基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法技术

本发明专利技术涉及电磁信息处理技术领域，具体的说是一种能够实现更精确的地形影响下的电磁传播衰减预测的基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法，读取DEM数据；差值得到路径高程曲线，判断路径上是否存在障碍物，若不存在障碍物，可视为光滑地球，计算自由空间衰减，若存在障碍物，则计算视距绕射损耗后继续分析判断障碍物的类型，得到对于尖峰形、圆形以及级联型障碍物的绕射损耗，加上附加的反射、散射损耗，得到最终的电磁信号总衰减。得到最终的电磁信号总衰减。

【技术实现步骤摘要】
基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法

：
[0001]本专利技术涉及电磁信息处理
，具体的说是一种能够实现更精确的地形影响下的电磁传播衰减预测的基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法。

技术介绍
：
[0002]电磁信息是一种新型的、无形的战斗力，是能支持机动作战、分散作战和高强度作战的重要媒体，所以电磁信息的把握在这种联合作战的大环境下就显得尤为重要。在战场复杂的地形环境中如何快速准确地实现电磁覆盖、感知和管理其中的电磁设备成为了目前的首要问题。
[0003]数字高程模型(DEM)是为了便于描述地形地貌特征而建立的空间数据模型，模型中记录了各网格节点所在地理信息数据，形成栅格结构数据集。利用数字高程模型可以得到区域内各采样点的经纬度、高程以及坡度等数据。获取发射机与接收机之间的路径剖面数据时，确定发射机和接收机位置后，需要根据精度要求确定需要对整条路径取点的个数，采取等间隔采样的方法，每个采样点的位置均可计算得到。由于采样点不可能与地理高程数据点完全对应，对于每一个采样点和两个端点都需要进行高程的插值，从而得到整条路径上等间隔的高程数据，据此可得到剖面曲线。现有利用多种电磁波传播预测模型提出了多种改进算法，在电磁环境的可视化上取得了一定的成果，但还是存在适用范围小、预测精度较低、系统集成难度大等问题。

技术实现思路
：
[0004]为了进一步提高电磁传播衰减预测的性能，本专利技术提出一种联合电磁绕射与衰减算法，通过建立两个模型，一个是分析地形数据的电磁绕射模型，一个是计算自由空间传播的衰减模型，在两个模型的选择上通过地形信息进行判断，利用对应地形的公式对电磁衰减做出精准预测。
[0005]本专利技术通过以下措施达到：
[0006]一种基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：读取DEM数据；
[0008]步骤2：差值得到路径高程曲线，其中利用双线性插值法实现对高程的插值，根据采样点附近的四个网格节点的高程数据来插值计算得到该采样点的高程值，对于每一个采样点P，都找到其周围的四个已知高程的点A、B、C、D，他们的高程值分别为H
a
、H
b
、H
c
、H
d
，则P点高程值为：
[0009]H
p
＝(1
‑
dx)(1
‑
dy)H
c
+dx(1
‑
dy)H
d
+dxdyH
b
+(1
‑
dx)dyH
a
ꢀꢀꢀ
(1)；
[0010]步骤3：判断路径上是否存在障碍物，若不存在障碍物，可视为光滑地球，计算自由空间衰减，若存在障碍物，执行步骤4：
[0011]障碍物判断流程为：先确定路径各个极值点所在区间，计算出该区间上的地表崎岖度和路径第一菲涅尔区半径，判断是否满足障碍物条件，若满足条件则判定该区间上存
在障碍物，并继续判断障碍物类型，计算出障碍物所在区间端点到障碍物顶点的水平距离，通过几何关系计算出障碍物顶点以下一定距离的宽度，利用公式计算出地形参数，比较并判断出该障碍物类型，最后计算相邻障碍物顶点间的水平距离，若小于设定值则认为是级联型障碍物，可连续利用绕射模型计算障碍物的绕射衰减；
[0012]步骤4：则计算视距绕射损耗后继续分析判断障碍物的类型，得到对于尖峰形、圆形以及级联型障碍物的绕射损耗：
[0013]步骤5：加上附加的反射、散射损耗，得到最终的电磁信号总衰减。
[0014]本专利技术中具体通过以下步骤实现：
[0015]步骤(1)：进行地面类型的分析，通过电磁信号途经地形的崎岖度来判断，计算方法如式(2)所示：
[0016]Δh＝0.8(h
max
‑
h
min
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]其中，h
max
、h
min
表示高程在区间内连续的极大值和极小值，单位为m，观测该崎岖度的数值以判断传播路径上是否存在障碍物。这里还要计算传播路径上的第一菲涅尔区半径如公式(3)所示：
[0018][0019]其中，d表示区间长度，单位为m，f表示信号频率，单位为MHz，如果Δh≤0.1R，则认为是该区间内无障碍物，否则判定为有障碍物存在；
[0020]步骤(2)：判断视距绕射：计算视距范围是否大于边际的视距距离d
los
，d
los
计算公式如(4)所示，
[0021][0022]其中，a
e
是地球有效半径，单位是km。h1、h2分别表示收发两端天线的高度，单位是m。如果d≥d
los
，则需要考虑绕射衰减来计算视距的绕射；否则无需考虑视距的影响，采用视界内的绕射衰减算法来对信号衰减进行预测；
[0023]视距外的绕射损耗计算公式如(5)所示：
[0024]L
d
＝F(X)+G(Y1)+G(Y2)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0025]其中，
[0026][0027][0028][0029][0030]步骤(3)：判断障碍物的类型，分为两种孤立的障碍物类型，分别为尖峰型和圆形障碍物，具体通过地形参数u的大小来判断，地形参数的计算方法如(10)所示：
[0031][0032]式中参数r0的物理意义是指障碍物的顶点下方H0＝0.577
×
R处平行于收发端连线的该孤立障碍物的宽度，利用坡度信息通过几何关系计算r0，判断障碍物类型的条件：若u＞3，则障碍物类型为尖峰形障碍物；反之为圆形障碍物；
[0033]步骤(4)：单个障碍物传输损耗计算方法：采用公式(11)、(12)计算绕射衰减J(v)：
[0034][0035][0036]其中，v是用来标记障碍物特征的归一化参数；h是菲涅耳余隙，可能是负值，单位m；f是电磁信号的频率，单位是MHz；d1、d2表示图中所示两段路径的长度，单位为km；
[0037]圆形障碍物绕射损耗为：
[0038]L＝J(v)+T(m,n)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0039]其中，J(v)表示等效为尖峰形障碍物时在尖峰顶点产生的绕射衰减，T(m,n)表示衰减考虑了圆形障碍物的曲率特征，相应的计算方法如式(14)
‑
(16)所示。
[0040][0041][0042][0043]步骤(5)：级联障碍物传输损耗计算方法：对于两个级联障碍物的情况，看作是第一个障碍物的顶部起电磁辐射源的作用，在第二个障碍物上发生绕射，当处理两个尖峰型障碍物时，第一绕射路径由距离d1、d2和高度h1确定，给出损耗L1(dB)，第二绕射路径由距离d2、d3和高度h2确定，给出损耗L2(dB)，L1和L2用(4)中的公式进行计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：读取DEM数据；步骤2：差值得到路径高程曲线，其中利用双线性插值法实现对高程的插值，根据采样点附近的四个网格节点的高程数据来插值计算得到该采样点的高程值，对于每一个采样点P，都找到其周围的四个已知高程的点A、B、C、D，他们的高程值分别为H
a
、H
b
、H
c
、H
d
，则P点高程值为：H
p
＝(1
‑
dx)(1
‑
dy)H
c
+dx(1
‑
dy)H
d
+dxdyH
b
+(1
‑
dx)dyH
a
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；步骤3：判断路径上是否存在障碍物，若不存在障碍物，可视为光滑地球，计算自由空间衰减，若存在障碍物，执行步骤4：障碍物判断流程为：先确定路径各个极值点所在区间，计算出该区间上的地表崎岖度和路径第一菲涅尔区半径，判断是否满足障碍物条件，若满足条件则判定该区间上存在障碍物，并继续判断障碍物类型，计算出障碍物所在区间端点到障碍物顶点的水平距离，通过几何关系计算出障碍物顶点以下一定距离的宽度，利用公式计算出地形参数，比较并判断出该障碍物类型，最后计算相邻障碍物顶点间的水平距离，若小于设定值则认为是级联型障碍物，可连续利用绕射模型计算障碍物的绕射衰减；步骤4：则计算视距绕射损耗后继续分析判断障碍物的类型，得到对于尖峰形、圆形以及级联型障碍物的绕射损耗：步骤5：加上附加的反射、散射损耗，得到最终的电磁信号总衰减。2.根据权利要求1所述的一种基于数字高程模型的电磁传播衰减预测方法，其特征在于，具体通过以下步骤实现：步骤(1)：进行地面类型的分析，通过电磁信号途经地形的崎岖度来判断，计算方法如式(2)所示：Δh＝0.8(h
max
‑
h
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，h
max
、h
min
表示高程在区间内连续的极大值和极小值，单位为m，观测该崎岖度的数值以判断传播路径上是否存在障碍物。这里还要计算传播路径上的第一菲涅尔区半径如公式(3)所示：其中，d表示区间长度，单位为m，f表示信号频率，单位为MHz，如果Δh≤0.1R，则认为是该区间内无障碍物，否则判定为有障碍物存在；步骤(2)：判断视距绕射：计算视距范围是否大于边际的视距距离d
los
，d
los
计算公式如(4)所示，其中，a
e
是地球有效半径，单位是km。h1、h2分别表示收发两端天线的高度，单位是m。如果d≥d
lo...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘功亮，孙子奇，马若飞，康文静，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：