基于海面大气波导抛物方程模型的低空多径补盲方法及系统与流程

本发明属计算电磁学领域，特别涉及基于海面大气波导抛物方程模型的低空多径补盲方法及系统。

背景技术：

1、雷达对低空目标进行探测时，照射海面的电磁波会形成散射现象，这些散射波被大气波导所陷获，形成对海面目标的超视距探测效应。但是，这些散射波与直达波进行场强叠加，改变了原有的低空电磁波分布，使低空目标回波出现功率起伏并导致难以对其进行稳定探测跟踪，形成了具有空间周期规律的低空多径探测盲区。

2、根据统计分析，世界范围内表面波导的出现概率平均约为15％，且不同地区的差异极大，而蒸发波导的出现概率更高。因此，对于舰载和岸基雷达而言，如何有效利用大气波导效应来抑制低空探测场景的多径盲区，建立真实场景中的雷达自适应探测模型，这对于提升低空目标探测稳定性而言具有重要意义。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中大气波导传播场景中海面散射波和直达波相干干涉所导致的多径快衰落问题，本技术提供基于海面大气波导抛物方程模型的低空多径补盲方法及系统。

2、本技术提供基于海面大气波导抛物方程模型的低空多径补盲方法，方法包括：

3、步骤1、根据雷达相关参数、架设情况进行初始口径场建模；

4、步骤2、设定一系列完备的大气剖面结构，使用大气波导参量化建模方法来获得不同波导类型、波导厚度和波导强度对应的大气折射率垂直剖面分布；

5、步骤3、进行电磁场传播计算，得出不同雷达载频和不同海面大气波导环境中的单程路径损耗空间分布，并保存雷达到海面和目标高度区间的路径损耗；

6、步骤4、对雷达到海面的路径损耗衰减曲线进行聚类，并划分为有限的几种类别；

7、步骤5、进行雷达工作载频优选：确定出各工作载频时雷达到目标高度区间的路径损耗空间分布，逐空间位置进行路径损耗排序，以获取路径损耗最小时的最佳载频，选取出最佳的匹配频点；

8、步骤6、选取海杂波归一化散射截面积模型，代入选定参数以正向预测海杂波在不同距离上的回波功率，实现大气环境反演及低空多径补盲阶段优选。

9、可选的，所述步骤4对雷达到海面的路径损耗衰减曲线进行聚类，并划分为有限的几种类别，包括：

10、步骤4.1、设定聚类半径δr和有效样本个数n0，并定义两种海面路径损耗曲线之间的平均功率偏差为距离d：

11、

12、式中，n为海面路径损耗曲线在距离上的采样单元数，i为距离单元索引号，l为雷达到海面的路径损耗值，单位为db；

13、步骤4.2、逐一选取尚未聚簇的路径损耗衰减曲线，计算其与其余未聚簇曲线间的距离；

14、步骤4.3、统计距离小于聚类半径δr的样本个数，如果半径内的样本个数p小于有效样本个数n0，将其视为孤立的噪声点，跳过选取的样本，反之则认为该样本附近已经形成有效聚簇，提取样本中心作为该类别的中心pl[i]；

15、

16、步骤4.4、在聚类算法中不断标记已经凝聚成簇的样本，使其不再参与后续计算。

17、可选的，进行雷达工作载频优选，包括：

18、根据步骤3中不同海面大气波导环境状态，确定出各工作载频时雷达到目标高度区间的路径损耗空间分布，逐空间位置进行路径损耗排序，以获取路径损耗最小时的最佳载频，并对最佳载频进行空间上统计，选取出最佳的2个匹配频点。

19、可选的，根据步骤3中不同海面大气波导环境状态，确定出各工作载频时雷达到目标高度区间的路径损耗空间分布，逐空间位置进行路径损耗排序，以获取路径损耗最小时的最佳载频，并对最佳载频进行空间上统计，选取出最佳的2个匹配频点，包括：

20、所述步骤5中最佳载频获取过程包括：

21、步骤5.1、根据雷达可用载频带宽，等间隔采样以获取潜在工作频点；

22、步骤5.2、通过抛物方程模型计算得出潜在工作频点上的电磁波路径损耗空间分布l(fi,r,z)；

23、步骤5.3、对潜在工作频点上的路径损耗空间分布进行排序，选取最小的路径损耗以获取当前大气环境中最佳工作载频的空间分布：

24、fopt(r,z)＝argmini{l(fi,r,z)}

25、步骤5.4、根据关心目标的高度区间来统计最佳工作载频在空间中的频次向量，选取出现频次最大的两个载频作为当前环境的匹配工作频点。

26、可选的，选取海杂波归一化散射截面积模型，代入选定参数以正向预测海杂波在不同距离上的回波功率，实现大气环境反演及低空多径补盲阶段优选，包括：

27、选取海杂波归一化散射截面积模型，代入当前海况环境、雷达工作参数、热噪声电平在内的选定参数以正向预测海杂波在不同距离上的回波功率，对比聚类结果以反演得出海杂波衰减类别，并索引对应的系列大气环境，通过综合统计来给出优化的工作载频组合，完成低空多径补盲。

28、可选的，选取海杂波归一化散射截面积模型，代入当前海况环境、雷达工作参数、热噪声电平在内的选定参数以正向预测海杂波在不同距离上的回波功率，对比聚类结果以反演得出海杂波衰减类别，并索引对应的系列大气环境，通过综合统计来给出优化的工作载频组合，完成低空多径补盲，具体包括：

29、步骤6.1、选取海杂波归一化散射截面积与掠射角的1次方呈正比的barton模型，方法为：

30、

31、式中，kb为蒲福风级数，θ为入射余角，θc＝sin-1(λ/(2h1/10))为临界角，h1/10为有效浪高，λ为波长；为海杂波归一化散射截面积；

32、步骤6.2、根据海面扇区面积，确定海面散射截面积：

33、

34、式中，r为海面单元与雷达距离，为天线水平波瓣宽度，c为光速，τ为脉冲宽度；

35、步骤6.3、将聚类后得到的单程电磁波传播损耗pl[i]、海面散射截面积σ代入雷达方程，确定海杂波随距离衰减曲线：

36、

37、式中，pt为脉冲辐射功率，g为发射天线增益，ae为接收天线有效面积，τ为脉冲宽度，h为海面等效散射高度；

38、步骤6.4、根据雷达热噪声功率电平pn，将海杂波随距离衰减曲线转化为海面扇区上雷达回波随距离衰减曲线：

39、

40、步骤6.5、对比实测和预测的海面扇区上雷达回波随距离衰减曲线，确定匹配误差，具体方法为：

41、

42、式中，rmin和rmax为雷达回波对比的起始距离和终止距离；

43、步骤6.6、根据代价函数选取最近的大气波导剖面类别，并根据步骤5.4中各种环境中的最佳匹配工作频点，选取出现频次最大的两个以作为最终结果，完成低空多径补盲。

44、可选的，步骤1、根据雷达相关参数、架设情况进行初始口径场建模，包括：

45、步骤1.1、在微波暗室环境中测量出雷达天线在垂直方向上的空间方向图e(θ)；

46、步骤1.2、根据雷达架设高度和测量的天线方向图，计算天线初始口径场分布：

47、

48、式中ht为天线架高，kz＝k0sinθ为电磁波沿传播方向的波束分量。

49、可选的，步骤2、设定一系列完备的大气剖面结构，使用大气波导参量化建模方法来获得不同波导类型、波导厚度和波导强度对应的大气折射率垂直剖面分布包括：

50、步骤2.1、设定不同高度、不同厚度的表面波导，通过折线模型进行建模；

51、步骤2.2、设定不同高度、不同厚度的蒸发波导，通过中性层结pj蒸发波导建模：

52、

53、式中，mmin为海面处折射率，c1＝0.113，zm为空气动力粗糙度，h0为蒸发波导厚度与空气动力粗糙度zm之和；

54、步骤2.3、将波导高度hd和波导强度qd代入蒸发波导高度表达式，方法为：

55、

56、zm＝h0-hd

57、式中，h0是通过求取非线性函数零点的方式获得。

58、可选的，进行电磁场传播计算，得出不同雷达载频和不同海面大气波导环境中的单程路径损耗空间分布，并保存雷达到海面和目标高度区间的路径损耗，包括：

59、采用抛物方程模型的分步傅里叶算法进行电磁场传播计算，得出不同雷达载频和不同海面大气波导环境中的单程路径损耗空间分布，将雷达到海面和目标高度区间的路径损耗保存下来。

60、本技术还提供基于海面大气波导抛物方程模型的低空多径补盲系统，系统包括：

61、建模模块，用于根据雷达相关参数、架设情况进行初始口径场建模；

62、分析模块，用于设定一系列完备的大气剖面结构，使用大气波导参量化建模方法来获得不同波导类型、波导厚度和波导强度对应的大气折射率垂直剖面分布；

63、确定模块，用于采用抛物方程模型的分步傅里叶算法进行电磁场传播计算，得出不同雷达载频和不同海面大气波导环境中的单程路径损耗空间分布，将雷达到海面和目标高度区间的路径损耗保存下来；

64、聚类模块，用于对雷达到海面的路径损耗衰减曲线进行聚类，并划分为有限的几种类别；

65、优选模块，用于进行雷达工作载频优选：根据中不同海面大气波导环境状态，确定出各工作载频时雷达到目标高度区间的路径损耗空间分布，逐空间位置进行路径损耗排序，以获取路径损耗最小时的最佳载频，并对最佳载频进行空间上统计，选取出最佳的2个匹配频点；

66、选取模块，用于选取海杂波归一化散射截面积模型，代入当前海况环境、雷达工作参数、热噪声电平等参数以正向预测海杂波在不同距离上的回波功率，对比聚类结果以反演得出海杂波衰减类别，并索引对应的系列大气环境，通过综合统计来给出优化的工作载频组合，完成低空多径补盲。

67、本发明主要是通过电波传播理论模型对空间路径损耗进行多载频的仿真分析，在空间中逐点进行排序以获得最小的路径损耗对应工作载频，结合大气波导环境感知模型以实现一种自适应环境匹配探测，从而形成低空多径补盲方法，能够有效地提高低空目标穿越多径盲区时导致的检测概率不稳定问题。采用本方法选取的工作载频进行捷变频探测，不仅能够改善低空目标的信噪比和检测概率，在强大气波导环境中还能够实现目标增程。