一种衰落深度和衰落幅度与蒸发波导高度相关性评估方法

本发明涉及电波传输，尤其涉及一种衰落深度和衰落幅度与蒸发波导高度相关性评估方法。

背景技术：

1、与标准大气相比，大气波导是由特定对流层气象条件形成的一类具有水平延展性和垂直分层特征的特殊大气结构。在该结构内，满足一定频率条件的电波可通过折射与反射机制实现超视距传播。根据成因和分布高度的不同，大气波导可分为蒸发波导、表面波导和悬空波导三种类型。其中，蒸发波导在海面出现概率最高，且其典型高度范围与海上通信、雷达等系统的天线架设高度基本一致，从而对海上通信、雷达等系统性能的影响尤为显著，因此蒸发波导成为实际应用中关注最为广泛的波导类型。

2、蒸发波导的形成机制为：海面水汽持续蒸发并向大气扩散，使得海面上方数十米高度范围内的大气湿度随高度增加而急剧降低，引起大气折射率快速减小，在垂直方向上形成负梯度折射率结构。在此环境下，特定频率的电波将受到向下的折射作用；当电波传播路径的曲率超过海面曲率时，电波将被陷获在蒸发波导层内部，实现低损耗传播，从而突破地球曲率的限制，形成传播距离可达上百公里的超视距链路。上述机制使得蒸发波导信道在超视距通信中具备路径损耗小、通信速率高、可靠性强、抗截获性能优越等显著优势。

3、然而，电波在蒸发波导环境中传播时会受到海面反射、多径效应等因素的综合影响，产生不同程度的衰落。受海表面温度、相对湿度、海面气压、海面上空空气温度和海面上空风速等参数影响，海上蒸发波导变化规律十分复杂。目前，现有关于蒸发波导环境对电波传播影响的研究仅关注蒸发波导高度与路径损耗及其波动性之间的相关性，并未针对蒸发波导高度与衰落幅度和衰落深度开展相关性研究，从而无法定量给出衰落幅度、衰落深度随蒸发波导高度变化的关系。与此同时，也未进一步研究蒸发波导高度与衰落深度、幅度之间的线性或非线性关系，从而无法指导海上超视距通信系统在蒸发波导环境的复杂变化下有效利用频率分集、空间分集等技术有效对抗信道衰落以确保可靠的超视距通信。

4、因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

5、需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种衰落深度和衰落幅度与蒸发波导高度相关性评估方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

2、本发明提供一种衰落深度和衰落幅度与蒸发波导高度相关性评估方法，包括：

3、s1，利用海上蒸发波导信道监测系统在海域搭建跨海超视距电波传播链路，获取跨海超视距电波传播链路上的接收信号强度和实测路径损耗；

4、s2，将接收信号强度和实测路径损耗按照相同的时间间隔分别划分为多个接收信号强度分组和多个实测路径损耗分组，计算每个接收信号强度分组的接收信号强度的衰落深度和衰落幅度；

5、s3，根据跨海超视距电波传播链路上的气象数据、pj模型、发射天线高度、接收天线高度、电波频率以及apm模型，反演得到与实测路径损耗相对应的蒸发波导高度；

6、s4，剔除异常值、配对样本以及计算相关系数，并对相关系数进行统计显著性检验，s4包括以下步骤：

7、s401，将计算得到的所有衰落深度组成衰落深度样本集，将计算得到的所有衰落幅度组成衰落幅度样本集，将反演得到的所有蒸发波导高度组成蒸发波导高度样本集，采用四分位距算法对衰落深度样本集和衰落幅度样本集的异常值进行剔除；

8、s402，按照时序将剔除异常值后的衰落深度样本集的衰落深度和蒸发波导高度样本集的蒸发波导高度组成第一配对样本序列，按照时序将剔除异常值后的衰落幅度样本集的衰落幅度和蒸发波导高度样本集的蒸发波导高度组成第二配对样本序列；

9、s403，根据第一配对样本序列计算衰落深度和蒸发波导高度之间的皮尔逊相关系数和斯皮尔曼秩相关系数，根据第二配对样本序列计算衰落幅度和蒸发波导高度之间的皮尔逊相关系数和斯皮尔曼秩相关系数；

10、s404，分别对得到的每个皮尔逊相关系数和每个斯皮尔曼秩相关系数进行统计显著性检验；

11、s5，建立以蒸发波导高度为自变量、以衰落深度为因变量的一元线性回归模型和非线性模型，建立以蒸发波导高度为自变量、以衰落幅度为因变量的一元线性回归模型和非线性模型，并对每个一元线性回归模型和每个非线性模型的适用性进行评估，确定蒸发波导高度与衰落深度之间的相关关系以及蒸发波导高度与衰落幅度之间的相关关系；

12、s6，根据蒸发波导高度与衰落深度之间的相关关系以及蒸发波导高度与衰落幅度之间的相关关系，对海上超视距通信系统的分集接收策略进行调整。

13、本发明中，s1中，接收信号强度由海上蒸发波导信道监测系统直接获取，实测路径损耗根据海上蒸发波导信道监测系统的发射功率、发射天线增益、接收天线增益、接收信号强度及系统损耗计算得到。

14、本发明中，s2中，接收信号强度为信号电平值，采用以下公式计算每个接收信号强度分组的信号电平值的衰落深度和衰落幅度：

15、

16、

17、其中，将每个接收信号强度分组中的信号电平值升序排列，、、分别表示该接收信号强度分组中升序排列的信号电平值中被超过概率为10%、50%、90%的信号电平值。

18、本发明中，s3包括以下步骤：

19、s301，将跨海超视距电波传播链路上的气象数据输入pj模型中，计算得到初始修正折射率剖面，然后根据pj模型、初始修正折射率剖面和蒸发波导高度，得到蒸发波导修正折射率剖面；

20、s302，将海上蒸发波导信道监测系统的发射天线高度、接收天线高度、电波频率以及蒸发波导修正折射率剖面代入apm模型，计算得到不同蒸发波导高度下电波超视距传播的路径损耗仿真值；

21、s303，构建用于评估实测路径损耗与路径损耗仿真值之间符合程度的目标函数，所述目标函数为实测路径损耗与路径损耗仿真值之差的绝对值；

22、s304，利用穷举搜索方法，找到使得目标函数取值最小的解，得到跨海超视距电波传播链路上的最优蒸发波导剖面，最终反演得到与实测路径损耗相对应的蒸发波导高度。

23、本发明中，s401之后还包括以下步骤：

24、s401之后还包括以下步骤：

25、分别计算剔除异常值后的衰落深度样本集、衰落幅度样本集和蒸发波导高度样本集的样本均值和标准差；

26、根据各样本集的样本均值和标准差计算各样本集的变异系数，变异系数用于对样本集的样本数据的波动性进行评估。

27、本发明中，s5中，一元线性回归模型表示如下：

28、

29、

30、其中，为衰落深度，为衰落幅度；为截距项，表示斜率系数；为蒸发波导高度；为随机误差项，表示假设服从均值为零、方差为常数的正态分布。

31、本发明中，s5中，s5中，非线性模型包括以下多个模型：

32、指数模型：；

33、幂律模型：；

34、倒数模型：；

35、其中，和均表示各非线性模型的参数。

36、本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

37、本发明中的一种衰落深度和衰落幅度与蒸发波导高度相关性评估方法，通过基于接收信号强度和实测路径损耗，对衰落深度和衰落幅度进行计算，并将两者与蒸发波导高度进行相关性评估、通过线性回归建模与诊断、非线性模型优化等步骤，更加可靠地揭示了蒸发波导高度与信号衰落深度和衰落幅度之间的内在规律，避免了因随机因素导致的虚假相关和因模型失配导致的结论偏差。为海上超视距通信系统的分集接收策略提供依据，从而在蒸发波导环境的动态变化中实现抗衰落性能与接收机效率之间的自适应最优折中。