[發明專利]一種基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法

有效

• 申請號: 202010375758.9
• 申請日: 2020-05-07
• 公開（公告）號: CN111537987B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 王俊逸;樂新安;趙必強;丁鋒;萬衛星
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: G01S13/10
• 分類號: G01S13/10;G01S13/88;G01S7/288;G06N3/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

1.一種基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，根據非相干散射雷達探測得到電離層散射信號的自相關函數和信號的調制與濾波，對電離層多參量反演系統進行積分離散化，完成系統建模并確定適應度評價函數；

第二步，將電離層多參量反演系統中的目標電離層參量作為元素組成電離層的參量樣本向量，根據遺傳算法設定的樣本個數，產生表示電離層特征的參量樣本初始集合，并根據適應度評價完成父代篩選；最后，通過對父代電離層參量樣本集合的交叉和變異，循環計算出適應度最高的電離層參數樣本，得到電離層多個參量的最終反演結果。

2.根據權利要求1所述基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法，其特征在于：所述第一步具體實現如下：

(1)根據非相干散射雷達的探測原理，當調制信號由電離層散射后被接收，經濾波處理獲得的雷達信號的表達式為：

其中，p(t)為信號接收機的濾波器包絡，為接收信號，env(t)為調制信號包絡，e(t,d³r)是在t時刻r處單位體積內電子的隨機散射信號，r是探測目標距雷達的距離，s(r)是信號從發射到接收的傳播時間；則非相干散射雷達探測得到的電離層散射信號自相關函數為：

其中，是與雷達硬件和幾何相關的參量，R為接收機阻抗，為單個電子散射截面，χ為極化角，P_t為發射功率，G₀(r),G₁(r)為r處的發射和接收天線增益，R₀,R₁為探測目標到發射和接收天線的距離，λ為雷達波長；σ(ω,r,a)是電離層等離子體散射功率譜；稱為譜距離模糊函數，它是通過對時延距離模糊函數進行傅里葉變換計算獲得，時延距離模糊函數的計算式為：

其中，W_t^A(μ,s(r))＝p(t-μ)env(μ-s(r))為距離幅度模糊函數，其不同采樣時間的傅里葉變換乘積等于譜距離模糊函數；

(2)記譜模糊函數W_t,t'(ω)＝∫_rd³rW_t,t'(ω,s(r))，帶入式(2)中并將頻率積分按積分區間做n段分割，積分值近似等于被劃分出的n個以每段內函數值為長，區間段為寬的矩形面積之和，得到式(2)積分離散化后的表達式為：

令Y_i＝z(t)z^*(t')表示接收信號的自相關函數，t'＝t+iΔt,i＝1,2,...,m，Δt為單位時延，m為信號自相關函數的總時延個數，H_ij＝P_0i×W_t,t+iΔt(ω_j)表示由雷達系數和譜模糊函數計算得到的系統矩陣，S(a)_j＝σ(ω_j,a),j＝1,2,...,n表示某一距離門的等離子體散射功率譜，ω為譜的頻率坐標，n為譜的頻點個數，a＝[Ne,Ti,Te,V]為由電離層的參量組成的矢量，Ne為電子密度、Ti為離子溫度、Te為電子溫度、V為等離子體漂移速度，這四個參量為反演的目標參量；等離子體散射功率譜由電離層的狀態決定，一組電離層參量值計算得到對應的等離子體散射理論譜，具體計算公式如下：

其中，常值物理量λ_D＝0.0037798為電子德拜長度，k為雷達波矢，它由雷達探測性能決定；P_i表示離子成分比例，coll_in為等離子體碰撞頻率，它們是根據電離層不同高度的情況由理論模型給出；另外自行設定用于輔助計算的常值系數為T₀,N₀,m₀,κ＝1.380658×10^-23J/K為波爾茲曼常數；由此，得到非相干散射雷達的電離層多參量反演系統模型為：

Y_m＝H_m×nS(a)_n (6)

該系統通過探測得到的信號自相關函數反演電離層的參量，目標參量包括電子密度、離子溫度、電子溫度和等離子體漂移速度；

(3)上述反演過程是一個非線性的最優化問題，根據貝葉斯定理和高斯概率分布假設，將自相關函數的殘差最小作為該最優化問題的目標，把它作為電離層參數樣本的適應度評價函數，適應度評價函數值越小表示該電離層參數樣本的適應度越高，適應度評價函數的計算式為：

F(a)＝∑(Y-HS(a))² (7)。

3.根據權利要求1所述基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法，其特征在于：所述第二步，采用遺傳算法(GA)對電離層多參量反演系統模型進行求解，該方法不需輸入各個反演的電離層目標參量的初值，而是通過并行計算隨機搜索電離層參量的最優解，具體實現如下：

(1)首先，把一個電離層參量作為一個元素依次排列組成一個電離層的參量樣本向量，根據設定的樣本個數n_p和電離層參量的取值限制：[min,max]_4×1，表示電離層多參量反演系統中的四個目標電離層參量，即電子密度、離子溫度、電子溫度和漂移速度的取值上下限，計算代表電離層參量信息的樣本集合初值并根據適應度評價函數計算各組電離層參量樣本的適應度值，即觀測的信號自相關函數和理論求得的信號自相關函數間的殘差和；

(2)根據設定的優秀電離層參量樣本保留個數n_gr和交叉樣本比例p_cr，分別計算交叉和變異樣本的個數：

其中，n_cr為交叉產生電離層參量新樣本的個數，n_ch為變異產生電離層參量新樣本個數；從攜帶電離層參量信息的初始樣本中挑選出用于產生交叉和變異子代的父代樣本，其個數為：

n_f＝2×n_cr+n_ch (9)

最后，采用對賭的方法從按適應度函數值排序的電離層參量樣本中產生父代，具體的計算如下：

其中，p₀為電離層參數樣本的適應度概率，p_F為電離層參數樣本適應度概率的累加值，p_c為選擇父代電離層參數樣本的適應度概率，rand為范圍在[0,1]產生的隨機數；

(3)通過對父代電離層參數樣本的交叉和變異計算來獲得新的電離層參量信息，其中交叉計算是對篩選出的父代電離層參量樣本，隨機選擇某個電離層參量，然后對兩個樣本的該電離層參量值進行互換，而變異計算則是通過在原有父代中隨機選定一個要變異的電離層參量，對其值進行改變，來更新原來樣本中帶有的電離層信息，最終得到該次遺傳產生的子代電離層參量樣本集合，通過設定的遺傳結束約束決定新的電離層參量樣本是否繼續進行遺傳，若不符合遺傳結束條件則進入下一子代遺傳的循環，直到遺傳結束搜索得到電離層參量樣本集合中適應度最佳的樣本，其中各參量的值即為電離層各個參量的反演結果。