天线阵列层析观测资料反演大气波导理论与技术研究

Atmospheric duct inversion by remote sensing technique is a new topic of atmospheric duct research fields. Following the international research front, this project uses electromagnetic parabolic equation model and ray tracing model as the forward model to investigate atmospheric duct retrievals by the multiple tomography observations received by the antenna array. The investigations are carried out by both statistical inversion method and physical inversion method. First, the initial duct structure is obtained by the statistical inversions using heuristic optimization algorithm combined with the idealized atmospheric duct parametric models. These results are used as the first guess value and background field for the physical inversions. Then, the variational adjoint method is adopted to build a theoretical framework for the physical inversions that can get duct structure by point-to-point values. In order to make full use of all available space information and weaken the dominant role of local observations, the observation weights are introduced in the objective function. In order to overcome the ill-posedness of the inversions, the regularization technique is proposed. The main works are focused on the observation weight coefficients determination, adjoint operators derivation, stable functions design and optimal regularization parameters selection. The whole work presented in this project will provide theoretical and technological supports for using the antenna array tomography data to retrieve accurate atmospheric duct structures in real time.

大气波导遥感反演技术是大气波导研究领域的新课题，紧跟国际大气波导研究前沿，本项目采用电磁波抛物方程传播模式和射线追踪模式作为正演模式，研究利用接收天线阵列多种层析观测资料反演大气波导的相关理论和技术，分别从统计反演和物理反演两方面开展工作。首先，采用大气波导参数化模型结合启发式优化算法实施统计反演，得到波导结构的初步解，统计反演的结果作为物理反演的初猜值和背景场；再采用变分伴随方法构建物理反演理论框架对波导结构实施逐点精确反演。为了充分利用空间所有有效观测信息，减弱局部观测资料对反演结果的支配作用，提出在目标函数中引入观测权重的思想；为了克服反演的不适定性，引入正则化技术。重点围绕观测权重系数的确定、正演模式伴随算子的推导、稳定泛函的设计和正则化参数的最优选取等问题开展研究，为利用天线阵列层析观测资料实时、精确反演大气波导提供理论和技术支持。

大气波导是一种异常大气折射结构，它能够改变电磁波的传播路径，将电磁波捕获在一定厚度的波导薄层内形成大气波导传播，这使得基于标准大气折射模式设计的雷达等无线电电磁通信系统的作战性能受到影响。紧跟国际大气波导遥感反演研究前沿，着眼于解决当前该领域存在的一些难点问题，采用电磁波抛物方程传播模式和射线追踪模式作为正演模式，研究并提出了利用接收天线阵列多种层析观测资料反演大气波导的若干新理论和新思路，为实时高精度大气波导反演系统的构建提供理论和技术支撑。主要研究内容概括如下：.(1)基于COSMIC掩星折射率数据的边界层高度时空特征分析和高空大气波导时空分布特征分析，填补了常规数据地域代表性范围有限的不足。.(2)采用电磁波抛物方程传播模式研究了大气波导参数对电磁波传播损耗的敏感性分析，为敏感性大气波导的参数反演提供了指导。.(3)提出采用曲面波频谱估计方法计算海面掠射角的思想，有效克服了平面波频谱估计方法中近海面大气折射率参数为常数的假设,提高了雷达海杂波功率的仿真精度。.(4)开发了复杂环境条件下电磁波传播路径可视化软件，提出采用Spearman秩相关系数构建电磁波功率与射线密度之间的函数关系，将射线追踪模式引入一维大气波导反演问题的求解。.(5)在贝叶斯理论框架下，采用大气波导参数化模型结合遗传算法和模拟退火算法，实施了层析观测资料反演大气波导的统计算法，并在此基础上进一步研究了大气波导参数与发射源位置同时反演的相关理论和方法。.(6)采用广义变分原理结合正则化技术，在国际上首次提出利用天线阵列层析观测资料反演大气波导结构的物理反演理论框架，研究了接收天线阵架设高度和天线阵元素分布密度对反演结果的影响。