高度，l是由发射天线做出的地球球面的切线，切点为Q。θ

接下来，根据夹角变化量计算第一特征点P1在垂直方向上的大气折射指数分布数据和第二特征点P2在垂直方向上的大气折射指数分布数据。

首先对第一特征点P1垂直方向上的大气折射指数分布进行计算。如图6所示，对第一特征点P1垂直方向上的某一高度处的大气折射指数计算，需要发射天线处大气折射指数剖面的数据中相同高度的气折射指数作为输入参数，因此第一特征点P1垂直方向上的大气折射指数分布计算结果在高度点分布上与发射天线处垂直方向上的大气折射指数的数据一一对应，且只能算到大气折射指数剖面中大气折射指数的最小值H

在此以图6中所示的第一特征点P1垂直方向上的S1点的计算为例：

H为S1点的海拔高度；在发射天线到第一特征点P1之间的电波射线轨迹中，S2为与S1有相同高度的点，首先根据(式6)计算出第一特征点P1海面出的大气折射率n

当H小于发射天线的海拔高度时

n

当H大于发射天线的海拔高度时

n

式中θ

根据以上计算出的S2处的大气折射率n

再如图6所示，发射天线在垂直方向上高度H处为S3点，在大气折射指数剖面中提取出S3点的大气折射指数，记为N

N

公式中x

当H小于发射天线的海拔高度时，

x

当H大于发射天线的海拔高度时，

x

然后，对第二特征点P2位置处垂直方向上的大气折射指数分布进行计算，如图7所示，对第二特征点P2垂直方向上的某一高度处的大气折射指数计算，需要发射天线处大气折射指数剖面数据中相同高度的大气折射指数作为输入参数，因此第二特征点P2垂直方向上的大气折射指数分布计算结果在高度点分布上与发射天线处垂直方向上的大气折射指数的数据一一对应，且只能算到大气折射指数剖面中，大气折射指数的最小值H

在此以图7中所示的第二特征点P2垂直方向上的S4点的计算为例：

H为S4点的海拔高度；在发射天线到第二特征点P2之间的电波射线轨迹中，如图7所示的S5为与S4有相同高度的点，首先根据(式6)计算出第二特征点P2海面出的大气折射率n

n

最后，根据计算出的S5处的大气折射率n

发射天线处垂直方向上高度H处为S6点，在大气折射指数剖面中提取出S6点的大气折射指数，记为N

N

公式中x

x

公式中x

步骤160，根据杂波反射特征点垂直方向上的大气折射指数分布数据和杂波反射特征点的水平位置数据对水平空间内的大气折射指数分布数据进行插值处理，得到空间切面内大气折射指数的分布结果数据。

确定待测位置在水平空间内的位置。

当点S

当点S

N

当点S

进一步的，本发明的方法还课包括大气波导诊断步骤：基于大气折射指数分布计算结果，逐点对大气波导分布进行诊断，得出大气波导分布情况和波导特征参数。

首先，本方法基于大气折射指数的分布结果数据逐点进行大气波导分布诊断，确定是否存在大气波导；然后，在存在大气波导的情况下，确定波导厚度、波导高度和波导强度。

大气波导诊断需要在水平方向上逐点分析，以第一特征点P1的波导诊断为例：

步骤1，取出第一特征点P1处的大气折射指数垂直分布序列，记为M

式中N

步骤2，在确定存在大气波导的情况下，直接将步骤S1中N

步骤3，将步骤1中得到的N

式中N

大气波导强度的计算公式为：波导强度＝N

本发明实施例公开的一种基于海面杂波信号监测数据的大气折射指数反演方法，通过数据监测、大气折射指数计算和大气波导诊断等过程，通过对信号回波数据进行测量，并基于测量数据对大气波导内电波在海面上产生的反射点分布与发射仰角之间的关系进行分析，确定两个特征点的位置，然后结合发射天线的参数和反射点位置，对两个特征点垂直空间内的大气折射指数分布进行计算，并完成空间水平分布拓展。大气波导诊断基于大气折射指数分布计算结果，对水平方向上每个点处的其折射率垂直梯度分布进行分析，确定是否存在大气波导环境，并对确定存在的波导环境进行波导参数计算。

通过本发明所述方法可以对无法进行实地大气环境测量的区域进行用以表征大气波导环境结构的参数的分析计算，能够有效拓展不用应用场景下的电波环境掌控范围。本发明提出的大气波导反演方法与现有大气波导反演技术相比，基于大气折射效应进行分析，分析过程更能体现大气波导内电波的传播特性且计算过程更为简洁，具有更高的效率和精度，适用性更好，同时，实施本方法所需要的装置简便，成本低，易于实现。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。