蒸发波导RSHMU模型预测性能分析

大气波导能够改变电磁波的正常传播特性,因而得到学界极大关注。当前大气波导研究中所用蒸发波导模型缺乏RSHMU模型的预测性能分析,文中对RSHMU模型的预测方法进行了深入研究。更正了文献中给出的温度剖面稳定度函数表达式,利用正确的剖面稳定度函数,获得了该模型在不同风速以及不同相对湿度条件下的敏感性分析结果。与渤海梯度塔实测数据对比分析表明:该模型预测蒸发波导高度的平均误差为-2.2 m,均方根误差为4.5 m;预测强度的平均误差为1.1 M单位,均方根误差为2.0 M单位。不稳定条件下该模型的高度预测性能优于美国海军研究生院提出的NPS模型,而强度预测性能上二者相当。

基于稀疏采样传播数据和决策树算法的蒸发波导反演

蒸发波导的超视距传播特性是影响海上无线电系统性能的重要因素,准确预测蒸发波导是进行系统评估的基础。文中提出一种基于稀疏采样传播数据和决策树轻量梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine,LightGBM)算法的蒸发波导反演方法。首先,采用抛物方程方法仿真得到稀疏采样传播数据并构建训练集和测试集;其次,使用决策树LightGBM算法搭建反演模型,通过不断调参改进模型的精度以达到较高的反演准确度;最后,调用训练好的LightGBM模型进行蒸发波导反演,并对反演结果的概率分布进行了分析。结果表明,基于稀疏采样传播数据的蒸发波导反演方法能够有效且快速地实现蒸发波导反演,为海上蒸发波导预测提供了一种新途径。

基于深度学习的水平非均匀蒸发波导反演方法研究

水平非均匀蒸发波导是一种异常的大气结构,在海上出现的概率高,对海上低空雷达具有较强的电磁捕获能力.然而,海上低空蒸发波导修正折射率剖面反演过程中由于水平方向剖面参数的非均匀变化,导致在实际的海洋环境中产生较大的反演复杂度和误差.为解决上述问题,首先提出了一维残差扩张因果卷积自编码器(one-dimensional residual dilated causal convolutional autoencoder,1D-RDCAE)网络实现低自由度的非均匀蒸发波导剖面建模,其次提出了多尺度卷积残差网络(multi-scale convolutional attention residual network,MSCA-ResNet)框架来实现水平非均匀蒸发波导剖面反演.为验证建模模型的有效性,在模拟海杂波功率数据集上验证降维模型的有效性,实验结果表明,基于1D-RDCAE比基于主分量分析法、堆栈自动编码器和一维卷积自动编码器降维重构后更接近原始数据,并且在模型训练过程中收敛速度更快.为了验证反演模型的有效性,在模拟的海杂波和实测海杂波数据上进行了测试,结果表明基于仿真海杂波和实测海杂波数据分别可实现蒸发波导高度反演准确率为96.98%和91.25%,优于目前典型的反演方法.本文提出的基于深度学习的水平非均匀蒸发波导反演方法具有模型反演效率高、模型复杂度低、反演误差小的特点,为海上反常传播环境实时高精度认知提供了新技术.

基于大气湍流效应的蒸发波导PJ模型研究

本文基于海洋大气近地层相似理论和一维Kolmogorov谱函数,建立考虑各向同性和各向异性湍流效应的蒸发波导模型,并基于相对误差理论,将数值模拟的大气修正折射率与根据试验采集数据计算得到的修正折射率进行对比分析。研究结果表明:湍流效应对蒸发波导模型的预测结果有影响,且考虑各向异性湍流效应的蒸发波导模型预测精度更高。因此在构建蒸发波导模型时,需要考虑各向异性湍流对大气折射率的扰动影响,才能得到更准确的大气修正折射率廓线。通过引入各向异性大气湍流理论,能够有效提升蒸发波导模型的适用性,为后续反演大气波导提供较好的模型基础。

基于地面气象测量的蒸发波导预测系统设计

为了获取蒸发波导特征参数,考虑到舰船无线电系统的实际环境和架设条件,建立了一种基于地面气象测量的蒸发波导预测系统。首先,在船尾后边的船舷上架设非接触式红外温度传感器测量海表温度。然后,在船尾平台上架设高6 m的高精度气象传感器,获取温度、气压、湿度和风速风向等气象参数。最后,利用蒸发波导预测的P-J模型和海气通量模型预测出蒸发波导高度。实验结果表明:该系统能够达到较高精度预测蒸发波导特征参数的目的,且具有性价比高、布设方便的特点。

基于自适应正则化匹配追踪的蒸发波导数据去噪重构

针对蒸发波导数据压缩感知过程中易受噪声干扰且采用传统重构方法抗噪性能较差的问题,提出了一种基于相似度阈值的自适应正则化匹配追踪去噪方法。该方法可以在信号稀疏度难以获知的情况下,利用自适应思想逐步扩充候选集,同时通过设置相似度阈值来对部分候选原子进行剔除,并结合正则化过程对支撑集原子进行二次筛选,从而较好地约束了噪声分量的重构,提高了信号的重构精度。理论分析和实验表明,所提方法的重构性能优于现有同类重构方法,去噪性能优于小波去噪方法,相同条件下,可获得更高的重构信噪比,有效实现了蒸发波导数据的去噪重构。

一种蒸发波导预测的改进模型

利用大概率的近海面蒸发波导效应实现雷达超视距探测已成为目前岸基、舰船无线电测量系统的关键技术之一。在实际应用中,需要由蒸发波导参数建立大气修正折射率剖面的预测模型。针对目前常用的蒸发波导预测只含波导高度和海面修正折射率两个参数,没有考虑波导强度的影响,使得该模型存在一定的误差的现状,通过在原有模型的基础上增加波导强度的影响,建立了高精度的改进模型,使得蒸发波导预测模型的精度得到了有效提高,进而可进一步提高雷达超视距探测精度。实验验证表明,蒸发波导预测改进模型的精度远远高于常用的模型,且波导强度越强,则改正模型的精度越高。

一种基于卷积神经网络的蒸发波导反演方法

海上蒸发波导的准确反演对提升海上雷达系统的性能有重要的意义。为了提高海洋蒸发波导的反演精度,提出一种基于卷积神经网络的蒸发波导反演模型。构建蒸发波导两参数折射率模型,采用抛物方程方法模拟雷达海杂波传播功率-蒸发波导仿真数据库,使用卷积神经网络模型中的卷积层对海杂波传播功率的特征进行提取与融合,将提取的特征通过全连接层映射到波导参数上,建立了相应的蒸发波导反演模型,反演海洋蒸发波导。仿真结果表明,与其他算法相比,所提算法的反演精度为98%,具有更高的准确性和稳定性。

蒸发波导解析MGB模型适应性研究

介绍了由法国学者提出的解析MGB蒸发波导模型的基本原理。通过计算机仿真分析了气温、海温、相对湿度、风速以及气压对解析MGB蒸发波导模型计算的蒸发波导高度结果的影响。同时从蒸发波导高度的角度,利用近年来海上试验中采集的实测蒸发波导高度数据和参考高度处的气象信息,研究了解析MGB模型在试验海域的适应性。结果显示解析MGB模型在接近中性层结的条件下预报结果较好。

蒸发波导环境中微波传播敏感性分析

海洋蒸发波导是微波通信的优良天然信道,但微波信号在波导中传播时容易受气海环境因素变化的影响。本文采用扩展傅里叶幅度敏感性分析法(Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test,EFAST),分析了蒸发波导环境中微波传播路径损失对空气温度、海表温度、近海面风和相对湿度等气海环境因素变化的敏感性特点。敏感性分析结果呈现一种频率相关的频散特性,而信号极化方式影响较小。这4种环境因素中,相对湿度对路径损失的整体影响最大;在传播距离较近且高度较高的范围内近海面风速对传播的影响占据主导;空气温度和海表温度的敏感性大致相当;风速的影响是4种环境因素中最为复杂的,这也是在实际分析中需要额外重视的。本文对蒸发波导环境参数的敏感性分析结果对现场波导观测试验具有重要的参考意义,对敏感度高的环境参数可以考虑优先进行高时空分辨率观测。此外,在运用中尺度数值天气预报模式进行蒸发波导预报时,优先发展与敏感度高的气海参数有关的物理过程参数化方案,可以节约计算时间和资源。

基于中尺度模式MM5下的海洋蒸发波导预报研究

蒸发波导是发生在海气边界层的一种异常折射现象,由于其分布范围广、发生概率大,被认为是对海上电子设备影响最为显著的波导类型,成为各国海军竞相研究的焦点。然而由于其形成机制复杂,且在近岸沿海地区由于海陆分布不均,以及海岸地形和海陆风等因素的作用,会造成蒸发波导的近岸效应,这种效应会影响蒸发波导高度诊断的准确率。目前国内外蒸发波导诊断模式有P-J模式、MGB模式、NPS模式、Babin模式等,但其基本原理都是依赖Monin-Obukhov相似理论,只是用于确定近地层通量和特征尺度的方法不同,且仅适用于定常和水平均匀的开阔海域,并没有考虑到蒸发波导的近岸效应。针对这一问题,文中在Babin模式的基础上引入张强、胡隐樵的通量廓线关系(非线性修正因子αv)与阵性风速wg,从而将蒸发波导诊断模式的适用范围扩展到近岸沿海地区和甚低风速条件下。此外在中尺度模式MM5的基础上,耦合改进的Babin模式,发展建立了一个海洋蒸发波导高度预报模式,并对预报模式进行数值模拟,利用2002年5月25—26日福建平潭岛的海上大气实测数据与雷达探测结果对预报模式输出结果进行了验证。验证结果表明:在0—48小时内模式输出值与实测值拟和较好且变化规律一致,预报蒸发波导高度平均误差为0.193;且蒸发波导高度预报结果与雷达实际探测结果一致。

改进的蒸发波导RSHMU模型及预测性能分析

针对稳定条件下蒸发波导RSHMU模型过于敏感不便使用的问题,引入BH91关系式、CB05关系式和SHEBA07关系式给出了相关的改进方法,并对不同风速以及不同相对湿度的敏感性进行了分析.结果发现引入稳定条件下的剖面稳定度函数对蒸发波导高度诊断的敏感性改善不大.进一步地,借鉴Paulus给出的订正方法,给出了P-RSHMU蒸发波导模型改进预测方法,有效解决了已有模型稳定条件下的不合理诊断结果.与渤海梯度塔实测数据对比分析表明:稳定条件下P-RSHMU蒸发波导模型预测蒸发波导高度的平均误差为-1.02 m,均方根误差为1.49 m,显著优于已有RSHMU模型.

亚丁湾蒸发波导季节变化对电波传播的影响

为满足亚丁湾海域电磁辐射源使用效能分析的需求,本文使用船测数据检验了ERA-Interim数据集在亚丁湾海域的适用性,并基于该再分析数据集通过使用PJ蒸发波导模型得到亚丁湾蒸发波导季节变化结果。利用最低陷获频率经验公式获得了该海域形成波导传播所需的最低陷获频率的季节变化规律,同时使用抛物方程模型对不同架设高度的多种频段电磁辐射源在亚丁湾四季典型路径上的电磁波传播损耗分布进行了仿真。研究结果表明:亚丁湾蒸发波导季节性变化特征显著,夏季蒸发波导高度最高,秋季湾内外非均匀性最强;夏季亚丁湾海域最低陷获频率最低,秋季湾内外最低陷获频率差别最大; L频段电磁波在各个季节研究路径上的电磁波传播损耗整体分布基本一致,夏季的传播损耗略低于其他三季。在夏季研究路径上,S频段电磁波会在天线架设高度以下的区域内有低传播损耗的分布。C和X频段电磁波则在各个季节均会出现天线架设高度以下的低传播损耗区域。

蒸发波导迭代MGB模型适用性研究

对欧洲广泛使用的蒸发波导迭代(Musson-Genon Gauthier and Bruth,MGB)模型进行了研究,在介绍其基本原理的基础上,利用采集的实测数据得到了两种MGB迭代模式在中国海区的适用性结果.数据显示:以蒸发波导高度作为判别标准,MGB1迭代模式在试验海区预测的蒸发波导高度结果要好于MGB2迭代模式,同时也比解析MGB模式计算的波导高度结果更接近于实测值.

PJ蒸发波导模型在沿海岸应用的分析研究

PJ蒸发波导模型根据气象数据和海表温度预测蒸发波导高度及其修正折射率的垂直分布,目前对该模型预测可靠性的验证多数使用开阔海洋的气象数据,而较少使用沿海岸的气象数据。在介绍了PJ蒸发波导模型基本理论方法的基础上,利用实测的沿海岸气象数据和海上微波超视距传播实验中的传播损失观测值分析了PJ蒸发波导模型在沿海岸的适用性。结果表明,PJ蒸发波导模型使用沿海岸表面层气象数据计算出的波导高度高于实测波导高度,当实际的波导高度很低时,模型计算出的波导高度与实测高度相差很大,并且模型对海表温度的测量误差很敏感。

用伪折射率和相似理论计算海上蒸发波导剖面

本文说明了以伪折射率为相似参量用相似理论估算蒸发波导高度的理论方法 .由于海面附近折射率梯度变化可近似认为与气压无关 ,所以定义了伪折射率 ,推导了其相似公式 ,得到了蒸发波导高度满足的方程和一般文献都未给出的M剖面计算公式 .本文给出了本方法的计算机模拟典型结果、利用实测海洋资料计算的蒸发波导高度等参数的统计结果蒸发波导剖面以及海上折射率测量结果和本方法预测结果的对比结果等 ,这些结果表明本文给出的方法是有效的 .

基于海气通量算法的海上蒸发波导诊断模型

蒸发波导是海上普遍存在的海洋天气现象,也是导致海上电磁波异常传播的重要因素,严重影响了海上雷达、通信及电子设备的有效应用。而TOGA COARE(海洋-大气耦合响应试验)通量算法为蒸发波导的精确诊断提供了条件,因此,该文建立了基于海气通量算法的海上蒸发波导诊断模型,并利用福建海域铁塔观测资料以及海上雷达探测试验数据与美国业务运转的Paulus-Jeske诊断模型对比,结果表明:通量蒸发波导诊断模型的各项对比结果均优于Paulus-Jeske模型。

蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用

蒸发波导是海洋大气环境中一种典型的异常大气折射结构。它能够部分地陷获电磁波的传播,从而改变电磁波的传播特征。这种特性在雷达、通信、电子对抗等设备的使用方面具有广泛的应用。该文主要利用电磁波传播的抛物型数值方程和裂步傅里叶算法,通过仿真方法研究了蒸发波导环境下电磁波所具有的异常传播特征,并利用2003年8月大连海域的雷达异常探测试验作为应用实例,说明了蒸发波导对电磁波异常传播以及对雷达异常性能的影响。

海上蒸发波导PJ模型在我国海区的适应性初步研究

本文简述了海上蒸发波导的测量方法,分析了气象水文参数测量误差对Paulus-Jesk(PJ)模型的影响,利用近两年海上实验采集的我国部分海区在各种气象条件下蒸发波导大气折射率剖面和海面气象水文数据,研究了PJ模型的适用条件,以及PJ模型估计出的蒸发波导高度与实测结果的偏差情况,可为蒸发波导模型的修正和蒸发波导条件下雷达最大探测距离的预测提供参考.

基于非迭代海-气通量算法的蒸发波导预测模型研究

蒸发波导易发生在海洋等水体之上.为了深入研究蒸发波导预测模型的诊断预报技术,本研究依据目前最新的非迭代海-气通量算法,建立了非迭代通量算法蒸发波导预测模型-NEW模型,进而对新模型进行了敏感性试验,且用我国近海试验数据进行了检验.最后将NEW模型与目前使用广泛、效果较好的4种蒸发波导模型(即P-J模型、Babin模型、NPS模型和伪折射率模型)进行了对比分析,得到了不同模型蒸发波导高度随气象海洋要素变化的规律,结果表明非迭代通量算法模型与传统模型对不同海洋气象要素的敏感性响应是一致的.不稳定层结条件下NEW模型对蒸发波导的诊断结果接近于Babin模型和NPS模型,而稳定条件下略高于NPS模型.试验表明NEW模型可以有效地诊断预报蒸发波导.本研究系统阐述了非迭代通量算法模型的建立和适用情况,为蒸发波导预测诊断算法的更新和模型发展提出了新的思路.