[發明專利]一種高精度預測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法

有效

• 申請號: 201710018503.5
• 申請日: 2017-01-10
• 公開（公告）號: CN106874549B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 席曉莉;王丹丹;張金生;蒲玉蓉;李征委
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/14
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 成丹

1.一種高精度預測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1：對實測羅蘭-C時域電流時域信號i(t)進行采樣，采樣后得到信號i(n)，其中，n＝0,1,2,…,N_t，將采樣后的信號作離散傅里葉變換，分解為多個頻率電流分量I(m)，其中，m＝0,1,2,…,N_f；得到電流分量I(m)具體為：

對采樣后的信號i(n)作離散傅里葉變換，公式為：

其中，N_t和Δt分別為離散時域電流信號的樣本長度和采樣步長，N_f和Δf分別為離散頻域電流信號的樣本長度和采樣步長，記I_max為I(m)的最大值，f_max和f_min為頻率上下邊界且均對應于0.1I_max處的頻率，為了簡便，記f(m)＝f_min+mΔf，且有f(m)≤f_max；

步驟2：當m＝0時，利用平地面公式計算頻率f(m)對應的電流分量I(m)在近區產生的磁場分布近區即區域I，ρ≤ρ₀；具體為：

設時諧因子為e^jωt，采用二維柱坐標系(ρ,z)，其中ρ和z分別表示為距離和高度坐標，根據實際發射天線尺寸，通過測量得到垂直電偶極子的電荷間距dl，放置在距離地面高度為d的位置，利用平地面公式計算近區即ρ≤ρ₀頻率為f(m)的電流分量所產生的輻射地波磁場采用如下公式計算：

其中，ρ₀為近區與遠區的分界處，k₀和k₁分別對應頻率為f(m)真空和地面的波數，r₁表示從源點到觀測點的直線距離，r₀表示從源的鏡像點到觀測點的直線距離，P為中間參量為：

F(P)是Fresnel積分，其定義為：

步驟3：以步驟2計算的近區最大處即近遠區邊界ρ＝ρ₀處的磁場作為遠區的激勵源，遠區即區域II，ρ≥ρ₀，用非均勻網格剖分的離散分布拋物方程方法用于求解遠區的磁場分布具體為：

首先將近遠場邊界處的磁場作為遠區的激勵源，即

定義沿ρ軸正方向傳播的波函數為：

離散分布拋物方程方法的求解過程為步進迭代算法：

其中，和為離散混合傅里葉變換對，為大氣折射率，Δρ為ρ方向的網格大小，對于實際的復雜地形，Δρ為非均勻網格，在均勻平地面Δρ為大網格，在起伏地形處，Δρ取小網格；

由步驟2計算可得到頻率為f(m)的電流分量在近遠區邊界產生的磁場將其代入式(4)和(5)中求得u(m,ρ₀,z)，通過式(6)求出每一步進處的u(m,ρ,z)，從而進一步確定該頻率成分電流分量在遠區輻射的磁場

步驟4：通過步驟2和步驟3可得到頻率為f(m)的電流分量I(m)在地面接收點輻射的磁場強度；更新步驟2和步驟3中的m，對其賦值為m＝m+1，當f(m)≤f_max時，重復步驟2和步驟3即可求得羅蘭-C帶寬中每個頻率處電流分量I(m)在地面接收點輻射的磁場強度具體為：

步驟2和步驟3可得到頻率為f(m)的電流分量I(m)在整個計算區域產生的磁場強度包含區域I和區域II產生的磁場和為了求解地面ASF分布，提取地面接收點z_x＝T(x)輻射的磁場強度其中T(x)是地形高度；

更新步驟2和步驟3中的m，對其賦值為m＝m+1，當f(m)≤f_max時，重復步驟2和步驟3求得羅蘭-C帶寬中每個頻率處電流分量在地表面的磁場強度

步驟5：基于滑動窗的思想，對步驟4中計算的磁場分布，采用離散傅里葉逆變換求解地表任意距離處接收到的時域羅蘭-C信號和滑動時間t_window(ρ)，并提取ASF(ρ)分布；具體為：

定義滑動窗IDFT：

其中，N_w是滑動窗的網格數且N_w＝4T/dt，T為載波周期，4T既表示羅蘭-C信號的前四載波周期，也表示滑動窗的持續時間，t_window(ρ)表示每一距離窗口的滑動時間；

下面給出ASF(ρ)提取公式：

ASF(ρ)＝T_AT-T_AT0 (8)

其中

T_AT(ρ)＝t_window(ρ)+3T (9)

T_AT0(ρ)＝t_window0(ρ)+3T (10)

t_window(ρ)和t_window0(ρ)分別表示實際路徑和純海水路徑的滑動時間，T_AT(ρ)和T_AT0(ρ)分別表示實際路徑和純海水路徑的信號跟蹤點的到達時刻；

結合式(8)、(9)和(10)求出地表的ASF(ρ)分布；

t_window(ρ)具體為：

地波的傳播速度小于光速C，所以在應用滑動窗的時候，要隨時監測相位跟蹤點在窗中的位置N_s有沒有發生變化，已知初始時刻相位跟蹤點的位置為3N_w/4，開始窗口以光速滑動，每當窗口滑動一次，就需要對此刻相位跟蹤點的位置N_s進行校對，當N_s等于3N_w/4，窗口不動且將ρ賦值為ρ+Δρ，否則，向后滑動N_s-3N_w/4個時間網格并且將ρ保持不變，校正后的t_window(ρ)可用公式表示為：

通過步驟4已求出各個頻率成分電流分量在地面產生的磁場的將代入式(7)；結合式(11)，即可求出地表任意距離處接收到的t_window(ρ)。