一种基于海面杂波信号监测数据的大气波导反演方法

本发明涉及电波传播，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、设置并确定信号发射和接收装置处于波导环境内；

4、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；

5、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；

6、计算所述杂波反射特征点在海面处的大气折射指数数据；

7、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；

8、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。

9、优选的，所述方法还包括：

10、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；

11、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。

12、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：

13、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；

14、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；t为温度，p为大气压强，e为湿度决定的水汽压；

15、根据计算结果m对大气折射率梯度进行计算，当满足时，将nn点高度与信号发射和接收装置的高度进行比较，如果该高度大于发射装备高度，确定所述信号发射和接收装置处于波导环境内，否则不在波导环境内；nn和nn-1为大气折射指数垂直分布的计算结果中中相邻高度处的两个大气折射指数，其中nn为高度较高点的大气折射指数，nn-1为高度较低点的大气折射指数，δh为上述相邻高度之间的高度差。

16、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。

17、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：

18、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θ0，设置发射仰角为θ/2+θ0，然后将发射仰角减小一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第一海面杂波反射信号监测数据；

19、再设置发射仰角为-θ/2-θ0，然后将发射仰角增加一个调节精度允许的最小变化单位，通过信号发射和接收装置发射电磁波信号，并收集第二海面杂波反射信号监测数据；

20、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。

21、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：

22、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；

23、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dlimit时，根据所述第一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一一维数组，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二一维数组；

24、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；

25、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；

26、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。

27、进一步优选的，所述预设倍数为10倍。

28、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：

29、根据分别计算对第一特征点p1和第二特征点p2位置处的大气折射率，其中，np为对应特征点位置海面处的大气折射率，r_0为地球半径，h天线为发射天线的海拔高度，n天线为发射天线所在位置的大气折射率，θt为打在对应特征点位置处波束的信号发射仰角，θr为在对应特征点位置处的波束略入角；

30、根据np分别计算对第一特征点p1和第二特征点p2对应的海面大气折射指数np，np＝(np-1)×106+r_0*h天线，得到第一特征点p1海面处的大气折射指数np1，以及第二特征点p2海面处的大气折射指数np2。

31、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：

32、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；

33、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。

34、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：

35、确定待测位置在水平空间内的位置；

36、当点sd1对应的待测位置d1在水平空间内处于发射天线所在位置与第一特征点p1的水平位置之间时，距地高度为h的点sd1处大气折射指数为：nd1＝n0+(np1-n0)/ld1×(xd1-xp0)；其中，nd1为点sd1处的大气折射指数，n0为发射天线位置对应高度h处的大气折射指数，np1为第一特征点p1对应高度h处的大气折射指数，ld1为发射天线所在位置与第一特征点p1所在位置之间的水平距离，xd1为点sd1的水平位置，xp0为发射天线所在水平位置；

37、当点sd2对应的待测位置d2在水平空间内处于第一特征点p1与第二特征点p2的水平位置之间时，距地高度为h的点sd2处大气折射指数为：nd2＝np2+(np2-np1)/ld2×(xd2-xp1)；其中，nd2为sd2处的大气折射指数，np2为第二特征点p2对应高度h处的大气折射指数，ld2为第一特征点p1所在位置与第二特征点p2所在位置之间的水平距离，xd2为点sd2的水平位置，xp1为第一特征点p1的水平位置；

38、当点sd3处对应的待测位置d3在水平空间内处于第二特征点p2的水平位置之外时，距地高度为h的点sd3处大气折射指数为：nd3＝np1+(np2-np1)/ld2×(xd3-xp1)；其中，nd3为点sd3处的大气折射指数，xd3为点d3的水平位置。

39、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。