利用雷达回波资料反演三维空间大气波导结构理论与算法研究

Following the frontier of atmospheric duct remote-sensing techniques, this project conducts the research of three-dimensional atmospheric duct structure inversion from radar PPI fan-shaped clutter data. The forward model used is the three-dimensional electromagnetic (EM) wave propagation model established under the cylindrical coordinate system when considering three-dimensional changes of the refractivity environment and azimuth angle coupling effect of the EM field. The research is carried out mainly around the following key and difficult problems: construction of the three-dimensional EM wave propagation model and the effective numerical method to solve this model, derivation of the adjoint model, establishment of the theoretical framework of using variational adjoint method to retrieve three-dimensional atmospheric duct structure, ill-posed analysis of the inversion algorithm, and implementation of the effective regularization term and selection of the optimal regularization parameters. All these works will provide theoretical and technological supports for using radar PPI fan-shaped clutter data to retrieve accurate three-dimensional atmospheric duct structures in real time.

紧跟国际大气波导遥感反演研究前沿，考虑大气折射环境的三维空间变化以及电磁场在方位角方向的耦合效应，研究柱面坐标系下三维空间电磁波传播问题，在此基础上开展利用雷达平面扫描扇形回波资料反演三维大气波导结构的相关理论和技术。主要围绕三维空间电磁波传播模式的构建及有效数值求解格式的设计、伴随模式的推导、三维大气波导变分伴随反演理论框架的构建、反演算法的不适定性分析以及正则化方案的有效实施等关键问题和难点问题逐步开展研究。为利用雷达平面扫描回波资料实时精确反演三维大气波导结构提供理论和技术支持。

大气波导是海洋大气边界层中普遍发生的一种超折射现象，它能够将舰载雷达等无线电电磁通讯系统发射的电磁波信号部分陷获在波导层内，以较小的能量衰减经上下气层（或海表面）来回反射向前传播，大大延伸了雷达的作用距离，为实现超视距探测、截收和电子干扰提供了有利条件。三维空间电磁波传播模拟以及三维大气波导的探测与应用研究，对辅助无线电系统的设计、提高无线电系统的工作性能具有重要的指导意义，在民事和军事两方面都具有重要的应用价值。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，开展了利用雷达回波资料反演三维空间大气波导结构理论与算法研究，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) 从亥姆霍兹方程出发，在柱面坐标系下，构建了三维空间电磁波传播模型并设计了可行的数值求解格式。.(2)在贝叶斯理论框架下，采用统计反演方法开展了雷达回波资料反演大气波导的研究。.(3)采用变分伴随结合正则化技术构建了雷达回波资料反演大气波导的物理反演理论框架。.(4)利用2006—2010年南海航次GPS探空资料对该海域表面波导和悬空波导的发生概率和波导特征参数进行了统计分析。.(5)通过射线追踪法结合Hopfield折射率剖面模型，建立了俯视雷达信号在海洋上空传播的物理模型。.(6)研发了大气折射效应预测大气折射效应预测及应用示范系统。