基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法

1.本技术属于近地面大气环境参数获取技术领域，具体涉及基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法。


背景技术：

2.近地面大气折射率廓线对电磁信号传播路径具有重要影响，异常的大气折射率垂直梯度往往会造成商用通信设备无法正常工作，同时也可能实现地基雷达的超视距探测。目前，近地面大气折射率廓线信息的监测手段较为有限。通过球载的无线电探空仪遥测大气的温、压、湿参数廓线，可以通过理论公式计算出相应的大气折射率廓线信息。然而，常规业务中无线电探空仪只每日定点放飞两次，导致无法获取精细的大气折射率廓线变化信息。此外，无线电探空仪在近地面的垂直分辨率也很低。折射计可以直接精确的测量大气折射率，但仪器笨重且价格昂贵，无法大范围推广。
3.除了上述专业大气折射率探测方法，全球广泛存在的非合作电磁波源也可以用于大气折射率廓线的探测。最典型的例子是利用gps信号穿过对流层所产生的大气折射量来计算大气折射率。该方法可以实现低成本、高垂直分辨率的全球大气折射率廓线监测，但是难以获取近地面范围的有效信息。除了gps非合作电磁波源，近地面还广泛存在着大量商用微波回传链路，这些链路的运行频率在6～42ghz范围之间，链路长度在几千米～几十千米不等。商用微波回传链路电磁传播过程同样也会受到大气折射廓线影响进而造成接收端信号发生波动，因此这些信号之中也蕴含着大气折射率廓线信息，理论上可以用于大气折射率廓线监测，但如何利用商用微波的这种信号波动，却没有一套成熟可行的技术。


技术实现要素：

4.本技术提出了基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法，根据区域内微波回传链路发射端和接收端功率，计算多链路晴空实测衰减；定义近地面大气折射率廓线表征参数并设置初始值，实现对大气折射率廓线的描述；基于链路接收端和发射端空间位置，结合电磁传播模型，计算多链路晴空理论衰减；根据实测衰减和理论衰减差异计算目标函数，通过一定寻优算法求解近地面大气折射率廓线表征参数最优解，实现区域范围内近地面大气折射率廓线有效反演。
5.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
6.基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法，包括如下步骤：
7.基于预设区域内商用微波回传链路，获取每条所述商用微波回传链路的晴空实测衰减；
8.设定并初始化近地面大气折射率廓线的表征参数；
9.根据商用微波的天线参数、链路接收端和发射端空间位置，基于所述表征参数和电磁传播计算模型，得到每条商用微波回传链路的晴空理论衰减；
10.根据所述晴空实测衰减和所述晴空理论衰减，计算晴空衰减目标函数；
11.基于所述晴空衰减目标函数，使用寻优算法，得到所述近地面大气折射率廓线表征参数得到最优解，完成近地面大气折射率廓线监测。
12.可选的，获取每条所述商用微波回传链路的所述晴空实测衰减的方法包括：
13.选择所述预设区域内n条稳定运行的商用微波回传链路，并获取所述商用微波回传链路的发射端空间位置、接收端空间位置和天线参数；
14.按照预设时间间隔，分别计算每条商用微波回传链路的发射端平均功率和接收端平均功率；
15.根据所述发射端平均功率和所述接收端平均功率，得到每条所述商用微波回传链路的所述晴空实测衰减。
16.可选的，所述电磁传播计算模型包括但不限于抛物方程法。
17.可选的，根据商用微波的所述天线参数、所述链路接收端和发射端空间位置，基于所述表征参数和所述电磁传播计算模型，利用分步广角抛物方程模型，得到每条商用微波回传链路的所述晴空理论衰减。
18.可选的，所述晴空衰减目标函数为：
[0019][0020]
其中，regularizer(m)为正则化项。
[0021]
可选的，所述正则化项包括但不限于l1正则化项。
[0022]
可选的，所述近地面大气折射率廓线表征参数的最优解为使所述目标函数最小的解，表达式为
[0023]
可选的，所述寻优算法包括但不限于蚁群算法。
[0024]
本技术的有益效果为：
[0025]
本技术公开了基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法，在提取商用微波回传链路衰减信息的基础上，结合电磁传播计算模型，搜寻最优大气折射率廓线表征参数，实现了区域范围内近地面大气折射率廓线的有效监测；同时，本技术方法基于地面广泛现存的商用微波回传链路，无需投入额外仪器设备即可实现近地面大气折射率廓线信息获取，具有成本低、时空分辨率高、覆盖范围广等优点，应用价值极高。本技术方法可以作为近地面大气折射率廓线监测新方法应用到实际业务当中。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本技术实施例的基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法流程示意图；
[0028]
图2为本技术实施例的商用微波回传链路分布示意图；
[0029]
图3为本技术实施例的大气折射率廓线表征参数示意图；
[0030]
图4为本技术实施例的大气折射率廓线反演结果示意图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0032]
为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
[0033]
如图1所示，为本技术实施例的基于商用微波回传链路的近地面大气折射率廓线监测方法流程示意图，主要包括以下几个步骤：
[0034]
首先，基于预设区域内商用微波的回传链路，获取每条所述回传链路的晴空实测衰减。
[0035]
在本实施例中，该步骤的具体实现方法包括下面3个步骤：
[0036]
1.选择预设区域内4条稳定运行的商用微波回传链路mbl1,mbl2,mbl3,mbl4，其发射端空间位置分别为s1＝(xs1,ys1,zs1),s2＝(xs2,ys2,zs2),s3＝(xs3,ys3,zs3),s4＝(xs4,ys4,zs4)，接收端空间位置分别为e1＝(xe1,ye1,ze1),e2＝(xe2,ye2,ze2),e3＝(xe3,ye3,ze3),e4＝(xe4,ye4,ze4)，天线参数分别为a1,a2,a3,a4；
[0037]
2.按照预设时间间隔，计算每条链路的发射端平均功率tp1,tp2,tp3,tp4，接收端平均功率rp1,rp2,rp3,rp4；在本实施例中，以60min为时间间隔。
[0038]
3.根据接收端与发射端之间的功率差值，计算每条链路的晴空实测衰减pli＝tp
i-rpi(i＝1,2,
…
,4)。
[0039]
在实际应用过程中，根据多条商用微波回传链路所记录的接收端和发射端功率，可获得一定区域内近地面平均大气折射率廓线信息，在本实施例中，商用微波回传链路分布示意如图2所示。
[0040]
然后，如图3所示，设置近地面大气折射率廓线表征参数m＝[k1,k2,k3,h1,h2]，并初始化为k1＝-10n-unitkm-1
,k2＝10n-unitkm-1
,k3＝-10n-unitkm-1
,h1＝30m,h2＝60m。
[0041]
再次，根据初始阶段得到的天线参数、链路接收端和发射端空间位置，以及上一步设置的近地面大气折射率廓线表征参数，结合电磁传播计算模型，并基于分步广角抛物方程模型，计算每条链路的晴空理论衰减pl
01
,pl
02
,pl
03
,pl
04
。在本实施例中，电磁传播计算模型包括但不限于抛物方程法。
[0042]
随后，根据晴空实测衰减和所述晴空理论衰减，计算晴空衰减目标函数。
[0043]
在本实施例中，目标函数j(m)为：
[0044][0045]
其中，regularizer(m)为正则化项，在本实施例中，正则化项包括但不限于l1正则化项。
[0046]
最后，基于晴空衰减目标函数，使用寻优算法，得到近地面大气折射率廓线表征参
数得到最优解，完成近地面大气折射率廓线监测，大气折射率廓线反演结果如图4所示。
[0047]
在本实施例中，近地面大气折射率廓线表征参数的最优解为上述目标函数最小的解，表达式为寻优算法包括但不限于蚁群算法。
[0048]
以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。