基于雷达杂波和GNSS的大气波导反演方法与实验

论文摘要

本文从电磁波的大气波导传播理论出发,围绕雷达杂波和GPS海面散射信号反演大气波导的理论与方法以及验证实验开展了相关研究,其主要研究成果如下:1、系统分析了大气波导的基本结构、形成机理以及大气波导的极限频率和穿透角;利用抛物方程（PE）算法和射线追踪（RT）算法分析了电磁波在大气波导中的传播特性,并将抛物方程算法的计算结果与AREPS软件的计算结果进行对比,结果具有很好的一致性,为雷达杂波和GPS海面散射信号反演大气波导提供理论依据和支持;2、研究了单波段雷达杂波反演大气波导的相关理论,并用实验数据进行了验证,在此基础上,提出了多波段雷达杂波反演大气波导的多目标优化反演算法;以10525和24150MHz的双频雷达杂波为例,首次将基于带精英策略的非支配排序算法的多目标遗传算法（NSGA-Ⅱ）和多目标优化差分进化算法（MODE）引入到多波段雷达杂波反演大气波导技术中,并用单参数的蒸发波导模型和四参数的表面波导模型反演进行仿真分析;3、给出了雷达杂波反演大气波导中的三种目标函数模型,并深入研究了不同天线高度和不同雷达频率时三种目标函数随大气波导参数的变化特性;详细分析了三种目标函数模型情况下不同雷达频率和天线高度对反演结果精度的影响;详细分析了多波段雷达杂波反演大气波导的多目标优化反演算法在抗噪性和提高反演精度方面的优势;4、以抛物方程算法为基础,根据双基地雷达方程和GPS信号的前向散射特性对GPS海面散射信号进行建模,详细分析了GPS海面散射信号在蒸发波导、表面波导和水平不均匀波导情况下的传播特性,从理论上证明了利用GPS海面散射信号反演大气波导的可行性;研制了用于接收和检测GPS海面散射信号的高灵敏度接收机,通过软件后处理的方式实现对GPS海面散射信号的接收,并将接收到的数据与模型仿真结果进行对比分析;5、提出了利用GPS海面散射信号反演大气波导的新概念和新方法,设计了可行有效的验证实验方案,并在我国的东南沿海进行了相关的实验;对实验数据进行了处理和分析,利用实验数据对利用GPS海面散射信号反演蒸发波导的可行性和有效性进行了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 电磁波大气波导传播理论与大气剖面探测方法
• 1.2.2 雷达杂波反演大气波导
• 1.2.3 GNSS-R 技术的国内外研究发展
• 1.2.4 大气波导反演的其它技术
• 1.3 论文结构与主要创新成果
• 1.3.1 论文研究内容和结构安排
• 1.3.2 主要创新成果
• 第二章 大气波导及其电波传播特性
• 2.1 引言
• 2.2 大气波导基本特性
• 2.2.1 大气波导结构与产生机理
• 2.2.2 大气波导的极限频率与穿透角
• 2.3 大气波导传播的抛物方程算法
• 2.3.1 抛物方程模型及其SSFFT 解
• 2.3.2 抛物方程模型的初始场和边界条件
• 2.3.3 仿真算例
• 2.4 大气波导传播的射线追踪算法
• 2.4.1 传统积分模式
• 2.4.2 泰勒级数近似模式
• 2.4.3 仿真算例
• 2.5 本章小结
• 第三章 多波段雷达杂波反演大气波导的理论和方法
• 3.1 引言
• 3.2 雷达海杂波反演大气波导原理
• 3.2.1 雷达杂波的大气波导传播模型
• 3.2.2 大气波导反演理论及反演步骤
• 3.2.3 智能优化算法
• 3.2.4 雷达杂波反演大气波导实验数据分析
• 3.3 多波段雷达杂波反演大气波导理论
• 3.3.1 多波段雷达杂波反演大气波导原理
• 3.3.2 多波段雷达杂波反演大气波导的多目标优化算法
• 3.4 多目标优化反演算法仿真分析
• 3.4.1 蒸发波导反演结果分析
• 3.4.2 表面波导反演结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 雷达杂波反演大气波导精度的影响因素分析
• 4.1 引言
• 4.2 目标函数特性
• 4.2.1 目标函数模型
• 4.2.2 目标函数特性分析
• 4.3 反演精度的影响因素分析
• 4.3.1 分析方法概述
• 4.3.2 雷达频率的影响
• 4.3.3 天线高度的影响
• 4.3.4 影响因素的综合分析
• 4.4 多波段雷达杂波反演算法性能分析
• 4.4.1 误差分析
• 4.4.2 仿真算例
• 4.5 本章小结
• 第五章 GPS 信号的海面散射及其大气波导传播
• 5.1 引言
• 5.2 GPS 信号的海面散射
• 5.3 GPS 海面散射信号的传播模型
• 5.3.1 基于GPS 的双基地雷达方程
• 5.3.2 散射面积计算
• 5.3.3 接收机天线特性
• 5.3.4 基于GPS 的抛物方程算法
• 5.4 GPS 海面散射信号的大气波导传播分析
• 5.4.1 蒸发波导传播分析
• 5.4.2 表面波导传播分析
• 5.4.3 水平不均匀波导传播分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 GPS 海面散射信号的接收与检测
• 6.1 引言
• 6.2 GPS 散射信号接收机设计原理
• 6.3 GPS 信号处理中的信号模型
• 6.3.1 接收信号与本地信号模型
• 6.3.2 捕获过程中的信号模型
• 6.3.3 跟踪过程中的信号模型
• 6.4 GPS 信号的捕获与跟踪
• 6.4.1 GPS 信号的捕获
• 6.4.2 GPS 信号的跟踪
• 6.5 GPS 散射信号处理
• 6.5.1 GPS 散射信号的跟踪
• 6.5.2 GPS 强信号干扰的消除
• 6.6 本章小结
• 第七章 GPS 海面散射信号反演大气波导实验
• 7.1 引言
• 7.2 GPS 海面散射信号反演大气波导理论
• 7.2.1 GPS 海面散射信号反演大气波导原理
• 7.2.2 GPS 海面散射信号反演大气波导流程
• 7.3 GPS 海面散射信号反演大气波导实验方案
• 7.3.1 实验方案设计
• 7.3.2 实验平台
• 7.4 实验数据分析
• 7.4.1 实验概况
• 7.4.2 实验数据预处理
• 7.4.3 GPS 海面散射信号模型分析
• 7.4.4 蒸发波导反演结果分析
• 7.5 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果