一种基于AIS信号电平的海上表面波导无源监测新方法与流程

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及一种基于ais信号电平的海上表面波导无源监测新方法。

背景技术：

大气波导由于具有能够显著影响无线电系统覆盖范围等使用效能的特性，使得其具有重要的军事和民用应用价值，一直是世界军事强国关注的热点问题。在军事应用上，海上大气波导环境对海上作战至关重要，可以影响雷达、通信等电子装备的效能，进而直接影响海上超视距打击的能力，是指挥人员制订作战预案必须考虑和掌握的海上环境因素；在民用应用上，大气波导可以影响移动通信系统传输能力、通话质量等指标，也可使民用船舶自动识别系统(ais)等关乎民用交通安全的设备发生性能增效或降能现象。

大气波导中的表面波导也是出现概率较高的一类波导，在世界范围内的发生概率为14％左右，在波斯湾等峡湾海区，表面波导的发生概率可上升至58％左右。表面波导除了对雷达等电磁辐射源具有显著地“捕获”能力外，对如ais系统发出的vhf(甚高频)信号也具有很强的影响，而vhf信号受蒸发波导的作用却较小。

技术实现要素：

本发明提供一种基于ais信号电平的海上表面波导无源监测新方法，有效地解决了的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于ais信号电平的海上表面波导无源监测新方法，包括：

s1、构建大气基础环境，按照电磁波传播模型计算的精度要求生成满足一定空间分辨率指标的大气修正折射率三维廓线数据集；

s2、搭建与大气修正折射率三维廓线数据集相关联的ais信号传播环境数据库，利用与vhf信号相适配的电磁波传播模型、大气修正折射率三维廓线数据集、ais信号辐射源参数等信息生成ais信号传播环境数据库；

s3、配套监测装置研制，由于现有ais设备不具备分析ais信号传播环境数据的能力，因此需要研制满足无源反演监测的配套装置；

s4、实测ais信号传播环境数据预处理，利用配套监测装置采集的ais信号传播环境数据量庞大，考虑配套监测装置硬件条件和监测输出产品时间要求，可对采集的ais信号传播环境数据进行筛选，从而提高本发明的时效性；

s5、建立合理的目标函数和快速搜索算法，获得较为准确的反演监测结果，目标函数的值是衡量实际观测到的ais信号传播环境数据和建模仿真获得的ais信号传播环境数据之间匹配程度的标准，而快速搜索算法负责对建立的目标函数进行优化，以最短的时间在ais信号传播环境数据库中找到使目标函数最小的数据，并将该数据所关联的包括大气修正折射率三维廓线数据在内的波导参数作为最终输出结果。

作为上述方案的优选，在步骤s1中，采用基于大气资料同化的廓线建模方法来构建大气基础环境，具体包括：

s11、大气资料同化

将驱动数据代入到中尺度模式中，并判断时间窗口内是否有岸基、船载平台观测数据，如果有观测数据则通过数据同化算法进行同化，生成最终的数据同化产品用于廓线建模；如果没有观测数据，则中尺度模式输出的结果作为廓线建模的输入；

s12、廓线建模

将低层大气的气压、相对湿度、气温、风速利用相似定理进行加密处理得到高垂直分辨率的低层气压、相对湿度、气温、风速数据，通过融合算法将低层和高层大气的气象数据进行充分融合，进而计算出完整的大气修正折射率廓线。

作为上述方案的优选，在步骤s2中，基于表面波导传播损耗模型来计算ais信号传播环境数据，其表达式如下：

l＝32.44+20lg(f)-zy+20lg(r)-ld(1)

其中，l是传播损耗，r是传播距离，zy是接收天线的高度增益函数，ld是天线方向图损耗项，f是电磁波频率。

作为上述方案的优选，对于接收天线高度z，高度增益zy是电波频率f和表面波导高度d的函数，由于ais设备频率为161.975mhz和162.025mhz，因此高度增益函数表示为：

作为上述方案的优选，在步骤s3中，配套监测装置包括：ais接收机、超短波天线及配套电缆；

所述ais接收机包括限幅器、射频及终端模块，限幅器用于完成空间无用信号的幅度抑制，射频及终端模块用于完成ais信号的滤波、变频、放大后送给基带解调芯片解调ais信息，中央处理器处理解调后的ais信息，并根据协议组成ais报文，通过rs422串口上报到上位机；

所述超短波天线通过电缆与ais接收机连接，用于完成空间信号的接收。

作为上述方案的优选，所述射频及终端模块包括射频单元和终端处理单元；

所述射频单元包括依次连接的第一放大器、功分器，功分器将ais信号分为两路，每一路分别依次连接有窄带滤波器、第二放大器、混频器及解调芯片；

所述终端处理单元包括处理器、分别与处理器连接的解调芯片、复位芯片、eeprom、温度传感器、隔离芯片及对外接口芯片。

作为上述方案的优选，所述终端处理单元包括数据收发模块、数据解析模块、协议处理模块及封装打包模块；

数据收发模块用于接收经过解调后的数据；

数据解析模块用于对接收到的数据进行解析，转化为内部约定的数据结构，并传输给处理模块；

嵌入式软件的协议处理模块用于对解析模块解析过后的数据进行处理，分析其是否需要进行封装打包，对应用程序下发的命令进行处理，输出对应的响应结果；

封装打包模块用于将符合要求的ais本地数据打包成专用的自定义格式加以输出。

作为上述方案的优选，在步骤s4中，筛选过程中，取得离配套监测装置近的船舶数据少于取得离配套监测装置远的船舶数据，分界点以配套监测装置使用高度为参照计算的视距为参考。

作为上述方案的优选，在步骤s5中，采用基于最小二乘法的目标函数φ：

φ(m)＝e^te(3)

其中

式中，是实际观测的功率值，pc(m)是建模仿真的功率值。

作为上述方案的优选，在步骤s5中，快速搜索算法选用lfqpso算法，算法的主要流程包括：

s51、初始化种群大小、粒子的初始位置和初始速度以及最大迭代次数；

s52、计算种群中所有粒子的适应度值；

s53、更新种群中每个粒子的个体最优位置和全局最优位置；

s54、利用更新每个粒子的位置；

s55、通过更新粒子的位置；

s56、如果满足迭代终止条件，则继续进行下一步，否则返回s52；

s57、输出最优解。

本发明的有益效果在于：

本发明利用受到表面波导“调制”的ais系统发出的vhf信号反演表面波导特征量，克服了基于雷达海杂波反演表面波导等传统方法容易受到蒸发和表面两种波导影响的问题，获得更为“纯净”的表面波导数据；同时由于船舶自动识别系统(ais)安装数量庞大、信号时空分辨率高，能够为表面波导反演监测提供更为丰富的数据源，可满足表面波导无源监测的需求，克服基于雷达海杂波反演表面波导等传统方法需要向外辐射电磁波的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明大气资料同化的流程图；

图3为本发明廓线建模的流程图；

图4为本发明配套监测装置的方案框图；

图5为本发明射频及终端模块的工作原理框图；

图6为本发明射频单元的工作原理框图；

图7为本发明终端处理单元的工作原理框图；

图8为本发明数据收发模块的处理流程图；

图9为本发明解析模块的软件流程图；

图10为本发明协议处理模块的流程框图；

图11为本发明封装打包模块的软件流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图11，本实施例提供一种基于ais信号电平的海上表面波导无源监测新方法，其总体思路为：

s1、构建大气基础环境，按照电磁波传播模型计算的精度要求生成满足一定空间分辨率指标的大气修正折射率三维廓线数据集；

s2、搭建与大气修正折射率三维廓线数据集相关联的ais信号传播环境数据库，利用与vhf信号相适配的电磁波传播模型、大气修正折射率三维廓线数据集、ais信号辐射源参数等信息生成ais信号传播环境数据库；

s3、配套监测装置研制，由于现有ais设备不具备分析ais信号传播环境数据的能力，因此需要研制满足无源反演监测的配套装置；

s4、实测ais信号传播环境数据预处理，利用配套监测装置采集的ais信号传播环境数据量庞大，考虑配套监测装置硬件条件和监测输出产品时间要求，可对采集的ais信号传播环境数据进行筛选，从而提高本发明的时效性；

s5、建立合理的目标函数和快速搜索算法，获得较为准确的反演监测结果，目标函数的值是衡量实际观测到的ais信号传播环境数据和建模仿真获得的ais信号传播环境数据之间匹配程度的标准，而快速搜索算法负责对建立的目标函数进行优化，以最短的时间在ais信号传播环境数据库中找到使目标函数最小的数据，并将该数据所关联的包括大气修正折射率三维廓线数据在内的波导参数作为最终输出结果。

具体流程如下：

s1、构建大气基础环境

在步骤s1中，采用基于大气资料同化的廓线建模方法来构建大气基础环境，具体包含以下两个步骤：

s11、大气资料的同化

如图2所示，将驱动数据代入到中尺度模式中，根据时间窗口内是否有岸基、船载等平台观测数据进行不同的步骤。如果有观测数据则通过不同的数据同化算法进行同化，生成最终的数据同化产品用于廓线建模；如果没有观测数据，则中尺度模式输出的结果作为廓线建模的输入。

s12、廓线建模方法

如图3所示，将低层大气的气压(对应图中p)、相对湿度(对应图中h)、气温(对应图中t)、风速(对应图中u、v)利用相似定理进行加密处理得到高垂直分辨率的低层气压、相对湿度、气温、风速数据。通过融合算法将低层和高层大气的气象数据进行充分融合，进而计算出完整的大气修正折射率廓线。

其中，同化算法、加密算法、融合算法均可采用现有技术。

s2、搭建ais信号传播环境数据库

在步骤s2中，搭建过程中，本实施例使用了表面波导传播损耗模型来计算ais信号传播环境数据，其表达式如下：

l＝32.44+20lg(f)-zy+20lg(r)-ld(1)

其中，l是传播损耗，r是传播距离，zy是接收天线的高度增益函数，ld是天线方向图损耗项，f是电磁波频率。

对于接收天线高度z，高度增益zy是电波频率f和表面波导高度d的函数，由于ais设备频率为161.975mhz和162.025mhz，因此高度增益函数可表示为：

s3、配套监测装置研制

在步骤s3中，为了解决实际ais信号传播环境数据采集的问题，需要研制配套的监测装置。该装置的组成包括ais接收机、超短波天线及配套电缆组成，其中，ais接收机由限幅器，射频及终端模块组成。ais接收机中，限幅器主要是完成空间无用信号的幅度抑制，射频及终端模块完成ais信号的滤波、变频，放大后送给基带解调芯片解调ais信息，中央处理器处理解调后的ais信息，根据协议组成ais报文，通过rs422串口上报。超短波天线完成空间信号的接收。配套监测装置方案框图如图4所示。

a.配套监测装置工作原理及工作流程

配套监测装置上电后，ais接收机中的中央处理器上报自检工作状态，判断是否正常，自检成功后进入正常工作状态。

vhf射频信号经超短波天线到ais接收机。ais接收机对信号进行滤波、放大、混频、解调后将基带信号送入基带解调芯片进行解调，再进行nrzi解码和hdlc数据解包等处理后，中央处理器按照协议格式将ais报文送到上位机。

b.配套监测装置硬件设计

配套监测装置硬件设计主要是射频及终端模块的设计。

射频及终端模块主要实现161.975mhz、162.025mhz两个频点ais信号的接收功能。主要由射频单元和终端处理单元两个部分组成。射频单元包含ais射频信号的解调接收等功能。终端处理单元包含ais数据解析、串口通信等功能。其工作原理框图如图5所示。

a)射频单元

射频单元工作原理框图见图6。如图所示，两个侦收频点161.975mhz、162.025mhz的ais射频信号通过天线进入到射频单元，信号幅度-110dbm～-10dbm。射频单元的第一级器件采用限幅器用以防止外部大功率干扰信号对后级电路造成损坏。ais信号通过限幅器后通过放大器a1进行低噪放放大。功分器将ais信号分为两路，再通过窄带滤波器对161.975mhz、162.025mhz两路信号进行信道选择及进一步滤除干扰信号。之后两路ais信号的处理方式都相同，因此这里只对161.975mhz的ais-a路信号的工作原理进行阐述。

ais-a路信号通过bpf2进行滤波后被放大器a2放大，用来补偿通路滤波器及混频器带来的损耗。之后进入到第一级混频器下变频到第一中频。随后中频ais信号进入到集成混频、限幅放大、解调功能的解调芯片n1后输出模拟基带解调信号给终端模块。

b)终端处理单元

终端处理单元设计原理框图见图7。

ⅰ.终端处理单元工作流程及原理描述

电源芯片将外部输入的+7.5v直流转化为+5v直流，再通过电源芯片将+5v直流转化为+3.3v直流，给模块内的集成电路芯片使用；隔离电源将输入的+5v隔离出一个单独的+5v，给422及485接口芯片使用，隔离后的电源给接口芯片供电，可以有效保护板内器件不受外部电压冲击。

处理器为模块内部核心器件，其外围器件主要有时钟、eeprom、复位芯片。主控芯片与解调芯片连接，控制其解调gmsk基带信号；通过串口与rs485和rs422接口芯片连接，与外部进行串行通信。

解调芯片接收从射频单元输入的ais基带信号，解调后通过总线发送到主控芯片，主控芯片内部进行协议解析后从串口输出ais报文。

ⅱ.终端处理单元硬件设计

①电源设计

外部电源提供+7.5v±0.2v电压，终端模块主要使用+5.0v及+3.3v电压。因此首先采用电源芯片将+7.5v电压转换为+5.0v电压。输出电流为800ma，后级负载使用电流约为300ma，满足输出电流要求并留有余量。

通过电源芯片将+5v电源转换为+3.3v，供后级集成电路使用。输出电流为800ma，后级负载使用电流约为300ma，满足要求。

隔离电源部分使用电源芯片将+5v直流转化为+5v隔离直流,给rs422及rs485接口芯片使用。输出5v隔离电压，隔离电压1500vdc。输出电流最大为150ma，后级负载所需电流约为20ma,满足要求。

②主控芯片

主控芯片最大主频可达120mhz。外设组件包含高达512kb的flash存储器、96kb的数据存储器、4kb的内部eeprom、5个uart、3个ssp控制器、3个i2c接口、8通道的12位adc、4个通用定时器、6-输出的通用pwm和多达70个的通用i/o管脚等等，满足终端模块性能及接口要求。处理器具备低功耗模式，各接口功能模块均可关闭，该模式下电流仅为5ma。该芯片可通过jtag接口进行仿真器在线调试及下载程序，也可通过预留编程控制接口，通过串口进行程序下载。

③调制解调芯片

调制解调芯片有2路接收解调和1路发射调制，其中2路接收解调可以接收解调ais基带信号和dsc基带信号。同时能对发射的两个频道的信号进行侦听。解调芯片有两种工作方式burst和raw。burst工作模式可以按照aisclassb船载应答机的协议规定的格式对接收到的和需要发送的数据进行数据填充、序列码、nrzi、crc校验等相关的处理。raw工作方式比较自由、灵活，不对接收和发送的数据进行上述处理，而是直接进行转换。cpu需要自行处理数据填充、序列码、nrzi、crc校验等相关工作。这样可以实现自定义传输协议，但是需要占用更多的cpu资源。为了节省cpu资源，同时实现完整aisclassb船载应答机通信协议，采用芯片的burst工作模式。解调芯片的供电可通过处理器进行控制，在低功耗模式下可关闭供电。

④eeprom存储

外部预留的eeprom，用来存储需要保存的静态参数，存储容量为1kb。

⑤对外接口芯片

2路rs422接口，将处理器的串口收发信号，通过隔离电压转换芯片转换为隔离5v信号，再通过max490芯片转换为rs422总线的差分信号。串口速率可通过处理器配置。

⑥温度监测芯片

射频与终端模块的温度监测由温度传感器芯片完成。温度传感器芯片提供-55℃～+150℃的监测温度范围，将测得的温度通过+0.6v～+2.5v的电压输出，通过ad采样器对其采样，并计算温度值。

c.配套监测装置软件设计

ais接收机软件运行在终端单元的arm集成电路中，射频单元接收到ais数据后，将其转化为gmsk基带信号传入终端单元中，由ais解调芯片进行解调，解调后的数据交给嵌入式软件进行处理、打包，并把打包后的数据上传给上层应用软件。嵌入式软件装在ais接收机的终端单元中，软件级别为一般软件。

从模块化来考虑，将嵌入式软件分解为数据收发模块、数据解析模块、协议处理模块及封装打包模块四个功能模块。下面将分别描述各个模块的设计。

a)数据收发模块

数据收发模块是指用于接收经过解调后的数据，并负责与上层应用间进行数据收发工作的模块。该模块作为嵌入式软件的接口，与外部硬件进行通信。

数据收发模块主要是利用全局缓冲，接收外部硬件模块传送来的数据，并把其存储到本地缓冲中，并通知解析模块进行工作。数据收发模块的软件流程图如图8所示。

b)数据解析模块

数据解析模块主要负责对接收到的数据进行解析，转化为内部约定的数据结构，并通过相应的接口通知协议处理模块，由其完成协议处理。

在嵌入式软件中，数据解析模块的处理流程图如图9所示。

c)协议处理模块

嵌入式软件的协议处理模块主要完成对解析模块解析过后的数据进行处理，分析其是否需要进行封装打包，对应用程序下发的命令进行处理，输出对应的响应结果。

协议处理模块的软件流程框图如图10所示。

d)封装打包模块

封装打包模块负责将符合要求的ais本地数据打包成专用的自定义格式加以输出。

封装打包模块的软件流程图如图11所示。

针对具体使用要求和任务特点，对封装打包送出ais信息可作出了裁剪，即是1号、2号、3号、18号和19号动态消息和5号、24a和24b号静态消息，其中动态消息包含船舶的mmsi码(全球唯一的用户识别码)、航速、航向和位置等信息；静态消息包含船舶mmsi码、载货类型、吃水深度、船长船宽、目的港等信息，而其它的ais信息予以屏蔽，不对上位机进行上报，减轻后端处理设备对于数据分类、过滤等的工作量。

s4、实测ais信号传播环境数据预处理

由于利用配套监测装置采集的ais信号传播环境数据量庞大，考虑配套监测装置硬件条件和监测输出产品时间要求，可对采集的ais信号传播环境数据进行筛选。筛选过程中，离配套监测装置近的船舶数据取得少一些，远的船舶数据取得多一些，分界点可以以配套监测装置使用高度为参照计算的视距为参考。

s5、建立合理的目标函数和快速搜索算法，获得较为准确的反演监测结果。

基于雷达海杂波反演表面波导等传统方法所使用的目标函数仅考虑单频率、单功率条件，然而ais系统则具有双频率(161.975mhz、162.025mhz)以及双功率(12.5w、2w)条件，因此，目标函数的构造较基于雷达海杂波反演表面波导要考虑的因素更多更复杂，本发明采用基于最小二乘法的目标函数φ：

φ(m)＝e^te(3)

其中

式中，是实际观测的功率值，pc(m)是建模仿真的功率值。

由于计算得到的ais信号功率具有双频率、双功率等性质,导致此时的目标函数转变为目标函数向量，即由多个目标函数组成。因此，在进行ais信息反演的过程中，需要根据频率、功率等条件，组成由多个目标子函数组成的目标函数。

本发明使用lfqpso算法作为快速搜索算法，该算法的主要流程描述如下：

s51、初始化种群大小、粒子的初始位置和初始速度以及最大迭代次数；

s52、计算种群中所有粒子的适应度值；

s53、更新种群中每个粒子的个体最优位置和全局最优位置；

s54、利用更新每个粒子的位置；

s55、通过更新粒子的位置；

s56、如果满足迭代终止条件，则继续进行下一步，否则返回b；

s57、输出最优解。

本发明利用受到表面波导“调制”的ais系统发出的vhf信号反演表面波导特征量，克服了基于雷达海杂波反演表面波导等传统方法容易受到蒸发和表面两种波导影响的问题，获得更为“纯净”的表面波导数据；同时由于船舶自动识别系统(ais)安装数量庞大、信号时空分辨率高，能够为表面波导反演监测提供更为丰富的数据源，可满足表面波导无源监测的需求，克服基于雷达海杂波反演表面波导等传统方法需要向外辐射电磁波的不足。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。