基于微波路径损失的混合波导反演方法

本发明属于海面蒸发波导、表面波导、大气波导、海上通信、海上雷达等。，涉及一种基于微波路径损失的混合波导反演方法，利用海上多个天线高度、多个频率、多个距离上的微波路径损失，结合混合波导模型、电磁波传播模型、目标函数、优化算法，反演得到微波传播链路上的混合波导剖面。

背景技术：

1、大气波导是在对流层内形成的一种特殊的超折射大气结构，对于电磁波传播有着重要影响，合理利用大气波导可以实现超视距探测、超视距通信等应用。大气波导主要包括蒸发波导、表面波导和悬空波导等类型。其中，蒸发波导和表面波导会对海上低高度的电磁波传播产生影响，而悬空波导的影响高度往往较高。有了波导效应之后，大气折射率出现负梯度，使得微波向下折射传播，微波能量被陷获在波导中，路径损失大大减小，不受地球曲率的限制，向前传播到很远的距离。

2、目前，对大气波导特性的获取方法主要有：直接测量法、反演估算法以及模型估算法。直接测量法主要利用微波折射仪测量折射率廓线，或者先对温湿压数据进行测量，再利用大气折射率经验公式估算折射率。反演估算法是通过评估电磁波正向传播时大气波导折射率结构的垂直或水平变化对空间电磁场分布的影响程度，来反向估算波导折射率结构的方法，主要分为雷达海杂波反演、掩星反演、路径损失反演等。模型估算法是在半经验莫宁-奥普霍夫边界层相似理论的基础上，从海表温度和某些固定高度的气象要素模拟出大气温度、大气压强和水汽分压的垂直高度分布，进而得到近海面层大气折射率随高度的变化关系。现有开展大气波导监测及海上电磁系统性能评估时，往往只考虑一种波导，没有考虑多种波导混合存在时的影响，导致路径损失预测有时会出现很大的误差。

3、因此，亟需一种能够获取海上混合波导剖面的方法，提高海上雷达、通信、侦察等电磁系统的性能评估精度。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于微波路径损失的混合波导反演方法，利用近海面点对点微波链路上，不同收发天线高度、不同频率、不同距离的微波传播路径损失，结合电磁波传播模型、混合波导剖面模型、目标函数、优化算法，反演得到该链路上的混合波导剖面。

3、技术方案

4、一种基于微波路径损失的混合波导反演方法，其特征在于步骤如下：

5、步骤1：建立点对点的混合波导信道监测链路，采用多频率、多高度收发天线监测的方法，获取不同高度、不同频点、不同距离的电磁波传播的信道电平数据，监测终端得到经纬度、监测时间、系统参数信息；

6、步骤2：根据记录的两个监测终端经纬度信息，计算得到两个终端之间的距离；根据点对点监测系统参数及测量得到的信道电平数据，计算得到监测链路上不同收发天线高度、不同频率、不同距离的电磁波传播路径损失

7、步骤3：在监测链路上建立初始非均匀混合波导修正折射率剖面m＝[m1,m2,…,mn]，单个混合波导修正折射率剖面为分层修正折射率剖面为：

8、

9、所述分层五参数修正折射率剖面模型包括蒸发波导和表面波导，由五个参数描述：蒸发波导高度δ，陷获层底高zb，反常层结的厚度zthick，混合层斜率c1，表面波导强度md；

10、其中，m为修正折射率值；z为海面以上垂直高度，单位为m；m0为海面高度处的大气修正折射率值；c1为混合层斜率；zb为陷获层底高；md为表面波导强度；c2为陷获层以上大气的斜率，为非敏感参数；z0为空气动力学粗糙度因子；δ为蒸发波导高度，单位为m；zthick为反常层结的厚度；

11、zd的获取：

12、zt的获取：zt＝zb+zthick，

13、m1的获取：

14、步骤4：将不均匀的混合波导修正折射率剖面m＝[m1,m2,…,mn]，以及监测系统参数带入到电磁波传播抛物方程模型中，计算电磁场分布值，并利用下面的公式，计算得到该组水平不均匀的混合波导修正折射率剖面下的仿真路径损失值：

15、

16、其中，为仿真得到的路径损失值，单位为db；|u(x,z)|表示利用抛物方程模型计算得到的混合波导环境下的电磁场场强分布；x表示传播距离，单位为m；λ表示电磁波波长，单位为m，p表示混合波导剖面模型参数

17、所述监测系统参数包括天线高度、电磁波频率、天线类型、链路长度；

18、步骤5：取目标函数

19、

20、其中，用于最小化总误差；

21、利用全局优化算法，搜索求解使最小的一组p，即得到反演完成的最优混合波导修正折射率剖面。

22、所述电磁波传播路径损失

23、

24、式中，k表示电磁波频率编号，对应频率为fk，单位ghz，k＝1,2,…,nk；i表示发射天线编号，对应天线高度记为hti，单位m，i＝1,2,…,ni；j表示接收天线编号，该天线的高度记为hrj，j＝1,2,…,nj；m表示终端距离编号，m＝1,2,…,nm；为实际测得的不同天线高度、不同频率、不同距离上的路径损失，单位为db；pt为发射端信号功率，单位为dbm；lt为发射端馈线损耗，单位为db；gt为发射端天线增益，单位为dbi；gr为接收端天线增益，单位为dbi；lr为接收端馈线损耗，单位为db；pr为接收端信号的电平值，单位为dbm。

25、所述在监测链路上建立初始非均匀混合波导修正折射率剖面时节点间距为5～50km。

26、所述步骤2得参数取值：海面高度处的大气修正折射率值m0取为339m；混合层斜率c1取值范围为-1到0.4；陷获层以上大气的斜率c2取为0.118m/m；空气动力学粗糙度因子z0取z0＝1.5×10-4m。

27、所述的不同天线高度hti和hrj，可从以下三组取值范围取值：3m～15m，15m～30m，30m～50m，天线高度总数量至少为6，用于充分获取蒸发波导加表面波导的混合波导剖面电磁波传播特性。在每组天线高度中可任取1-5个高度处安装天线，除以上三组范围外的高度也可额外安装天线。

28、所述的多频率监测，发射频率fk从以下三组取值范围:1ghz～4ghz，4ghz～8ghz，8ghz～12ghz内各取至少1个发射频点，发射频率数量至少为6。在每组频率范围中可任取1-5个频率发射电磁波，也可额外发射除以上三组范围外频率的电磁波。

29、所述的两个终端之间的距离，最优取值范围为50km～100km，可选取值范围为10km～500km。

30、所述的非均匀混合波导修正折射率剖面，在监测链路上，建立1-5个非均匀混合波导修正折射率剖面。

31、所述的全局优化算法包括遗传算法或粒子群优化算法以及鲸鱼算法，所述的优化算法要求寻优结果收敛时的均方根误差小于3db。

32、所述蒸发波导参数取值的上下边界由蒸发波导模型求得蒸发波导高度值，在此基础上加减5m得到上下边界。

33、有益效果

34、本发明提出的一种基于微波路径损失的混合波导反演方法，通过建立点对点的微波链路，采用多个高度上的收发天线、多个监测频点、多个监测位置，结合系统参数，计算得到该链路上不同收发天线高度、不同频率、不同距离的微波传播的路径损失，然后在链路上建立混合波导剖面，结合电磁波传播模型、目标函数、优化算法等，得到链路上包括表面波导以及蒸发波导的混合波导剖面。本方法获取多种混合波导剖面，提高海上电磁系统的性能评估精度，能够反演得到蒸发波导和表面波导混合剖面特性。

35、本发明提出了一种基于微波路径损失的混合波导反演方法，能够得到海上混合波导分布，有益效果体现为以下几个方面：

36、1.本发明的突出优点在于：海上往往多种大气波导共同存在，但混合波导监测方法缺失，本发明建立基于路径损失的混合波导反演方法，能够同时反演得到包含表面波导和蒸发波导的混合波导修正折射率剖面，可有效提高海上电磁系统的评估精度。

37、2.本发明提出的天线高度和电磁波频率选择范围，可有效反映蒸发波导以及表面波导两者对电磁波传播的影响，可有效降低反演结果的误差，保障反演的准确性和可靠性。

38、3.本发明利用直接测量得到的微波路径损耗，反向推演混合波导剖面，突破了原有方法的局限性，不需要额外释放探空气球等仪器，可以全天候、长时间、无人自主监测海上混合波导特性。