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CN116068560A - 基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法 - Google Patents

基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法 Download PDF

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CN116068560A
CN116068560A CN202310199961.9A CN202310199961A CN116068560A CN 116068560 A CN116068560 A CN 116068560A CN 202310199961 A CN202310199961 A CN 202310199961A CN 116068560 A CN116068560 A CN 116068560A
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CN
China
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radar
sea clutter
evaporation
module
antenna
Prior art date
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Pending
Application number
CN202310199961.9A
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English (en)
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王波
仇志金
胡桐
邹靖
李志乾
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Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences filed Critical Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences
Priority to CN202310199961.9A priority Critical patent/CN116068560A/zh
Publication of CN116068560A publication Critical patent/CN116068560A/zh
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
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    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明涉及海上蒸发波导探测领域，具体公开了一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法，探测系统包括浮标平台，桅杆顶部安装微波雷达模块和气象水文观测模块，浮体内部安装运动姿态测量模块、数据采集控制模块、数据补偿修正模块、蒸发波导反演处理模块、数据传输模块和供电模块。探测方法包括观测数据获取、雷达海杂波信号功率仿真计算、基于反演理论和算法，确定目标函数，反演蒸发波导参数；数据传输。本发明所公开的探测系统及方法能够提高蒸发波导参数反演精度，同时，在指定区域同时部署多个系统，可实现对区域非均匀蒸发波导的探测，对海上电磁波传播环境的研究及提高雷达系统使用能效具有重要意义。

Description

基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法
技术领域
本发明涉及海上蒸发波导探测领域，特别涉及一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法。
背景技术
当海气界面空气湿度随高度增加而剧烈减小时，会引起海气界面底层（高度通常低于40 m）大气折射率剖面的异常变化，从而改变电磁波的传播轨迹和传播衰减等特性，进而导致工作在其中的雷达等各类无线电系统性能异常，该层大气称为蒸发波导，该层大气的折射率剖面通常称为蒸发波导剖面15，如图3所示。蒸发波导是海上电波环境探测和电波传播特性研究的最核心、最重要的参数之一，对电波折射修正、海上超视距通信、无线电系统效能评估、卫星遥感定标等多个重要领域都具有极其重要的意义和应用价值。
实际海洋环境中，由于不同海域的环境条件和变化特性不同，当海上两点的位置大于一定的距离（20 km左右）时，海上蒸发波导会呈现出明显的不同，即海上蒸发波导是区域非均匀的，对雷达等各类无线电系统的影响特性与水平均匀的蒸发波导环境下的影响特性明显不同。因此，进行区域非均匀蒸发波导的探测，对准确预测电磁波传播特性、提高雷达等无线电系统的工作效能具有重要的实际意义。
当前，蒸发波导的探测方法主要包括直接观测法、理论模型计算法、数值天气预报法等。然而，这些手段均不同程度的存在成本高、操作复杂、受天气影响大、难以长期无人观测、精度不高、区域观测困难等局限性，难以满足海上蒸发波导大区域、高精度、实时、长期稳定的常态化观测需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法，以达到准确有效的获得海洋环境中浮标布放位置的现场、实时、连续的蒸发波导参数的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，包括浮标平台，所述浮标平台包括浮体和位于浮体上部的桅杆，所述桅杆上端和中部分别安装微波雷达模块和气象水文观测模块，所述浮体内部安装运动姿态测量模块、数据采集控制模块、数据补偿修正模块、蒸发波导反演处理模块、数据传输模块和供电模块；所述微波雷达模块、气象水文观测模块、运动姿态测量模块分别与数据采集控制模块相连，数据采集控制模块与数据补偿修正模块相连，数据补偿修正模块与蒸发波导反演处理模块相连，所述蒸发波导反演处理模块与数据传输模块相连，并通过卫星通信的方式发送至岸基数据接收处理中心；供电模块为整个探测系统提供所需的电能。
一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，采用如上所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，包括如下步骤：
步骤一，观测数据获取：采用数据采集控制模块获取气象水文参数；同时，利用浮标上下浮动和左右摇晃及微波雷达多波段快速切换，获取不同天线高度、不同波段时的雷达实测海杂波信号功率，并根据数据采集控制模块获取的姿态参数，对雷达实测海杂波信号功率数据进行补偿修正，获得精确的雷达海杂波信号功率；
步骤二，雷达海杂波信号功率仿真计算：根据观测到的气象水文参数设定初始的蒸发波导参数矢量，根据获取的天线高度和雷达海杂波信号频率参数，采用抛物方程和雷达方程，仿真计算不同天线高度、不同波段的雷达海杂波信号功率，得到仿真计算的不同天线高度、不同波段的雷达海杂波信号功率；
步骤三，蒸发波导参数反演：依据步骤一实测的雷达海杂波信号功率和步骤二仿真计算的雷达海杂波信号功率，基于反演理论和算法，确定目标函数，反演蒸发波导参数；
步骤四，数据传输：将观测数据及反演结果通过数据传输模块传输到岸上数据中心。
上述方案中，步骤一中，所述气象水文观测模块包括温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、红外测温传感器、波浪参数传感器；所述气象水文参数包括温度、相对湿度、气压、风速、风向、海表皮温、纵摇、横摇、升沉、经纬度、波高、波向、波周期。
上述方案中，步骤一中，利用运动姿态测量模块获取的浮体上下浮动距离，确定天线距离水面的实时高度，利用雷达多波段快速切换特性，采用数据采集控制模块获取在不同天线高度
Figure SMS_1
、不同频率
Figure SMS_2
时的雷达实测海杂波功率数据
Figure SMS_3
，其中，
Figure SMS_4
为距离雷达发射天线的水平距离，
Figure SMS_5
为蒸发波导参数矢量，n为天线高度值的数量，m为雷达频率值的数量。
上述方案中，步骤二中，设定采用蒸发波导高度
Figure SMS_6
作为特征参数的蒸发波导参数矢量
Figure SMS_7
，如下公式所示：
Figure SMS_8
（1）。
其中，
Figure SMS_9
为高度，
Figure SMS_10
为蒸发波导底层高度，取值1.5×10-4m，
Figure SMS_11
为距海面
Figure SMS_12
处的大气折射率，取典型值370。
上述方案中，步骤二中，根据先验信息确定蒸发波导高度
Figure SMS_13
的取值范围，采用公式（1）随机获取一组蒸发波导参数矢量M，用公式（2）仿真计算不同天线高度
Figure SMS_14
、不同雷达频率
Figure SMS_15
时的雷达海杂波信号功率
Figure SMS_16
；
Figure SMS_17
（2）。
其中，
Figure SMS_18
为海面距雷达天线的水平距离，单位是km；
Figure SMS_19
为海杂波散射系数；
Figure SMS_20
为与雷达参数以及擦地角有关的常数项，单位是dB，按公式（3）计算；
Figure SMS_21
（3）。
公式（3）中，
Figure SMS_22
是雷达发射功率，单位是dB；
Figure SMS_23
和
Figure SMS_24
分别是雷达天线的发射增益和接收增益，单位均是dB；
Figure SMS_25
是电磁波波长，单位是m；
Figure SMS_26
是雷达天线水平波瓣宽度，单位是rad；
Figure SMS_27
为电磁波的传播速度，取光速，单位是m/s；
Figure SMS_28
为雷达海杂波信号脉冲宽度，单位是s；
Figure SMS_29
为单程传播损耗，是天线高度、雷达海杂波信号频率、海面距雷达天线的水平距离、蒸发波导的函数，按公式（4）计算：
Figure SMS_30
（4）。
公式（4）中，
Figure SMS_31
为雷达海杂波信号频率，单位是MHz；
Figure SMS_32
为传播因子，是天线高度、雷达海杂波信号频率、距离和蒸发波导的参数，单位是V/m。
上述方案中，步骤三中，基于雷达多波段快速切换特性和浮标浮动特性，获取雷达海杂波信号功率为
Figure SMS_33
的功率矢量矩阵，即：
Figure SMS_34
（5）。
其中，T表示矩阵转置；
令
Figure SMS_35
和
Figure SMS_36
分别表示实际测量的功率矢量和仿真计算的功率矢量，令目标函数向量
Figure SMS_37
评估实际测量的功率矢量与仿真计算的功率矢量的符合程度，则有：
Figure SMS_38
。
从而将蒸发波导反演问题转化为多目标优化的最小值问题，对应的数学模型表述为：
Figure SMS_39
（6）。
Figure SMS_40
。
Figure SMS_41
。
其中，
Figure SMS_44
，
Figure SMS_47
，
Figure SMS_50
，
Figure SMS_43
和
Figure SMS_46
分别为
Figure SMS_48
和
Figure SMS_49
的平均值，该目标函数中的
Figure SMS_42
有归一化因子的作用，即该目标函数具有归一化功能；R为约束集合，
Figure SMS_45
为蒸发波导参数矢量M，高度h和频率f的约束向量；
确定的目标函数个数是天线高度值的数量和雷达频率值的数量的乘积，即
Figure SMS_51
个，且每个子目标函数均按照公式（7）计算，即：
Figure SMS_52
（7）。
上述方案中，步骤三中，多目标函数的反演方法包括基于带精英策略的快速非支配排序算法的多目标优化遗传算法、差分进化算法、模拟退火方法、蚁群算法、粒子群算法以及机器学习算法。
上述方案中，步骤三中，把多目标函数反演问题转化成单目标函数反演问题，采用基于最小二乘准则的单目标方法进行快速反演，将目标函数向量
Figure SMS_53
标量化，如公式（8）所示；
Figure SMS_54
（8）。
上述方案中，步骤四中，数据传输模块将第一步获取的雷达海杂波信号功率、气象水文参数、姿态及位置参数、第三步获得的反演结果进行统一编码，并通过通信天线发送至岸基数据接收处理中心。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统及方法具有如下有益效果：
本发明提供的基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，将浮标平台和雷达相结合，将雷达观测扩展到海洋气象观测领域，充分利用浮体的上下浮动特性和雷达多频段快速切换特性，丰富反演算法的输入观测数据量，可准确有效的获得海洋环境中浮标布放位置的现场、实时、连续的蒸发波导参数。
本发明具有成本低、体积小、易布放、便于组网等特点，通过在不同区域同时部署多个该漂浮式探测系统，可实现对区域非均匀蒸发波导的实时、现场观测，为海上大尺度蒸发波导变化机理和演变特性研究提供有效探测手段，填补海上蒸发波导长期、自动、无人观测的空白，对海上电磁波传播环境的研究及提高无线电系统使用能效具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统示意图；
图2为探测系统中各模块的关系示意图；
图3为本发明实施例所公开的探测原理图；
图4为本发明实施例所公开的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法示意图；
图5为本发明实施例所公开的一种探测方法具体流程示意图。
图中，1、浮标平台；11、浮体；12、桅杆；2、微波雷达模块；3、气象水文观测模块；4、运动姿态测量模块；5、数据采集控制模块；6、数据补偿修正模块；7、蒸发波导反演处理模块；8、数据传输模块；9、供电模块；10、雷达海杂波信号；13、通信卫星；14、岸基数据接收处理中心；15、蒸发波导剖面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，如图1所示，包括浮标平台1，浮标平台1包括浮体11和位于浮体11上部的桅杆12，桅杆12上端和中部分别安装微波雷达模块2和气象水文观测模块3，浮体11内部安装运动姿态测量模块4、数据采集控制模块5、数据补偿修正模块6、蒸发波导反演处理模块7、数据传输模块8和供电模块9。
如图2所示，微波雷达模块2、气象水文观测模块3、运动姿态测量模块4分别与数据采集控制模块5相连，数据采集控制模块5与数据补偿修正模块6相连，数据补偿修正模块6与蒸发波导反演处理模块7相连，蒸发波导反演处理模块7与数据传输模块8相连，并通过卫星通信的方式发送至岸基数据接收处理中心14；供电模块9为整个探测系统提供所需的电能。
如图3所示的探测原理，浮标平台1用于安装微波雷达模块2、气象水文观测模块3、运动姿态测量模块4、数据采集控制模块5、数据补偿修正模块6、蒸发波导反演处理模块7、数据传输模块8和供电模块9。
微波雷达模块2用于发射多频段的电磁波信号并接收海面散射回来的信号，利用浮标平台1上下左右浮动的特性和微波雷达模块2多波段快速切换特性，获取不同高度不同频段不同距离的雷达海杂波信号10功率。
气象水文观测模块3用于观测近海面的温度、相对湿度、气压、风速风向、海表皮温和海浪等气象水文参数，为蒸发波导反演提供必要的气象水文数据。
运动姿态测量模块4用于测量浮标平台1的运动特性，包括纵摇、横摇、升沉、艏向等姿态参数以及经纬度参数和协调世界时间（UTC时间），用于对因浮体11姿态运动造成雷达海杂波信号10观测产生的误差进行补偿修正。
数据采集控制模块5通过与微波雷达模块2、气象水文观测模块3和运动姿态测量模块4连接，获取雷达海杂波信号10功率、气象水文参数、浮体11姿态参数和位置参数，并按照统一格式进行存储，为蒸发波导反演提供输入参数。
数据补偿修正模块6根据浮体11纵摇、横摇、升沉、艏向等姿态参数，以及数据采集控制模块5输出的雷达海杂波信号10功率数据，分析浮标运动特性及对雷达海杂波信号10观测的影响，对雷达观测的海杂波信号10进行误差补偿修正，提高雷达海杂波信号10功率的观测精度。
蒸发波导反演处理模块7根据气象水文参数和数据补偿修正模块6获取的雷达海杂波信号10功率参数，基于抛物方程算法和反演算法，反演蒸发波导参数。
数据传输模块8用于将上述各模块获取的气象水文参数、姿态参数、雷达海杂波信号10功率、蒸发波导剖面15反演结果及系统的电源电流等参数进行统一编码，并通过卫星通信的方式发送至岸基数据接收处理中心14。
供电模块9用于给上述各模块提供工作时所必须的电能，包括蓄电池和太阳能电池板、风力发电机、燃料电池，其中太阳能电池板、风力发电机、燃料电池可以根据实际工作需求进行灵活配置。
一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，采用如上的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，如图4和图5所示，包括如下步骤：
步骤一，观测数据获取：采用数据采集控制模块5获取气象水文参数；同时，利用浮标上下浮动和左右摇晃及微波雷达多波段快速切换，获取不同天线高度、不同波段时的雷达实测海杂波信号10功率，并根据数据采集控制模块5获取的姿态参数，对雷达实测海杂波信号10功率数据进行补偿修正，获得精确的雷达海杂波信号10功率。
在浮标平台1安装多波段微波雷达、温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、红外测温传感器、波浪参数传感器、姿态传感器及GPS装置，采用数据采集单元获取温度、相对湿度、气压、风速、风向、海表皮温、纵摇、横摇、升沉、经纬度、波高、波向、波周期等气象水文观测数据。
利用运动姿态测量模块4获取的浮体11上下浮动距离，确定天线距离水面的实时高度，利用雷达多波段快速切换特性，采用数据采集控制模块5获取在不同天线高度
Figure SMS_55
、不同频率
Figure SMS_56
时的雷达实测海杂波功率数据
Figure SMS_57
，其中，
Figure SMS_58
为距离雷达发射天线的水平距离，
Figure SMS_59
为蒸发波导参数矢量，n为天线高度值的数量，m为雷达频率值的数量。
步骤二，雷达海杂波信号10功率仿真计算：根据观测到的气象水文参数设定初始的蒸发波导参数矢量，根据获取的天线高度和雷达海杂波信号10频率参数，采用抛物方程和雷达方程，仿真计算不同天线高度、不同波段的雷达海杂波信号10功率，得到仿真计算的不同天线高度、不同波段的雷达海杂波信号10功率。
设定采用蒸发波导高度
Figure SMS_60
作为特征参数的蒸发波导参数矢量
Figure SMS_61
，如下公式所示：
Figure SMS_62
（1）。
其中，
Figure SMS_63
为高度，
Figure SMS_64
为蒸发波导底层高度，取值1.5×10-4m，
Figure SMS_65
为距海面
Figure SMS_66
处的大气折射率，取典型值370。
根据先验信息确定蒸发波导高度
Figure SMS_67
的取值范围，采用公式（1）随机获取一组蒸发波导参数矢量M，用公式（2）仿真计算不同天线高度
Figure SMS_68
、不同雷达频率
Figure SMS_69
时的雷达海杂波信号功率
Figure SMS_70
；
Figure SMS_71
（2）。
其中，
Figure SMS_72
为海面距雷达天线的水平距离，单位是km；
Figure SMS_73
为海杂波散射系数；其可采用Adjusted Barton模型、Adjust Morchin模型和GIT等模型计算，也可以用基尔霍夫近似法、小斜率近似法、矩量法等电磁散射计算方法得到；
Figure SMS_74
为雷达发射功率、天线增益、天线方向图等雷达参数以及擦地角有关的常数项，单位是dB，按公式（3）计算；
Figure SMS_75
（3）。
公式（3）中，
Figure SMS_76
是雷达发射功率，单位是dB；
Figure SMS_77
和
Figure SMS_78
分别是雷达天线的发射增益和接收增益，单位均是dB；
Figure SMS_79
是电磁波波长，单位是m；
Figure SMS_80
是雷达天线水平波瓣宽度，单位是rad；
Figure SMS_81
为电磁波的传播速度，取光速，单位是m/s；
Figure SMS_82
为雷达海杂波信号脉冲宽度，单位是s；
Figure SMS_83
为单程传播损耗，是天线高度、雷达海杂波信号频率、海面距雷达天线的水平距离、蒸发波导的函数，按公式（4）计算：
Figure SMS_84
（4）。
公式（4）中，
Figure SMS_85
为雷达海杂波信号频率，单位是MHz；
Figure SMS_86
为传播因子，是天线高度、雷达海杂波信号频率、距离和蒸发波导的参数，单位是V/m。
步骤三，蒸发波导参数反演：依据步骤一实测的雷达海杂波信号10功率和步骤二仿真计算的雷达海杂波信号10功率，基于反演理论和算法，确定目标函数，反演蒸发波导参数。
基于雷达多波段快速切换特性和浮标浮动特性，获取雷达海杂波信号10功率为
Figure SMS_87
的功率矢量矩阵，即：
Figure SMS_88
（5）。
其中，T表示矩阵转置；
令
Figure SMS_89
和
Figure SMS_90
分别表示实际测量的功率矢量和仿真计算的功率矢量，令目标函数向量
Figure SMS_91
评估实际测量的功率矢量与仿真计算的功率矢量的符合程度，则有：
Figure SMS_92
。
从而将蒸发波导反演问题转化为多目标优化的最小值问题，对应的数学模型表述为：
Figure SMS_93
（6）。
Figure SMS_94
。
Figure SMS_95
。
其中，
Figure SMS_98
，
Figure SMS_101
，
Figure SMS_104
，
Figure SMS_96
和
Figure SMS_99
分别为
Figure SMS_102
和
Figure SMS_103
的平均值，该目标函数中的
Figure SMS_97
有归一化因子的作用，即该目标函数具有归一化功能；R为约束集合，
Figure SMS_100
为蒸发波导参数矢量M，高度h和频率f的约束向量；可以采用历史气象数据以及统计数据确定蒸发波导参数矢量的范围，以提高反演算法的优化速度和确保解的合理性。
本发明设计的目标函数个数是天线高度值的数量和雷达频率值的数量的乘积，即
Figure SMS_105
个，且每个子目标函数均按照公式（7）计算，即：
Figure SMS_106
（7）。
为了获得有效的多目标函数的最优解，可采用但不限于基于带精英策略的快速非支配排序算法的多目标优化遗传算法（NSGA-II）、差分进化算法、模拟退火方法、蚁群算法、粒子群算法以及机器学习算法等等，提高多目标函数的求解效率和精度。
以NSGA-II算法为例，设定种群规模50，迭代次数40次，目标函数数量n*m个，维度30，经过迭代优化，获得最优解。
本发明还支持采用单目标方法进行快速反演，可采用基于最小二乘准则等方法，将目标函数向量
Figure SMS_107
标量化，如公式（8），此时就把多目标函数反演问题转化成单目标函数反演问题，提高计算效率。
Figure SMS_108
（8）。
步骤四，数据传输：数据传输模块8将第一步获取的雷达海杂波信号10功率、气象水文参数、姿态及位置参数、第三步获得的反演结果进行统一编码，并通过北斗通信、通信卫星13通信、4G/5G通信、电台等无线通信的方式发送至岸基数据接收处理中心14。
本发明具有成本低、体积小、易布放、便于组网等特点，通过多个装置组网，可实现对区域非均匀蒸发波导的实时、现场观测。利用该装置及监测方法，可极大丰富远海区域中的探测数据，扩展蒸发波导探测范围和时空分辨率，填补海上蒸发波导区域性现场观测的空白，对海上电磁波传播环境的研究及提高无线电系统使用能效具有重要意义。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，其特征在于，包括浮标平台，所述浮标平台包括浮体和位于浮体上部的桅杆，所述桅杆顶部安装微波雷达模块和气象水文观测模块，所述浮体内部安装运动姿态测量模块、数据采集控制模块、数据补偿修正模块、蒸发波导反演处理模块、数据传输模块和供电模块；所述微波雷达模块、气象水文观测模块、运动姿态测量模块分别与数据采集控制模块相连，数据采集控制模块与数据补偿修正模块相连，数据补偿修正模块与蒸发波导反演处理模块相连，所述蒸发波导反演处理模块与数据传输模块相连，并通过卫星通信的方式发送至岸基数据接收处理中心；供电模块为整个探测系统提供所需的电能。
2.一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，采用如权利要求1所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，观测数据获取：采用数据采集控制模块获取气象水文参数；同时，利用浮标上下浮动和左右摇晃及微波雷达多波段快速切换，获取不同天线高度、不同波段时的雷达实测海杂波信号功率，并根据数据采集控制模块获取的姿态参数，对雷达实测海杂波信号功率数据进行补偿修正，获得精确的雷达海杂波信号功率；
步骤二，雷达海杂波信号功率仿真计算：根据观测到的气象水文参数设定初始的蒸发波导参数矢量，根据获取的天线高度和雷达海杂波信号频率参数，采用抛物方程和雷达方程，仿真计算不同天线高度、不同波段的雷达海杂波信号功率，得到仿真计算的不同天线高度、不同波段的雷达海杂波信号功率；
步骤三，蒸发波导参数反演：依据步骤一实测的雷达海杂波信号功率和步骤二仿真计算的雷达海杂波信号功率，基于反演理论和算法，确定目标函数，反演蒸发波导参数；
步骤四，数据传输：将观测数据及反演结果通过数据传输模块传输到岸上数据中心。
3.根据权利要求2所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤一中，所述气象水文观测模块包括温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、红外测温传感器、波浪参数传感器；所述气象水文参数包括温度、相对湿度、气压、风速、风向、海表皮温、纵摇、横摇、升沉、经纬度、波高、波向、波周期。
4.根据权利要求2所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤一中，利用运动姿态测量模块获取的浮体上下浮动距离，确定天线距离水面的实时高度，利用雷达多波段快速切换特性，采用数据采集控制模块获取在不同天线高度
Figure QLYQS_1
、不同频率
Figure QLYQS_2
时的雷达实测海杂波功率数据
Figure QLYQS_3
，其中，r为距离雷达发射天线的水平距离，M为蒸发波导参数矢量，n为天线高度值的数量，m为雷达频率值的数量。
5.根据权利要求2所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤二中，设定采用蒸发波导高度
Figure QLYQS_4
作为特征参数的蒸发波导参数矢量
Figure QLYQS_5
，如下公式所示：
Figure QLYQS_6
（1）,
其中，z为高度，z0为蒸发波导底层高度，取值1.5×10-4m，
Figure QLYQS_7
为距海面z0处的大气折射率，取典型值370。
6.根据权利要求2所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤二中，根据先验信息确定蒸发波导高度
Figure QLYQS_8
的取值范围，采用公式（1）随机获取一组蒸发波导参数矢量M，用公式（2）仿真计算不同天线高度
Figure QLYQS_9
、不同雷达频率
Figure QLYQS_10
时的雷达海杂波信号功率
Figure QLYQS_11
；
Figure QLYQS_12
（2）,
其中，r为海面距雷达天线的水平距离，单位是km；
Figure QLYQS_13
为海杂波散射系数；
Figure QLYQS_14
为与雷达参数以及擦地角有关的常数项，单位是dB，按公式（3）计算；
Figure QLYQS_15
（3）,
公式（3）中，
Figure QLYQS_16
是雷达发射功率，单位是dB；
Figure QLYQS_17
和
Figure QLYQS_18
分别是雷达天线的发射增益和接收增益，单位均是dB；λ是电磁波波长，单位是m；
Figure QLYQS_19
是雷达天线水平波瓣宽度，单位是rad；c为电磁波的传播速度，取光速，单位是m/s；
Figure QLYQS_20
为雷达海杂波信号脉冲宽度，单位是s；
Figure QLYQS_21
为单程传播损耗，是天线高度、雷达海杂波信号频率、海面距雷达天线的水平距离、蒸发波导的函数，按公式（4）计算：
Figure QLYQS_22
（4）,
公式（4）中，f为雷达海杂波信号频率，单位是MHz；F为传播因子，是天线高度、雷达海杂波信号频率、距离和蒸发波导的参数，单位是V/m。
7.根据权利要求2所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤三中，基于雷达多波段快速切换特性和浮标浮动特性，获取雷达海杂波信号功率为
Figure QLYQS_23
的功率矢量矩阵，即：
Figure QLYQS_24
（5）,
其中，T表示矩阵转置；
令
Figure QLYQS_25
和
Figure QLYQS_26
分别表示实际测量的功率矢量和仿真计算的功率矢量，令目标函数向量
Figure QLYQS_27
评估实际测量的功率矢量与仿真计算的功率矢量的符合程度，则有：
Figure QLYQS_28
,
从而将蒸发波导反演问题转化为多目标优化的最小值问题，对应的数学模型表述为：
Figure QLYQS_29
（6）,
Figure QLYQS_30
,
Figure QLYQS_31
,
其中，
Figure QLYQS_34
，
Figure QLYQS_35
，
Figure QLYQS_38
，
Figure QLYQS_32
和
Figure QLYQS_37
分别为
Figure QLYQS_39
和
Figure QLYQS_40
的平均值，该目标函数中的
Figure QLYQS_33
有归一化因子的作用，即该目标函数具有归一化功能；R为约束集合，
Figure QLYQS_36
为蒸发波导参数矢量M，高度h和频率f的约束向量；
确定的目标函数个数是天线高度值的数量和雷达频率值的数量的乘积，即
Figure QLYQS_41
个，且每个子目标函数均按照公式（7）计算，即：
Figure QLYQS_42
（7）。
8.根据权利要求7所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤三中，多目标函数的反演方法包括基于带精英策略的快速非支配排序算法的多目标优化遗传算法、差分进化算法、模拟退火方法、蚁群算法、粒子群算法以及机器学习算法。
9.根据权利要求7所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤三中，把多目标函数反演问题转化成单目标函数反演问题，采用基于最小二乘准则的单目标方法进行快速反演，将目标函数向量
Figure QLYQS_43
标量化，如公式（8）所示；
Figure QLYQS_44
（8）。
10.根据权利要求2所述的一种基于雷达海杂波的海上蒸发波导漂浮式探测方法，其特征在于，步骤四中，数据传输模块将第一步获取的雷达海杂波信号功率、气象水文参数、姿态及位置参数、第三步获得的反演结果进行统一编码，并通过通信天线发送至岸基数据接收处理中心。
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