海洋-电离层混沌动力学特征提取方法、装置、介质、应用

1.本发明属于一种高频地波超视距雷达和海洋与电离层动力学技术领域，公开了一种高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法、装置、接收用户输入程序存储介质以及应用。


背景技术：

2.目前，自从高频地波超视距雷达(hfswr:highfrequencysurfacewaveradar)研制成功以来，人们除了用于海上超视距目标探测与跟踪外，大力开展hfswr海洋与电离层动力学特征研究。其中，人们十分关注hfswr海洋回波和电离层回波的混沌特征研究。混沌是一种非线性动力学规律控制的行为，混沌现象是非线性确定性动力系统所表现的一种复杂行为，具体表现在对初始值的敏感性，其吸引子的维数是分维。混沌有十分复杂的分形结构，具有短期可预测性和长期不可预测性。40多年来混沌已经成为一项热门的非线性领域课题，现已成为研究内容极为丰富，应用范围极其广泛的前沿性研究领域。上世纪90年代本发明申请人开展了hfswr海浪回波混沌特征研究，提取了海洋回波混沌特征，并应用hfswr海洋回波混沌预测模型，成用地抑制了海杂波，进而促进了强海杂波背景下船目标检测跟踪研究。近几年本发明申请人通过对哈尔滨工业大学(威海)高频地波雷达站实测数据的分析，初步证实了hfswr电离层回波所具有的弱混沌性，提出电离层不均匀结构的分形特性以及混沌时间序列问题。
3.从混沌系统的特性分析中得到，hfswr海浪回波和电离层回波都具有奇异吸引子，其主要物理特征，一是hfswr海浪回波和电离层回波对初始条件十分敏感，进入奇异吸引子的部位稍有差异，运动轨道就截然不同；二是具有非整数的维数；三是都具有吸引子关联维、最大李亚普诺夫指数以及kolmogorov熵等混沌特征参数。由于电离层参量随地理位置、昼夜、季节及太阳活动因素而变化，因此hfswr电离层动力学特征研究远比海洋回波动力学特征研究复杂。目前关于hfswr电离层回波混沌特征的研究处于探索阶段。另外，目前大部分研究仅仅针对于判断hfswr海洋回波或电离层回波是不是一个混沌过程进行研究，尚未开展hfswr海洋-电离层复合系统混沌动力学特征研究，其研究处于国内外空白。
4.hfswr作为大功率大型电子设备，尤其是雷达发射和接收阵面非常庞大，通常发射天线阵长几百米，接收天线阵长上千米，收发天线阵地面积达数万平方米。现有技术中，如hfswr威海站收发天线阵，但现有的hfswr还不能实现海洋-电离层同步探测，即同频同步获取海洋与电离层信息。这就需要在现有的hfswr基础上重新搭建同频同步获取海洋与电离层信息的hfswr。图2表示了海洋-电离层探测hfswr系统基本框图。可见，海洋-电离层探测hfswr在系统架构上增加了接收b阵(用于电离层探测)和电离层信号接收以及信号处理通道。然而，海洋-电离层探测hfswr的时间、频率资源的管理十分复杂。其根本原因在于需要获取同频同步的hfswr海洋与电离层探信息，即需要设计同频同步获取海洋与电离层信息的目标函数设计(如波形编码、发射频率、扫频方式、信号处理模式、积累时间以及时间和频率资源的需求)。
5.hfswr海浪回波和电离层回波均被证实具有混沌动力学特征。图3表示了海浪回波混沌特征，图4表示了电离层回波混沌特征。目前国内外尚未公开同频同步获取的hfswr海洋-电离层复合系统混沌动力学提取技术与装置。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
7.(1)现有技术中，不能实时对海上全天候超视距目标的探测，不能实时对海洋自然灾害和近地空间环境监测，以及不能实时对整个日地空间环境进行监测，不能为获取海上准确信息，提供理论支撑。
8.(2)目前国内外尚未公开同频同步获取的hfswr海洋-电离层复合系统混沌动力学提取技术与装置，使得对海上准确、实时信息获取受限。
9.本发明基本依据是hfswr回波中不但含有海上舰船目标和飞行目标的回波信息，同时还含有海洋和电离层反射多路径回波以及各种干扰回波，这为海洋以及电离层动力学特征研究提供了大量的信息。本发明将促进海洋-电离层之间动力学特征研究，无论是对于提升海上超视距目标的探测全天候性能，实时监测海洋自然灾害和近地空间环境，还是对于人们认识整个日地空间环境(指海洋与近地空间，包括电离层扰动)都具有积极的重要科学意义。
10.本发明申请人研究结果表明，hfswr海洋回波具有类球形状混沌吸引子几何特征，电离层回波具有类柱状混沌吸引子几何特征，而本发明提出的是hfswr海洋-电离层复合系统混沌动力学特征。混沌系统的吸引子几何特征具有重要的特征。混沌系统吸引子的几何特征为构建混沌预测模型提供理论支撑。因此，本发明将提供hfswr海洋-电离层复合系统混沌吸引子几何特征技术，包括如何描述海洋-电离层复合混沌系统的初值敏感性、李雅普诺夫指数在内的多种不变量的提取以及延迟时间嵌入维度等吸引子重构参数提取等问题。


技术实现要素：

11.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法、装置、接收用户输入程序存储介质以及应用。本发明目的在于为hfswr海洋-电离层复合系统动力学特征研究提供复合系统构造与混沌特征提取技术和装置，从而促进hfswr海洋-电离层复合系统动力学研究。
12.所述技术方案如下：一种高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法具体包括：
13.s1，构造海洋-电离层信息获取高频地波超视距雷达：在原有的高频地波超视距雷达系统上增加接收电离层回波的天线阵和接收通道，同时架设电离层探测垂直仪，用于电离层监测；
14.s2，构造hfswr海洋-电离层探测目标函数：由外部电磁环境、海况、海洋-电离层探测任务优先级、发射频率模式参数构造海洋-电离层探测目标函数；
15.s3，同步获取海洋和电离层回波时序和积累时间，完成海洋与电离层回波时间对齐；
16.s4，从获取hfswr回波信号中分离海洋和电离层信号，获得海洋和电离层同频同步回波；
17.s5，对海洋和电离层回波信号进行归一化处理：分别对对海洋和电离层回波信号
进行归一化处理，获得归一化的海洋和电离层回波信号；
18.s6，由归一化的海洋与电离层回波信号构造海洋-电离层回波复合系统；
19.s7，海洋-电离层回波复合系统进行tent混沌映射；
20.s8，提取海洋-电离层二维系统混沌特征参数：吸引子关联维数、最大李雅普诺夫指数以及kolmogorov熵。
21.在一实施例中，所述s2具体包括：海洋探测指标函数ρ1包括：由工作频率优先级等级w1，海态遥感参数优先级w2，积累时间t0，传播衰减β，海浪回波一阶谱强度δ
t
，海浪回波二阶谱面积σ
t
，记为ρ1(w1,w2,t0,β,δ
t
,σ
t
)；其中，工作频率由雷达频监系统提供，回波一阶和二阶谱信息经回波信号二维傅里叶变换得到；
22.电离层探测指标函数设计包括ρ2：由外部电磁环境优先级等级w1，电离层回波等级发射频率模式fm参数构造，记为其中，外部电磁环境评估由频监系统给出，电离层回波等级分为差、一般、良好三个等级，发射频率模式有单频、双频、扫频模式；
23.海洋-电离层信息获取目标函数化表示为
24.f＝ρ1ρ2。
25.在一实施例中，所述s3具体包括：
26.确定工作频率：首先通过海洋-电离层信息获取高频地波超视距雷达装置的频监通道选择获取海洋回波的频段，并分别计算目标探测目标函数ρ1最大值，然后通过电离层探测垂直仪检验海洋回波获取提供的选频对应的电离层探测目标函数ρ2值，最后通过与的计算确定能够同时获取海洋-电离层信号的工作频率；
27.确定积累时间：首先选择获取海洋信息所需的最短积累时间，然后用电离层探测垂直仪检验该积累时间的选择是否存在电离层信息获取的混叠；若存在混叠，重新选择积累时间来进行检验，直至正常获取海洋与电离层回波信息；
28.获取海洋-电离层信息hfswr回波：用确定的工作频率和积累时间参数获取hfswr回波信息；
29.剔去高频干扰：采用辅助通道方法剔去高频干扰，辅助通道和主通道共用同一个天线阵，首先在辅助通道进行干扰源估计，然后进行干扰源波达方向估计，最后把多波束天线阵元加权值送到主通道数字形成波束形成器。
30.在一实施例中，所述s4具体包括：
31.分离海洋与电离层回波：采用深度学习中的目标检测算法fasterr-cnn，从hfswr回波距离-多普勒谱中自动提取海洋和电离层回波；
32.提取海洋信息：hfswr回波的一阶谱和二阶谱的探测范围不同，一阶谱探测范围可达数百公里，二阶谱探测范围大致为一阶谱探测范围一半；
33.在第一阶段仅能利用一阶谱提取海态参数，采用基于一阶谱的有效波高反演方法，即
[0034][0035]
[0036]
其中，hs为有效波高，k0为雷达波数，α和β为拟合参数，b
+
和b-分别是正负一阶峰的强度，s为longuet-higgins风向分布函数中的参数；
[0037]
在第二阶段利用二阶谱提取海态参数，采用多海况下联合估计有效波高方法，即
[0038][0039]
其中，ξ为拟合参数，rw为二阶谱与一阶谱能量比值；其他海态参数如风场、浪场可用传统的反演公式获得；
[0040]
提取电离层信息：
[0041]
1)电离层电子浓度反演；
[0042]
2)f2层临界频率f0f2反演；
[0043]
3)电离层高度估计。
[0044]
4)电离层多普勒频移估计。
[0045]
在一实施例中，所述步骤1)电离层电子浓度反演包括：
[0046]
①
定频探测模式：设电离层雷达照射面积为s，由单个电子的散射截面σe≈10-28
m2，设照射范围内电子密度为ne，总散射截面为σ
t
为
[0047]
σ
t
＝sneσe[0048]
由此反演电离层电子浓度ne[0049][0050]
②
扫频探测模式：
[0051]
第一步：建立电离层剖面数学模型
[0052]
首先建立电离层剖面模型，包括e层、谷层、f1层和f2层共四层，其中e层和谷层剖面采用用抛物模型，f1层和f2层剖面采用移位切比雪夫多项式模型。电离层电子浓度剖面模型如下式所示：
[0053][0054]
其中，e层峰高h
me
为e层和谷层连接点处的高度，h2为谷层与f1层连接点处的高度，高度h2处的等离子体频率等于e层临频f
ce
，谷层包括与e层的连接部分和与f1层的连接部分两个部分，h1为两部分连接点处的高度，f1层峰高h
mf1
为f1层与f2层连接点处的高度；
[0055]
第二步：计算各层反射回波虚高：
[0056]
首先计算各层反射回波的理论虚高，然后计算理论虚高与实测虚高的误差量，基于该误差量进行基于最小化误差量的各层参数反演；
[0057]
第三步：反演各层参数：
[0058]
基于理论虚高和实测虚高偏差平方和最小化准则，实现各层参数的反演；
[0059]
所述步骤2)包括：
[0060]
①
不扫频反演临界频率：
[0061]
第一步：计算电离层回波区域的能量。设被提取的电离层区域为该区域有k个回波功率谱φi，则电离层区域的能量εi表示为
[0062][0063]
由此得，发射频率fi的电离层回波能量εi。
[0064]
第二步：前后向外推方法扩展频段，构造接近全频段的拟合模型；
[0065]
第三步：在拟合曲线中选择电离层回波能量极小的频率为f0f2，即
[0066][0067]
②
扫频反演临界频率：
[0068]
利用建立的一体化探测新体制hfswr电离图智能判读算法，提取扫频电离图上垂直探测描迹的f2层临界频率，实现f2层临界频率f0f2反演；
[0069]
所述步骤3)电离层高度估计包括：首先根据电离层回波的形状和能量分布情况，把电离层回波区域划分为几个能量相对集中的分区，然后计算整个电离层回波区域相对应的加权平均雷达位置参数。设电离层回波所在区域中心的距离为r，方位为θ，则电离层高度h表示为
[0070]
h＝r
×
sin(θ)；
[0071]
所述步骤4)电离层多普勒频移估计包括：利用hfswr电离图智能判读算法，提取定频电离图上电离层e层或f层多普勒频移，实现电离层多普勒频移估计。
[0072]
在一实施例中，所述s5归一化处理包括：
[0073]
第一步，构造同步时序，完成海洋与电离层回波时间对齐：
[0074]
第二步，对海洋回波信号进行归一化处理：
[0075][0076]
其中，ai为海洋回波信号，为海洋回波信号，行为归一化后的海洋回波信号；
[0077]
第三步，对电离层回波信号进行归一化处理：
[0078][0079]
其中，bi为电离层回波信号，为电离层回波信号，行为归一化后的电离层回波信号；
[0080]
所述s6构造海洋-电离层复合系统包括：构造海洋和电离层回波两种复合系统，
[0081][0082][0083]
其中，和分别表示海洋和电离层回波插值和叠加构成的复合系统；
[0084]
所述s7海洋-电离层回波复合系统经tent混沌映射包括：
[0085][0086][0087]
其中，α＝0.4；
[0088]
所述s8提取海洋-电离层复合系统混沌动力学特征包括：
[0089]
1)计算吸引子关联维：采用grassberger-procaccia算法计算关联维数。吸引子的关联维数d2的计算如下：
[0090]
设x(i)和x(j)是复合系统向量，定义相关积分c(r)
[0091][0092]
其中，θ(
·
)为heaviside函数；d
ij
两点间距，d
ij
＝||x(i)-x(j)||；n空间中量总数其中，当取值足够小，相关积分满足
[0093][0094]
因此，关联维为两个对数函数比值曲线的斜率：
[0095][0096]
对于一个随机过程，关联维随嵌入维的增加不断增大；对于混沌系统，随着嵌入维增加曲线斜率存在一个饱和值，这个饱和值为关联维d2；
[0097]
2)最大李亚普诺夫指数：采用jacobi法计算复合系统的李雅普诺夫指数，李雅普诺夫指数λi(i＝1,2,...,m)定义为
[0098][0099]
其中，j是复合系统的雅可比矩阵，eig代表特征值，最后将λ由大到小排列，需要满足以下条件：至少存在2个为正的李雅普诺夫指数；所有李雅普诺夫指数和为负数；
[0100]
3)kolmogorov熵：使用kolmogorov熵来描述吸引子重构的难易程度。
[0101]
本发明另一目的在于提供一种实施高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取装置由海洋-电离层信息获取高频地波雷达和用于电离层环境监测的电离层探测垂直仪组成；
[0102]
海洋-电离层信息获取高频地波雷达采用单频多通道结构，包括采用海洋信息获
取多通道的天线a、采用电离层信息获取多通道的天线b以及频谱监测通道；
[0103]
天线a和天线b构成准l型接收天线阵，而且天线a和天线b相互独立；
[0104]
天线a的法线与海岸线垂直，对海面方向的方位向形成多波束接收方向图；
[0105]
天线b由磁性天线单元构成的均匀线阵对天顶方向的俯仰向形成多波束方向图，
[0106]
电离层探测垂直仪，用于提供电离层回波频率响应信息，为hfswr提供选频依据。
[0107]
本发明另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法。
[0108]
本发明另一目的在于提供一种所述高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法在海上超视距目标探测与跟踪以及hfswr海洋与电离层动力学特征分析上的应用。
[0109]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可以实现全天候实时对海洋和近地空间进行环境监测，同时获取空间环境信息；本发明可以同步获取海洋-电离层复合系统的混沌动力学特征，即同步获取海洋-电离层复合系统底层动力学运动机理。具体体现在以下几个方面：
[0110]
本发明提供了一种高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取技术与装置，通过构造海洋-电离层信息获取高频地波超视距雷达，从高频地波超视距雷达回波中获取海洋-电离层回波，通过构造海洋-电离层复合系统，提取海洋-电离层复合系统混沌动力学特征。
[0111]
通过上述技术改进，本发明专利将促进海洋-电离层之间动力学特征分析，无论是对于提升海上超视距目标的探测全天候性能，实时监测海洋自然灾害和近地空间环境，还是对于人们认识整个日地空间环境(指海洋与近地空间，包括电离层扰动)都具有积极的重要科学意义。目前国内外尚未公开同频同步获取的hfswr海洋-电离层复合系统混沌动力学提取技术与装置。
[0112]
相比于现有技术，本发明揭示了hfswr系统海洋-电离层复合系统混沌动力学特性，用从海洋-电离层复合时变序列中提取分维数及李雅普诺夫指数，从本质上获得混沌动力学特征，为hfswr海洋-电离层复合系统动力学特征提供特征提取技术和装置。
[0113]
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
附图说明
[0114]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0115]
图1是本发明实施例提供的高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法流程图。
[0116]
图2是现有技术中海洋-电离层探测hfswr系统框图。
[0117]
图3是现有技术中hfswr海洋回波混沌吸引子相图。
[0118]
图4本现有技术中hfswr电离层回波混沌吸引子相图。
[0119]
图5是实施例提供的本发明海洋-电离层探测hfswr系统结构框图。
[0120]
图6是实施例提供的本发明阵列a对海方向多波束方向图。
[0121]
图7是实施例提供的本发明阵列b对天顶方向多波束方向图。
[0122]
图8是实施例提供的本发明提取海洋和电离层回波算法流程图。
[0123]
图9是实施例提供的本发明海态参数提取两个阶段图。
[0124]
图10是实施例提供的本发明依据p-m谱得到的有效波高与的关系图。
[0125]
图11是实施例提供的本发明浪高与风速关系图。
具体实施方式
[0126]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0127]
如图1所示，本发明提供的高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法可以同步获取海洋-电离层复合系统混沌动力学信息。包括以下步骤：
[0128]
s101，构造海洋-电离层信息获取高频地波超视距雷达包括以下步骤：在原有的高频地波超视距雷达系统上增加接收电离层回波的天线阵和接收通道，同时架设电离层探测垂直仪，用于电离层监测；
[0129]
s102，构造hfswr海洋-电离层探测目标函数：由外部电磁环境、海况、海洋-电离层探测任务优先级、发射频率模式等参数构造海洋-电离层探测目标函数；
[0130]
s103，同步获取海洋和电离层回波时序和积累时间，以完成海洋与电离层回波时间对齐；
[0131]
s104，从获取hfswr回波信号中分离海洋和电离层信号，从而获得海洋和电离层同频同步回波；
[0132]
s105，对海洋和电离层回波信号进行归一化处理：分别对对海洋和电离层回波信号进行归一化处理，从而获得归一化的海洋和电离层回波信号；
[0133]
s106，由归一化的海洋与电离层回波信号构造海洋-电离层回波复合系统；
[0134]
s107，海洋-电离层回波复合系统进行tent混沌映射；
[0135]
s108，提取海洋-电离层二维系统混沌特征参数：吸引子关联维数、最大李雅普诺夫指数以及kolmogorov熵等。
[0136]
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步描述。
[0137]
实施例
[0138]
本发明实施例提供的高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统混沌动力学特征提取方法包括：
[0139]
步骤一，构造海洋-电离层信息获取高频地波超视距雷达
[0140]
本发明装置如图5所示，由海洋-电离层信息获取高频地波雷达和用于电离层环境监测的电离层探测垂直仪组成。本装置中的海洋-电离层信息获取高频地波雷达采用单频多通道结构，包括海洋信息获取多通道(天线a)、电离层信息获取多通道(天线b)以及频谱监测通道。其中，天线a和b构成准l型接收天线阵，而且两组天线相互独立。天线a的法线与海岸线垂直，可对海面方向的方位向形成多波束接收方向图，如图6所示；天线b由磁性天线
单元构成的均匀线阵可对天顶方向的俯仰向形成多波束方向图，如图7所示。本装置辅助设备电离层探测垂直仪提供电离层回波频率响应情况，即为hfswr提供选频依据。
[0141]
步骤二，构造海洋-电离层信息获取目标函数。海洋探测指标函数ρ1包括：由工作频率优先级等级w1，海态遥感参数优先级w2，积累时间t0，传播衰减β，海浪回波一阶谱强度δ
t
，海浪回波二阶谱面积σ
t
，记为ρ1(w1,w2,t0,β,δ
t
,σ
t
)。其中，工作频率由雷达频监系统提供，回波一阶和二阶谱信息经回波信号二维傅里叶变换得到。
[0142]
电离层探测指标函数设计包括ρ2：由外部电磁环境优先级等级w1，电离层回波等级发射频率模式fm参数构造，记为其中，外部电磁环境评估由频监系统给出，电离层回波等级由电离层探测垂直仪提供，等级分为差、一般、良好等三个等级，发射频率模式有单频、双频、扫频等模式；
[0143]
海洋-电离层信息获取目标函数化表示为使下面目标函数取最大
[0144]
f＝ρ1ρ2ꢀꢀ
(1)
[0145]
步骤三，确定工作频率。步骤包括，首先通过海洋-电离层信息获取高频地波超视距雷达装置的频监通道选择可获取海洋回波的频段(可选择3-4频段)，并分别计算目标探测目标函数ρ1最大值，然后通过电离层探测垂直仪检验海洋回波获取提供的选频对应的电离层探测目标函数ρ2值，最后通过与的计算确定能够同时获取海洋-电离层信号的工作频率。
[0146]
步骤四，确定积累时间。海洋信息的获取需要一定的积累时间，首先选择获取海洋信息所需的最短积累时间，然后用电离层探测垂直仪检验该积累时间的选择是否存在电离层信息获取的混叠。若存在混叠，重新选择积累时间来进行检验，直至正常获取海洋与电离层回波信息。
[0147]
步骤五，获取海洋-电离层信息hfswr回波。用上面确定的工作频率和积累时间等参数获取hfswr回波信息。
[0148]
步骤六：剔去高频干扰。采用辅助通道方法剔去高频干扰。辅助通道和主通道共用同一个天线阵，首先在辅助通道进行干扰源估计，然后进行干扰源波达方向估计，最后把多波束天线阵元加权值送到主通道数字形成波束形成器。
[0149]
步骤七：分离海洋与电离层回波。采用深度学习中的目标检测算法fasterr-cnn，从hfswr回波距离-多普勒(简称rd)谱中自动提取海洋和电离层回波，算法过程如图8所示。
[0150]
步骤八：提取海洋信息。hfswr回波的一阶谱和二阶谱的探测范围不同，一阶谱探测范围可达数百公里(简称远端)，二阶谱探测范围大致为一阶谱探测范围一半(简称中端)。因此，海态参数提取分为两个阶段进行，如图9所示。
[0151]
在第一阶段仅能利用一阶谱提取海态参数，采用基于一阶谱的有效波高反演方法，即
[0152][0153][0154]
其中，hs为有效波高，k0为雷达波数，α和β为拟合参数，b
+
和b-分别是正负一阶峰的
强度，s为longuet-higgins风向分布函数中的参数。图10为依据p-m谱得到的有效波高与qb的关系图，图11表示浪高与风速关系。
[0155]
在第二阶段可利用二阶谱提取海态参数，采用多海况下联合估计有效波高方法，即
[0156][0157]
其中，ξ为拟合参数，rw为二阶谱与一阶谱能量比值。
[0158]
其他海态参数如风场、浪场可用传统的反演公式获得。
[0159]
步骤九：提取电离层信息。
[0160]
1)电离层电子浓度反演：
[0161]
①
定频探测模式：设电离层雷达照射面积为s，由单个电子的散射截面σe≈10-28
m2，设照射范围内电子密度为ne，总散射截面为σ
t
为
[0162]
σ
t
＝sneσeꢀꢀ
(5)
[0163]
由此可反演电离层电子浓度ne[0164][0165]
其中，各参数定义和雷达方程参数一致，不再一一说明。
[0166]
②
扫频探测模式：。
[0167]
第一步：建立电离层剖面数学模型
[0168]
首先建立电离层剖面模型，包括e层、谷层、f1层和f2层共四层，其中e层和谷层剖面采用用抛物模型，f1层和f2层剖面采用移位切比雪夫多项式模型。电离层电子浓度剖面模型如下式所示：
[0169][0170]
其中，e层峰高h
me
为e层和谷层连接点处的高度，h2为谷层与f1层连接点处的高度，高度h2处的等离子体频率等于e层临频f
ce
，谷层包括与e层的连接部分和与f1层的连接部分两个部分，h1为两部分连接点处的高度，f1层峰高h
mf1
为f1层与f2层连接点处的高度。
[0171]
第二步：计算各层反射回波虚高
[0172]
首先计算各层反射回波的理论虚高，然后计算理论虚高与实测虚高的误差量，基
于该误差量进行基于最小化误差量的各层参数反演。为了简化计算过程，同时又避免引入较大的误差，采用reinisch和huang(1983)的方法，即：忽略地磁场影响下计算电波在e层和谷层传播的群距离，考虑地磁场影响下计算电波在f1层和f2层传播的群距离，并假设地磁场为一定值，即等于垂测站上空300km高度处的地磁场值。
[0173]
第三步：反演各层参数
[0174]
基于理论虚高和实测虚高偏差平方和最小化准则，实现各层参数的反演。
[0175]
2)f2层临界频率f0f2反演：扫频和不扫频反演临界频率
[0176]
①
不扫频反演临界频率：
[0177]
第一步：计算电离层回波区域的能量。设被提取的电离层区域为该区域有k个回波功率谱φi，则电离层区域的能量εi表示为
[0178][0179]
由此可得，发射频率fi的电离层回波能量εi。
[0180]
第二步：前后向外推方法扩展频段，构造接近全频段的拟合模型。
[0181]
第三步：在拟合曲线中选择电离层回波能量极小的频率为f0f2，即
[0182][0183]
②
扫频反演临界频率：
[0184]
利用建立的一体化探测新体制hfswr电离图智能判读算法，提取扫频电离图上垂直探测描迹的f2层临界频率，即可实现f2层临界频率f0f2反演。
[0185]
3)电离层高度估计：首先根据电离层回波的形状和能量分布情况，把电离层回波区域划分为几个能量相对集中的分区，然后计算整个电离层回波区域相对应的加权平均雷达位置参数。设电离层回波所在区域中心的距离为r，方位为θ，则电离层高度h表示为
[0186]
h＝r
×
sin(θ)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0187]
4)电离层多普勒频移估计：利用hfswr电离图智能判读算法，提取定频电离图(即多普勒频谱图)上电离层e层或f层多普勒频移，即可实现电离层多普勒频移估计。
[0188]
步骤十：归一化处理。
[0189]
第一步，构造同步时序，完成海洋与电离层回波时间对齐：
[0190]
第二步，对海洋回波信号进行归一化处理：
[0191][0192]
其中，ai为海洋回波信号，为海洋回波信号，行为归一化后的海洋回波信号；
[0193]
第三步，对电离层回波信号进行归一化处理：
[0194][0195]
其中，bi为电离层回波信号，为电离层回波信号，行为归一化后的电离层回波信号；
[0196]
步骤十一：构造海洋-电离层复合系统。本发明提供的是由hfswr海洋与电离层回波混沌信号构成的复合系统混动动力学特征，即提供由两个混沌信号复合而构成的系统对初值的敏感性、其吸引子的复杂的分形结构以及分岔序列等。
[0197]
构造海洋和电离层回波两种复合系统，
[0198][0199][0200]
其中，和分别表示海洋和电离层回波插值和叠加构成的复合系统；
[0201]
海洋-电离层回波复合系统经tent混沌映射，得
[0202][0203][0204]
其中，α＝0.4；
[0205]
步骤十二：提取海洋-电离层复合系统混沌动力学特征。海洋-电离层复合系统混沌特征提取重点是计算吸引子关联维、最大李亚普诺夫指数以及kolmogorov熵等混沌特征参数。
[0206]
1)计算吸引子关联维：吸引子的关联维数反映了刻画吸引子至少需要的自由变量的个数而吸引子的维数有多种形式，用于表征吸引子上的点在相空间中的分布特征，反映了动力学系统的复杂性，是混沌不变量中最基本的参数之一。本发明采用grassberger-procaccia算法计算关联维数。吸引子的关联维数d2的计算如下：
[0207]
设x(i)和x(j)是复合系统向量，定义相关积分c(r)
[0208][0209]
其中，θ(
·
)为heaviside函数；d
ij
两点间距，d
ij
＝||x(i)-x(j)||；n空间中量总数其中，当取值足够小，相关积分满足
[0210][0211]
因此，关联维为两个对数函数比值曲线的斜率：
[0212][0213]
对于一个随机过程，关联维随嵌入维的增加不断增大；对于混沌系统，随着嵌入维增加曲线斜率存在一个饱和值，这个饱和值即为关联维d2。
[0214]
2)最大李亚普诺夫指数：混沌映射的最大李亚普诺夫指数反映了动力系统的稳定性，定量地反映了该系统对初始条件的敏感性程度，也表征相空间中相邻轨迹之间发生收
敛还是或发散，当李雅普诺夫指数大于零时，两个相近的初始值的运动轨迹会快速分离，分离速度呈指数增长；当李雅普诺夫指数小于或等于零时，相空间中运动轨迹会收敛为一个点或做周期运动。因此存在正数李雅普诺夫指数是混沌系统形成的必要条件之一。采用jacobi法计算复合系统的李雅普诺夫指数，李雅普诺夫指数λi(i＝1,2,...,m)定义为
[0215][0216]
其中，j是复合系统的雅可比矩阵，eig代表特征值，最后将λ由大到小排列，需要满足以下两个条件：(a)至少存在2个为正的李雅普诺夫指数；(b)所有李雅普诺夫指数和为负数。
[0217]
3)kolmogorov熵：高频地波超视距雷达海洋-电离层复合系统对初值非常敏感，初始状态下相近的两个点在混沌迭代演变过程中逐渐分离，势必会损失一部分信息。为在相空间吸引子重构的过程当中，为了最大限度接近真实原混沌系统的演化过程，本发明使用kolmogorov熵来描述吸引子重构的难易程度。kolmogorov熵是从测度论的角度给出了吸引子的信息损失率。一个大于零且有限的kolmogorov熵是检验混沌现象是否存在的证据之一。估算k熵的值通过求解混沌复合系统的全部李雅普诺夫指数获得，即k熵等于所有正数李雅普诺夫指数的和，而且大于零且有限。
[0218]
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[0219]
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