[發(fā)明專利]一種基于DNN的大氣波導(dǎo)參數(shù)估計方法

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• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112560342A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣伊琳;姚欣;趙忠凱;陳濤;郭立民;劉魯濤;肖易寒;禹永植
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/04
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于DNN的大氣波導(dǎo)參數(shù)估計方法，利用DNN網(wǎng)絡(luò)提取大氣波導(dǎo)中信號的衰減特征，將參數(shù)估計問題轉(zhuǎn)化為DNN網(wǎng)絡(luò)特征提取問題，找出不同距離上的無線電波信號衰減和大氣波導(dǎo)參數(shù)之間的映射關(guān)系。建立X波段信號在大氣波導(dǎo)中的傳播模型，將在不同距離下的功率采樣點作為輸入，通過稀疏頻點的無線電波信號進(jìn)行大氣波導(dǎo)參數(shù)估計，從而達(dá)到連續(xù)頻率的大氣波導(dǎo)參數(shù)估計。本發(fā)明可以解決數(shù)值計算的精度低且耗時長的缺點，在較遠(yuǎn)距離處也可以去的準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，更進(jìn)一步地，可以利用稀疏點頻率訓(xùn)練而獲得連續(xù)頻率估計的結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氣波導(dǎo)參數(shù)估計方法，特別是一種基于DNN的大氣波導(dǎo)參數(shù)估計方法，屬于信號處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

大氣波導(dǎo)是近地大氣環(huán)境中的典型事件。它們代表大氣的異常狀態(tài)。波導(dǎo)將電磁波捕獲在特定的大氣層中，并在超視距距離內(nèi)傳輸波，且傳播損耗低，這大大增強(qiáng)了無線電波的傳播距離。它還會在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中造成長途同頻干擾，這會嚴(yán)重影響城市的通信系統(tǒng)。

基于數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)也能夠得到大氣波導(dǎo)預(yù)報信息，該技術(shù)受數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)發(fā)展的制約，尚處于起步階段。大氣波導(dǎo)的探測又可分為接觸式測量和遙感反演兩種，前者是傳統(tǒng)的大氣波導(dǎo)探測技術(shù)，包括微波折射率儀測量、氣象探空、火箭探空等；后者遙感反演大氣波導(dǎo)是近年來研究的熱點和難點，先后提出了雷達(dá)海雜波反演大氣波導(dǎo)、GNSS散射信號監(jiān)測反演大氣波導(dǎo)、激光雷達(dá)和微波輻射計探測大氣波導(dǎo)等技術(shù)。

近年來，隨著在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域不斷的探索和研究，已經(jīng)在語音識別、圖像識別、自然語言領(lǐng)域取得比較大的成功。可以將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于小樣本大氣波導(dǎo)參數(shù)估計，代替原有的探測技術(shù)，所以如何通過深度學(xué)習(xí)來提高精度優(yōu)化算法，是一個需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于DNN的大氣波導(dǎo)參數(shù)估計方法，解決目前大氣波導(dǎo)參數(shù)估計傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型操作難度大、流程復(fù)雜等問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于DNN的大氣波導(dǎo)參數(shù)估計方法，包括以下步驟：

步驟1：電磁波傳播損耗模型采用窄角拋物線方程進(jìn)行建模，具體為：

其中，設(shè)沿電磁波水平傳播方向為x軸，豎直方向為z軸，n(x,z)為折射指數(shù)，k₀表示真空中的傳播常數(shù)，u(x,z)滿足：Ψ(x,z)代表電場分量或者磁場分量；

計算電磁波在波導(dǎo)中的傳播損耗L，具體為：

L＝L_f-L_A＝32.45+20lg f+20lg r-20lg F

其中，L_f為電磁波自由空間傳播損耗，L_A為媒質(zhì)傳播損耗，r表示發(fā)射源和接收點之間的距離，F(xiàn)為波導(dǎo)中的傳播因子，f表示頻率；

步驟2：建立網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集，在選定的水平范圍內(nèi)，每隔設(shè)定距離選取一個點采樣得到電磁波功率并根據(jù)步驟1計算相對于發(fā)射點的傳播損耗值，組成一組傳播損耗序列值作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，天線信號選擇單載頻正弦信號s(t)，具體為：

s(t)＝sin(2πf_i)

其中，f_i為信號的頻率，在訓(xùn)練集選取的頻段范圍內(nèi)，按頻段劃分成多個小訓(xùn)練集，設(shè)置每個小訓(xùn)練集的信號頻率相同大氣波導(dǎo)高度，在大氣波導(dǎo)高度范圍內(nèi)每隔給定高度選取一個點仿真得到多組數(shù)據(jù)，設(shè)定天線和接收機(jī)高度；

步驟3：構(gòu)建DNN支路，定義DNN的層和參數(shù)，具體為：DNN共有五層，包含輸入層，輸出層和三層隱藏層，每一層的輸出定義為：