【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海上气象观测，特别涉及一种漂浮式海上混合大气波导监测装置及方法。
技术介绍
1、对流层大气是绝大多数的无线电系统工作的主要媒介，也是复杂电磁环境的主要载体。大气波导是对流层大气中的一种反常状态，能够将电磁波束缚在一定的大气层内进行传播，从而改变电磁波的传播轨迹，形成超视距传播。大气波导可分为蒸发波导、表面波导以及悬空波导，蒸发波导高度较低一般位于40m以下；表面波导略高于蒸发波导，且与悬空波导的形成条件相似，一定条件下两者可以相互转换，但悬空波导一般高于表面波导；同时，不同的波导类型对电磁波传播的影响也不同。
2、目前，对于海上大气波导剖面的获取，主要分为直接和间接两种方式。直接探测的方式主要为采用微波折射率仪或激光雷达等仪器直接探测大气环境，获取大气修正折射率剖面，但其安装困难，造价和维护成本较高；间接探测方式主要采用气象梯度塔、科研船和探空气球采集海上的气象水文信息，基于经验公式或者波导模型等间接计算大气修正率类获取大气波导剖面，虽采用间接的方式获取大气波导数据降低了造价和维护成本，但因其探测方式，依旧无法实现对远洋大气波导的长期探测。同时，无论是上述间接或直接的探测方式均难以实现对所有波导类型进行长期同时且精确的探测。因此，如何实现对广阔海洋领域混合大气波导无人长期的实时探测是当前研究重点。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种漂浮式海上混合大气波导监测装置及方法，以达到实现同时对蒸发波导、表面波导和悬空波导的混合大气波导的实时
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，包括浮标平台、设置于浮标平台上的通讯天线收发模块、多波段雷达模块、ais模块、ads-b模块、运动姿态测量模块、数据采集控制模块、数据修正模块、混合大气波导反演模块、数据传输模块和供电模块；所述通讯天线收发模块、多波段雷达模块、ais模块、ads-b模块以及运动姿态测量模块固定在浮标平台顶部；数据采集控制模块、数据修正模块、混合大气波导反演模块、数据传输模块和供电模块被安装浮标平台内部；
4、所述多波段雷达模块、ais模块、ads-b模块以及运动姿态测量模块均与数据采集控制模块相连，数据采集控制模块与数据修正模块相连，数据修正模块与混合大气波导反演模块相连，混合大气波导反演模块与数据传输模块相连，数据传输模块与通讯天线收发模块相连，并通过北斗通信，卫星通信以及4g/5g通信方式发送至岸边客户端；供电模块为整个装置提供所需的电能；
5、所述多波段雷达模块基于可调频特性，可发射不同频段的电磁波信号并接收海面散射回来的信号；其次，利用浮标平台的摇晃或升降会造成发射天线高度产生变化的特性，在一段时间内，按照设定由控制电路调节发射的电波频段，通过不断收发雷达信号来获取不同频段和不同高度的海杂波数据；
6、所述ais模块通过不断接收探测区域内船舶所发射ais信号，解码ais信号得到该船舶的经度、纬度和ais发射机型号信息，并分析ais信号，得到从该船舶处接收的ais信号的功率；
7、所述ads-b模块通过不断接收探测区域内的飞行器的ads-b信号，解码ads-b信号得到飞行器的经度、纬度和高度信息；并分析ads-b信号得到从该处飞行器接收到的ads-b信号的功率；
8、所述运动姿态测量模块用于测量浮标平台的运动特性，包括纵摇、横摇、升沉运动姿态数据以及经纬度参数和协调世界时间，基于运动姿态数据得到多波段雷达模块的收发天线以及ais模块和ads-b模块接收天线的实时高度；也用于修正因浮标平台运动姿态造成的多波段雷达海杂波数据以及接收的ais和ads-b信号功率的测量误差；
9、所述数据采集控制模块实时获取用于蒸发波导反演的海杂波数据以及用于表面波导和悬空波导的混合波导反演的接收功率数据，并按照统一格式分别进行存储，为混合大气波导的反演提供输入数据；获取运动姿态数据，得到多波段雷达模块收发天线高度，通过数据采集控制模块控制多波段雷达模块按照设定变化电磁波发射频率以获取不同频率不同高度的海杂波数据用于多目标反演；基于运动姿态数据，得到ais模块以及ads-b模块接收天线的实时高度；
10、所述数据修正模块用于修正因浮标平台姿态改变造成多波段雷达模块的真实海杂波数据以及ais模块和ads-b模块的接收功率数据的误差，通过不断地仿真实验得出不同浮标平台姿态条件下对海杂波数据和接收功率数据的修正经验公式，从而得到浮标水平状态下的真实海杂波数据以及接收功率数据；
11、所述混合大气波导反演模块根据所测量的海杂波数据以及接收功率数据对不同类型的大气波导剖面进行反演，并最终实现对同一时空条件下的混合大气波导剖面的实时反演，其中，多波段雷达的海杂波数据用于对蒸发波导剖面的多目标反演；其次，基于蒸发波导剖面的反演结果，利用接收的ais和ads-b功率数据实现对表面波导和悬空波导混合波导的多目标反演。
12、上述方案中，所述多波段雷达模块安装在浮标平台中轴线上，ais模块和ads-b模块被固定多波段雷达模块两侧，运动姿态测量模块位于浮标平台中轴线上且位于多波段雷达模块下方；通讯天线收发模块位于多波段雷达模块后方。
13、上述方案中，所述多波段雷达模块的发射天线为定向天线；ais模块以及ads-b模块的接收天线为全向天线。
14、一种漂浮式海上混合大气波导监测方法，采用如上所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，包括如下步骤：
15、步骤一、在每一个周期内，多波段雷达模块按设定发射多条时间间隔相同但频率设定不同的雷达信号，且对雷达信号进行编码以便识别和接收自身发出的信号；ais模块被设定为通用频率之后，实时接收测量范围内船舶的ais信号；ads-b模块被设定为通用频率之后，实时接收探测范围内飞行器的ads-b信号；
16、步骤二、数据采集控制模块按照设定对多波段雷达模块收发进行时刻控制与处理；对接收的ais和ads-b信号进行处理；同时接收同一时间内的运动姿态测量模块的信息；
17、其中，对于多波段雷达模块，数据采集控制模块控制其更改雷达频率以及电波编码方式；该模块在接收到自身雷达信号时，会根据雷达发射功率、天线增益设定参数计算出该频段对应的海杂波功率；
18、对于ais模块，数据采集控制模块对ais模块接收的ais信号进行解码分析并筛选出a类和b类两种类型的接收数据以及不同信号对应的船舶位置信息和该位置处的接收功率；基于a类和b类两种类型ais发射装置，按照不同的接收距离，对接收功率进行筛选，分别得到a类和b类两条随接收距离增加不断变换的接收功率数据；
19、对于ads-b模块，数据采集控制模块对ads-b模块接收到的ads-b信号进行解码分析并得到飞行器经纬度、高度数据，基于不同信号对应飞行器的位置信息得到该位置处的接收功率数据；
20、对于运动姿本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，其特征在于，包括浮标平台、设置于浮标平台上的通讯天线收发模块、多波段雷达模块、AIS模块、ADS-B模块、运动姿态测量模块、数据采集控制模块、数据修正模块、混合大气波导反演模块、数据传输模块和供电模块；所述通讯天线收发模块、多波段雷达模块、AIS模块、ADS-B模块以及运动姿态测量模块固定在浮标平台顶部；数据采集控制模块、数据修正模块、混合大气波导反演模块、数据传输模块和供电模块被安装浮标平台内部；
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，其特征在于，所述多波段雷达模块安装在浮标平台中轴线上，AIS模块和ADS-B模块被固定多波段雷达模块两侧，运动姿态测量模块位于浮标平台中轴线上且位于多波段雷达模块下方；通讯天线收发模块位于多波段雷达模块后方。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，其特征在于，所述多波段雷达模块的收发天线为定向天线；AIS模块以及ADS-B模块的接收天线为全向天线。
4.一种漂浮式海上混合大气波导监测方法，采用如权利要求1或2或3所述的一种漂浮式
5.根据权利要求4所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测方法，其特征在于，对蒸发波导进行反演包括如下步骤：
6.根据权利要求4所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测方法，其特征在于，对表面波导和悬空波导进行反演包括如下步骤：
7.根据权利要求5或6所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测方法，其特征在于，所述优化算法包括深度学习、遗传算法或粒子群算法。
8.根据权利要求6所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测方法，其特征在于，对于AIS模块接收功率，目标函数的建立有两种：一是忽略同一类型在不同船舶上AIS模块发射功率和天线增益数据的微小差别，以接收功率与仿真接收功率之间的均方根误差、平均误差数学比较模型作为目标函数；二是考虑不同船只上同一类型AIS模块的不同，以接收功率与仿真接收功率之间的数据相关性数学比较模型作为目标函数；对于ADS-B模块的接收功率数据，采用均方根误差数学模型作为目标函数。
...【技术特征摘要】
1.一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，其特征在于，包括浮标平台、设置于浮标平台上的通讯天线收发模块、多波段雷达模块、ais模块、ads-b模块、运动姿态测量模块、数据采集控制模块、数据修正模块、混合大气波导反演模块、数据传输模块和供电模块；所述通讯天线收发模块、多波段雷达模块、ais模块、ads-b模块以及运动姿态测量模块固定在浮标平台顶部；数据采集控制模块、数据修正模块、混合大气波导反演模块、数据传输模块和供电模块被安装浮标平台内部；
2.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，其特征在于，所述多波段雷达模块安装在浮标平台中轴线上，ais模块和ads-b模块被固定多波段雷达模块两侧，运动姿态测量模块位于浮标平台中轴线上且位于多波段雷达模块下方；通讯天线收发模块位于多波段雷达模块后方。
3.根据权利要求1所述的一种漂浮式海上混合大气波导监测装置，其特征在于，所述多波段雷达模块的收发天线为定向天线；ais模块以及ads-b模块的接收天线为全向天线。
4.一种漂浮式海上混合大气波导监...
【专利技术属性】
技术研发人员：仇志金，宋国庆，任文凯，王波，邹靖，胡桐，李志乾，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：
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