[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

本發明涉及一種基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法，根據非相干散射雷達探測得到的電離層散射信號自相關函數，結合信號的調制與濾波包絡，對系統進行積分離散化，完成電離層多參量反演系統建模，確定適應度評價函數；將一個電離層參量作為一個元素，依次排列組成一個電離層參量樣本，根據遺傳算法設定的樣本個數，產生電離層參量樣本的初始集合，并根據適應度評價完成父代篩選；通過對父代電離層參量樣本集合的交叉和變異計算，循環得到適應度最好的電離層參量樣本即為最終電離層各個目標參量的反演結果。本發明具有結果準確且可靠性高，輸入信息少、魯棒性好等優點，可用于非相干散射雷達系統的數據處理、空間物理和空間天氣研究等。

技術領域

本發明涉及一種基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法，可用于非相干散射雷達系統的數據處理，進行如電離層多參量監測、空間天氣研究等。

背景技術

電離層是地表以上60km到1000km的部分電離等離子體區域，它上接磁層、下連大氣，是日地空間的重要組成。電離層通過各種能量過程與上下圈層緊密耦合在一起，磁層乃至太陽表面的各種能量爆發過程都能在電離層里有所響應，因此它被稱作空間天氣的顯示屏。同時由于電離層對電波傳播的影響，它也是與人類活動關系最為密切的關鍵層，對電離層狀態的時空連續探測對空間天氣研究、衛星導航與定位、無線電通訊等都具有重要意義。

地基非相干散射雷達作為現今最先進的電離層探測設備，可以實現電離層多參量同時探測，且兼具高度范圍覆蓋大、分辨率高等優點，在電離層探測中占有主導地位。而要實現基于非相干散射雷達測量的電離層多參量探測，其數據反演方法是實現這一功能的技術核心之一。傳統的最小二乘法需要其他來源的參量初始信息輸入，同時要對非線性系統進行一階馬爾科夫近似，容易引入誤差影響反演精度。遺傳算法(genetic algorithm,GA)是一種效仿生物界“適者生存”演化法則的進化算法，它通過隱含并行性和全局搜索最優解的能力解決了傳統方法的局限性，被廣泛應用于最優化問題的求解中。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對非相干散射雷達的數據反演問題，克服現有技術的不足，提供一種基于遺傳算法的非相干散射雷達數據反演方法，解決了利用非相干散射雷達數據進行電離層多參量反演的問題，獲得魯棒性和可靠性高的電離層參量結果。

本發明的技術解決方案為：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：

首先，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，已知信號的調制和濾波方法，對電離層多參量反演系統進行積分離散化，完成系統建模，確定適應度評價函數；其次，將電離層的多個參量作為元素排列成一個電離層參量樣本向量，根據遺傳算法設定的樣本個數，產生電離層參量樣本的初始集合，并由適應度評估完成父代篩選；最后，通過對電離層參量樣本集合的交叉和變異計算，循環篩選出適應度高的電離層參量樣本，得到電離層多個參量的反演結果。具體步驟如下：

第一步，構建系統模型和適應度評價函數：

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)為調制信號的包絡，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：