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海洋大气波导电磁传播模型及波导参数反演算法研究

作　者: 孟书生
导　师: 王剑
学　校: 中国海洋大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 大气波导陷获作用粒子群优化算法
分类号: TN011
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

海洋大气波导具有强烈的时空分布,根据Patterson统计,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,而蒸发汽波导的出现概率要比表面波导更高。利用海战场的大气波导时空分布参数,显著提高舰载雷达远程探测的实际效能,提升舰艇远程打击能力,对舰艇作战辅助决策具有重要意义。常规监测手段难以连续获取大范围的大气波导参数。利用雷达海杂波反演大气波导参数是近年来快速发展的一项新技术,采用该技术可以由海杂波功率信息实时、连续地反演大气波导参数,诊断当前海区是否存在大气波导。如果存在则可以进一步反演出大气波导的高度、强度、厚度等参数,以及这些参数随雷达作用距离的分布情况。首先,本文介绍了大气折射的类型和条件、海洋大气波导产生的原因和分类,阐述了大气波导对雷达波传播的影响。接着,我们介绍了电磁波传播的三种模型理论：利用射线追踪技术分别仿真了标准大气环境下和蒸发波导环境下的电磁传播损耗,指出该仿真过程基本上可以确定电磁波的传播轨迹,初步确定在海洋大气层结下是否会出现波导传播以及出现的位置。介绍了抛物型方程原理,探讨了其初始场与边界条件问题,并利用分步傅立叶变换的方法给出了抛物型方程的数值解。给出了海洋大气环境下电磁传播损耗模式,并利用其计算了电磁波单程传播损耗随距离和高度的变化情况。介绍了波导模态理论,指出波导模态理论的优缺点。最后,我们论述了海洋大气波导参数反演方法,给出了粒子群优化算法的流程图；引入五参数大气波导模型,并利用雷达图像1350方位上的离散化杂波功率数据与运用抛物方程模型理论计算的海杂波构造了目标函数,根据试验采集的海杂波数据和探空仪数据,结合粒子群优化算法反演了五参数波导模型的波导参数。作为大气波导的重要组成部分,蒸发波导是海洋大气中特有的一种波导形式。蒸发波导高度是蒸发波导重要的参数之一,是表征波导强度的重要物理量,也是确定蒸发波导对电子设备影响的一个重要参量。反演的蒸发波导高度为13.4m,而理论的高度为12.5m,相对误差为7.2%,可以看出反演结果和实测值比较吻合,能够反映出沿海面上方大气折射率剖面随高度的变化情况。分析表明：产生这些误差的原因是多方面的,如试验场地的选取、近岸非线性非均匀性因素的影响等等。相信通过强化船基试验,采集更丰富的试验数据,一定能获得非常满意的结果。总之,本论文实现了运用粒子群优化算法反演大气波导参数,证明了该算法的科学性和可行性,为进一步研制出适应多种雷达且能反演大范围大气波导参数的探测设备提供算法依据。

全文目录

中文部分  11-63
  摘要  5-7
  Abstract  7-9
  目录  9-11
  1 前言  11-15
    1.1 引言  11-12
    1.2 国内外研究状况及趋势  12-13
    1.3 本文的主要研究内容  13-15
  2 海洋大气波导的形成  15-22
    2.1 大气折射的基本类型及其存在条件  15-17
    2.2 海洋大气波导的分类及其形成原因  17-18
      2.2.1 表面波导  17-18
      2.2.2 抬升波导  18
      2.2.3 蒸发波导  18
    2.3 大气波导传播的极限频率和极限发射仰角  18-21
    2.4 大气波导对电磁波传播的影响  21-22
  3 大气波导中电磁波传播的模型理论  22-36
    3.1 射线追踪技术  22-26
    3.2 抛物型方程  26-34
      3.2.1 抛物型方程原理  27-28
      3.2.2 初始场问题  28-29
      3.2.3 边界条件  29-31
      3.2.4 抛物型方程数值求解  31-32
      3.2.5 海洋大气波导环境下电磁波的传播损耗模式  32-34
    3.3 波导模态理论  34-36
  4 基于雷达海杂波的波导参数反演算法  36-46
    4.1 波导参数反演概述  36
    4.2 粒子群优化算法  36-38
      4.2.1 基本粒子群优化算法  36-37
      4.2.2 粒子群优化算法数学表述  37-38
      4.2.3 算法流程  38
    4.3 海杂波模型  38-42
      4.3.1 海杂波后向散射经验模型  38-42
      4.3.2 海杂波后向散射特性  42
    4.4 波导参数反演原理  42-46
      4.4.1 波导模型的建立  43-44
      4.4.2 海杂波功率的理论计算  44-45
      4.4.3 目标函数  45-46
  5 试验及结果分析  46-55
    5.1 试验场地与设施  46-47
    5.2 试验主要仪器及参数  47-49
    5.3 试验过程  49-51
    5.4 试验结果与分析  51-55
  6 展望  55-56
  参考文献  56-60
  致谢  60-61
  个人简历  61
  攻读学位期间的主要成果  61-63
英文部分  63-130
  Abstract  63-65
  Contents  65-67
  1 Preface  67-72
    1.1 Introduction  67-68
    1.2 The research status and trend of domestic and foreign  68-70
    1.3 The main research contents of the thesis  70-72
  2 The formation of marine atmospheric duct  72-82
    2.1 The fundamental types of atmospheric refraction and their existence conditions  72-75
    2.2 The classification of marine atmospheric duct and its reasons  75-76
      2.2.1 Surface duct  75-76
      2.2.2 Elevated duct  76
      2.2.3 Evaporation duct  76
    2.3 The limited frequency and the limited launching elevation angle of atmospheric duct propagation  76-81
    2.4 The influence of atmospheric duct on the propagation of electromagnetic wave  81-82
  3 Electromagnetic wave propagation model theory of atmospheric duct  82-100
    3.1 Ray tracing technology  82-88
    3.2 Parabolic equation  88-98
      3.2.1 The principle of Parabolic Equation  89-90
      3.2.2 The problem of initial field  90-92
      3.2.3 Boundary conditions  92-94
      3.2.4 Numerical Solution of Parabolic Equations  94-95
      3.2.5 The propagation loss mode of electromagnetic wave under the marine atmospheric duct environment  95-98
    3.3 The theory of duct modal  98-100
  4 The inversion algorithm of duct parameters based on Radar SeaClutter  100-113
    4.1 The overview of duct parameters inversion  100-101
    4.2 The outline of Particle Swarm Optimization Algorithm  101-103
      4.2.1 The basic Particle Swarm Optimization Algorithm  101-102
      4.2.2 The mathematical expression of Particle Swarm Optimization  102-103
      4.2.3 The algorithm flow chart  103
    4.3 Sea clutter model  103-108
      4.3.1 The baekscatter experience model of sea clutter  103-107
      4.3.2 The backscatter of sea clutter  107-108
    4.4 The inversion principle of duct parameters  108-113
      4.4.1 The establishment of the duct model  109-111
      4.4.2 The theoretical calculation of radar sea clutter  111
      4.4.3 Objective function  111-113
  5 The test result and analysis  113-123
    5.1 The test venues and facilities  113-114
    5.2 The main test equipment and its parameters  114-116
    5.3 The test procedure  116-118
    5.4 Test results and analysis  118-123
  6 Prospects  123-124
  References  124-129
  Acknowledgements  129-130
  Resume  130
  The main achievements during the degree  130

海洋大气波导电磁传播模型及波导参数反演算法研究

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