一种基于信赖域法的非相干散射雷达数据处理方法与流程

1.本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于信赖域法的非相干散射雷达数据处理方法，其适用于研究电离层非相干散射雷达数据处理系统设计。


背景技术：

2.电离层是地表以上60km到1000km的部分电离等离子体区域，它上接磁层、下连大气，是日地空间的重要组成。电离层通过各种能量过程与上下圈层紧密耦合在一起，磁层乃至太阳表面的各种能量爆发过程都能在电离层里有所响应，因此它被称作空间天气的显示屏。同时由于电离层对电波传播的影响，它也是与人类活动关系最为密切的关键层，对电离层状态的时空连续探测对空间天气研究、卫星导航与定位、无线电通讯等都具有重要意义。
3.地基非相干散射雷达作为现今最先进的电离层探测设备，可以实现电离层多参量同时探测，且兼具高度范围覆盖大、分辨率高等优点，在电离层探测中占有主导地位。而要实现基于非相干散射雷达测量的电离层多参量探测，其数据反演方法是实现这一功能的技术核心之一。现有的非相干散射雷达数据处理方法是基于学者k.levenberg以及d.marquardt提出的阻尼最小二乘法，也称levenberg
‑
marquardt算法，简称lm算法，但阻尼最小二乘法的中阻尼系数更新规则的优良与否，直接影响到算法的稳定性和收敛性。对于每次最小二乘意义下的迭代而言，不同的阻尼系数值的测试都会提高计算代价。


技术实现要素：

4.针对非相干散射雷达的数据反演问题，克服现有技术的不足，提供一种基于信赖域法的非相干散射雷达数据处理方法，解决了利用非相干散射雷达数据进行电离层多参量反演的问题，获得准确性和可靠性高的电离层参量结果。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于信赖域法的非相干散射雷达数据处理方法，通过对电离层散射谱的理论模型建立，对理论模型的相关参量进行迭代计算，最小化非相干散射雷达探测得到的电离层散射信号自相关函数与理论模型的差值，来完成电离层参量反演。具体步骤如下：
6.步骤1：构建电离层散射谱的理论模型；
7.根据非相干散射雷达非相干散射谱理论，建立理论模型，其表达式为
[0008][0009]
式中对于第k,w密度分量,β＝1/kλ
d
，λ
d
为德拜长度,t
e
是电子温度,t
i
是离子温度,对于电子电荷q＝
‑
e，离子电荷q＝ze,x
e
和x
i
是磁化系数ε的分量；
[0010]
步骤2：将步骤1计算出的理论功率谱进行傅里叶逆变换得到理论自相关函数f
(x)，其中x＝(x1,x2,...x
n
)为电离层参量数组，再与实测非相干散射雷达探测得到的电离层散射信号自相关函数计算误差；
[0011]
步骤3：对f(x)在初始点x
k
处进行二阶泰勒展开：
[0012][0013]
其中ο((x
‑
x
k
)2)为高阶无穷小的皮亚诺余项，一般在求解过程中可忽略，表示哈密顿算符；
[0014]
记d＝(x
‑
x
k
)，得二次模型：
[0015]
步骤4：限定d的取值，在x
k
处使用近似f(x
k
d)，令||d||≤r，r为一给定常数，即信赖域半径；由此给出如下步长d的判定策略：
[0016][0017]
其中h
gn
为高斯迭代步长，h
sd
为梯度法迭代步长，j为雅克比矩阵；
[0018]
步骤5：得到迭代步长d后，原无约束最优化问题的近似解能否看作点x
k
d，还要根据用逼近f(x)成功与否来判定；引入一个评价函数来度量函数值实际下降量和预测下降量之间的比值，即
[0019][0020]
若ρ值太小(小于0.25)，后继点仍取x
k
；若ρ值相对较大(大于0.75)，则认为逼近成功，这时令x
k 1
＝x
k
d；设定的迭代结束条件为：电离层参数的误差精度达到设定的阈值，或者迭代次数达到设定的最大值。
[0021]
本发明的有益效果是：
[0022]
本发明采用基于信赖域(tr)方法的阻尼最小二乘法方法将阻尼系数的给定问题转化为求解信赖域的子问题，能够有效解决现有方法局部收敛、计算雅克比矩阵代价大、算法不稳定的问题。
附图说明
[0023]
图1是本发明的流程图；
[0024]
图2是tr法与lm法的迭代对比图；(a)为迭代误差对比图；(b)为一个高度点上的迭代过程对比图；(c)为所有高度迭代次数对比图。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。
[0026]
如图1所示，根据本发明实施例的一种基于信赖域法的非相干散射雷达数据处理方法，具体实现步骤如下：
[0027]
步骤1：
[0028]
设定一组电离层参量的初始值x＝(x1,x2,...x
n
)，信赖域半径r，精度要求ε以及评价参数μ、η等相关参数。
[0029]
步骤2：
[0030]
根据非相干散射雷达的非相干散射谱理论，建立功率谱模型，并由此计算出f(x
k
)，若则停止计算，得x
k
；否则，继续。
[0031]
步骤3：
[0032]
求解子问题并根据步长策略得子问题最优解d。令
[0033][0034]
步骤4：
[0035]
如果ρ＜μ，令x
k 1
＝x
k
；如果ρ≥μ，令x
k 1
＝x
k
d。
[0036]
步骤5：
[0037]
修改r
k
，如果ρ＜μ，令如果μ≤ρ＜η，令r
k 1
＝r
k
；如果ρ≥η，令r
k 1
＝2
×
r
k
。转步骤2。
[0038]
如图2所示，将本发明的方法(tr法)与现有的(lm法)进行对比，从图(a)可以看出tr法迭代误差较lm法更为平稳，且整体偏小，表明其结果具有更为稳定特性；从图(b)可以看出，在一个数据处理的迭代过程中，tr法的迭代次数远小于lm法，且相对于lm法阶梯性变化，tr法的迭代过程更为平稳；从图(c)可以看出整体的迭代时间亦是tr法更少。
[0039]
本发明的非相干散射雷达数据处理方法是通过对电离层散射谱的理论模型建立，对理论模型的相关参量进行迭代计算，最小化非相干散射雷达探测得到的电离层散射信号自相关函数与理论模型的差值，来完成电离层参量反演。采用基于信赖域(tr)方法的阻尼最小二乘法方法将阻尼系数的给定问题转化为求解信赖域的子问题，较现有的阻尼最小二乘法(lm法)更稳定且迭代时间更少。
[0040]
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为详细和具体，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进以及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。