一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，具體為：首先對羅蘭?C電流時域信號進行采樣，對采樣后的信號作離散傅里葉變換，將其分解為多個頻率電流分量；然后采用平地面公式計算每個頻率電流分量在近區(qū)所輻射的磁場，并通過近遠區(qū)邊界上的磁場結(jié)果作為非均勻網(wǎng)格剖分的離散分布拋物方程方法的初始場計算遠區(qū)磁場，從而得到每個頻率電流分量在地表所產(chǎn)生的磁場；最后，采用基于滑動窗思想的傅里葉逆變換，從得到的多個頻率電流分量在地表輻射的頻域磁場恢復(fù)出時域磁場信號。本發(fā)明專利技術(shù)方法克服現(xiàn)有理論難于預(yù)測實際長距離羅蘭?C信號ASF分布的不足，與現(xiàn)有頻域方法相比，預(yù)測精度明顯提高，具有實用性強的特點。

A method for high resolution prediction of ASF with discrete discrete Parabolic Equations

The invention discloses a method, a ASF high prediction accuracy of narrowband discrete distribution of parabolic equations in particular: first of all Luo Lan C current time-domain signal sampling, discrete Fourier transform of the sampled signals, which can be decomposed into a plurality of frequency current components; and then calculate the radiation in the near field of each frequency component of current use flat ground formula of magnetic field, and the initial field through the boundary of near and far zone on the field as a result of non uniform mesh discrete distribution of parabolic equation method for the calculation of the far zone field, resulting in each frequency component of current generated in the magnetic field; finally, using Fourier transform sliding window based on the idea of change, from the magnetic field frequency a plurality of frequency current components in the surface radiation recovery time domain magnetic field signal. The method of the invention is to overcome the existing theory, it is very difficult to predict the actual length of less than C Roland ASF distribution of the signal distance, compared with the existing frequency-domain method, the prediction accuracy is obviously improved, with strong practicability.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法
本專利技術(shù)屬于電波傳播
，具體涉及一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法。
技術(shù)介紹
目前獲取羅蘭-C附加二次時延(AdditionalSecondaryFactor，ASF)的方法可以分為兩類：時域方法和頻域方法。其中時域方法都是基于FDTD方法展開的，這類方法預(yù)測精度高，但是內(nèi)存消耗大、計算時間過長，因此其不適用于長距離電波傳播問題。頻域方法主要包括：平地面公式、Fock繞射方法、Wait積分、Millington公式、積分方程(IntegralEquation，IE)方法、拋物方程(ParabolicEquation，PE)方法等。頻域方法僅適用于單頻信號電波傳播預(yù)測，其對ASF的求解均是依據(jù)對100kHz單頻信號展開的，而實際的羅蘭-C信號為100kHz載波調(diào)制的高斯脈沖，周圍環(huán)境對羅蘭-C信號和單頻信號的影響不同。因此，有必要對實際長距離羅蘭源的ASF分布進行仿真預(yù)測。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，解決現(xiàn)有時域方法不適用于長距離電波傳播，而現(xiàn)有頻域方法預(yù)測精度低的問題。本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是，一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：對實測羅蘭-C時域電流時域信號i(t)進行采樣，采樣后得到信號i(n)，其中，n＝0,1,2,…,Nt，將采樣后的信號作離散傅里葉變換，分解為多個頻率電流分量I(m)，其中，m＝0,1,2,…,Nf；步驟2：當(dāng)m＝0時，利用平地面公式計算頻率f(m)對應(yīng)的電流分量I(m)在近區(qū)即區(qū)域I(ρ≤ρ0)產(chǎn)生的磁場分布步驟3：以步驟2計算的近區(qū)最大處即近遠區(qū)邊界ρ＝ρ0處的磁場作為遠區(qū)即區(qū)域II(ρ≥ρ0)的激勵源，用非均勻網(wǎng)格剖分的離散分布拋物方程方法用于求解遠區(qū)的磁場分布步驟4：通過步驟2和步驟3可得到頻率為f(m)的電流分量I(m)在地面接收點輻射的磁場強度；更新步驟2和步驟3中的m，對其賦值為m＝m+1，當(dāng)f(m)≤fmax時，重復(fù)步驟2和步驟3即可求得羅蘭-C帶寬中每個頻率處電流分量I(m)在地面接收點輻射的磁場強度步驟5：基于滑動窗的思想，對步驟4中計算的磁場分布，采用離散傅里葉逆變換求解地表任意距離處接收到的時域羅蘭-C信號和滑動時間twindow(ρ)，并提取ASF(ρ)分布。本專利技術(shù)的特點還在于：步驟1中得到電流分量I(m)具體為：對采樣后的信號i(n)作離散傅里葉變換，公式為：其中，Nt和Δt分別為離散時域電流信號的樣本長度和采樣步長，Nf和Δf分別為離散頻域電流信號的樣本長度和采樣步長，記Imax為I(m)的最大值，fmax和fmin為頻率上下邊界且均對應(yīng)于0.1Imax處的頻率，為了簡便，記f(m)＝fmin+mΔf，且有f(m)≤fmax。步驟2具體為：設(shè)時諧因子為ejωt，采用二維柱坐標(biāo)系(ρ,z)，其中ρ和z分別表示為距離和高度坐標(biāo)，根據(jù)實際發(fā)射天線尺寸，通過測量得到垂直電偶極子的電荷間距dl，放置在距離地面高度為d的位置，利用平地面公式計算近區(qū)即ρ≤ρ0頻率為f(m)的電流分量所產(chǎn)生的輻射地波磁場采用如下公式計算：其中，ρ0為近區(qū)與遠區(qū)的分界處，k0和k1分別對應(yīng)頻率為f(m)真空和地面的波數(shù)，r1表示從源點到觀測點的直線距離，r0表示從源的鏡像點到觀測點的直線距離，P為中間參量為：F(z)是Fresnel積分，其定義為：步驟3中用非均勻網(wǎng)格剖分的離散分布拋物方程方法用于求解遠區(qū)的磁場分布具體為：首先將近遠場邊界處的磁場作為遠區(qū)的激勵源，即定義沿ρ軸正方向傳播的波函數(shù)為：離散分布拋物方程方法的求解過程為步進迭代算法：其中，和為離散混合傅里葉變換對，為大氣折射率，Δρ為ρ方向的網(wǎng)格大小，對于實際的復(fù)雜地形，Δρ為非均勻網(wǎng)格，在均勻平地面Δρ為大網(wǎng)格，在起伏地形處，Δρ取小網(wǎng)格；由步驟2計算可得到頻率為f(m)的電流分量在近遠區(qū)邊界產(chǎn)生的磁場將其代入式(4)和(5)中求得u(m,ρ0,z)，通過式(6)求出每一步進處的u(m,ρ,z)，從而進一步確定該頻率成分電流分量在遠區(qū)輻射的磁場步驟4具體為：步驟2和步驟3可得到頻率為f(m)的電流分量I(m)在整個計算區(qū)域產(chǎn)生的磁場強度包含區(qū)域I和區(qū)域II產(chǎn)生的磁場和為了求解地面ASF分布，提取地面接收點zx＝T(x)輻射的磁場強度其中T(x)是地形高度；更新步驟2和步驟3中的m，對其賦值為m＝m+1，當(dāng)f(m)≤fmax時，重復(fù)步驟2和步驟3求得羅蘭-C帶寬中每個頻率處電流分量在地表面的磁場強度步驟5具體為：定義滑動窗IDFT：其中，Nw是滑動窗的網(wǎng)格數(shù)且Nw＝4T/dt，T為載波周期，4T既表示羅蘭-C信號的前四載波周期，也表示滑動窗的持續(xù)時間，twindow(ρ)表示每一距離窗口的滑動時間；下面給出ASF(ρ)提取公式：ASF(ρ)＝TAT-TAT0(8)其中TAT(ρ)＝twindow(ρ)+3T(9)TAT0(ρ)＝twindow0(ρ)+3T(10)twindow(ρ)和twindow0(ρ)分別表示實際路徑和良導(dǎo)體路徑的滑動時間，TAT(ρ)和TAT0(ρ)分別表示實際路徑和良導(dǎo)體路徑的信號跟蹤點的到達時刻；結(jié)合式(8)、(9)和(10)求出地表的ASF(ρ)分布。twindow(ρ)具體為：地波的傳播速度小于光速C，所以在應(yīng)用滑動窗的時候，要隨時監(jiān)測相位跟蹤點在窗中的位置Ns有沒有發(fā)生變化，已知初始時刻相位跟蹤點的位置為3Nw/4，開始窗口以光速滑動，每當(dāng)窗口滑動一次，就需要對此刻相位跟蹤點的位置Ns進行校對，當(dāng)Ns等于3Nw/4，窗口不動且將ρ賦值為ρ+Δρ，否則，向后滑動Ns-3Nw/4個時間網(wǎng)格并且將ρ保持不變，校正后的twindow(ρ)可用公式表示為：通過步驟4已求出各個頻率成分電流分量在地面產(chǎn)生的磁場的將代入式(7)中的H(m)中；結(jié)合式(11)，即可求出地表任意距離處接收到的twindow(ρ)。本專利技術(shù)的有益效果是：①本專利技術(shù)克服了傳統(tǒng)方法難于預(yù)測實際羅蘭-C信號源在長距離復(fù)雜環(huán)境下的ASF分布，提出一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法。與傳統(tǒng)SSPE方法相比，該方法直接從羅蘭-C信號源入手，對其進行分析，而非100kHz的單頻信號，這樣避免了對源的近似帶來的誤差；并且該方法的到達時刻是從時域恢復(fù)的羅蘭-C信號中提取第三時刻載波周期的過零點，該操作與實際相符，而非100kHz單頻信號是從頻域?qū)λp因子相位進行預(yù)測。從而，該方法的ASF預(yù)測結(jié)果比傳統(tǒng)SSPE方法與實際吻合的更好。②本專利技術(shù)一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法基于傳統(tǒng)SSPE方法對遠區(qū)場分布進行求解，為了提高分布離散傅里葉變換(Split-StepFourierTransform，SSFT)算法的總體效率，采用非均勻剖分網(wǎng)格思想，在均勻平緩路徑，使用大網(wǎng)格，在復(fù)雜地形路徑，使用小網(wǎng)格。③本專利技術(shù)一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法將滑動窗思想和IDFT技術(shù)結(jié)合，提出滑動窗IDFT，從而能夠高效的從頻域信號中恢復(fù)出有用的截斷時域信號，而不產(chǎn)生任何冗余，大大提高了計算的效率。附圖說明圖1是本專利技術(shù)方法的流程圖；圖2是本專利技術(shù)方法的結(jié)構(gòu)示意圖；本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1：對實測羅蘭?C時域電流時域信號i(t)進行采樣，采樣后得到信號i(n)，其中，n＝0,1,2,…,N

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1：對實測羅蘭-C時域電流時域信號i(t)進行采樣，采樣后得到信號i(n)，其中，n＝0,1,2,…,Nt，將采樣后的信號作離散傅里葉變換，分解為多個頻率電流分量I(m)，其中，m＝0,1,2,…,Nf；步驟2：當(dāng)m＝0時，利用平地面公式計算頻率f(m)對應(yīng)的電流分量I(m)在近區(qū)即區(qū)域I(ρ≤ρ0)產(chǎn)生的磁場分布步驟3：以步驟2計算的近區(qū)最大處即近遠區(qū)邊界ρ＝ρ0處的磁場作為遠區(qū)即區(qū)域II(ρ≥ρ0)的激勵源，用非均勻網(wǎng)格剖分的離散分布拋物方程方法用于求解遠區(qū)的磁場分布步驟4：通過步驟2和步驟3可得到頻率為f(m)的電流分量I(m)在地面接收點輻射的磁場強度；更新步驟2和步驟3中的m，對其賦值為m＝m+1，當(dāng)f(m)≤fmax時，重復(fù)步驟2和步驟3即可求得羅蘭-C帶寬中每個頻率處電流分量I(m)在地面接收點輻射的磁場強度步驟5：基于滑動窗的思想，對步驟4中計算的磁場分布，采用離散傅里葉逆變換求解地表任意距離處接收到的時域羅蘭-C信號和滑動時間twindow(ρ)，并提取ASF(ρ)分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，其特征在于，所述步驟1中得到電流分量I(m)具體為：對采樣后的信號i(n)作離散傅里葉變換，公式為：其中，Nt和Δt分別為離散時域電流信號的樣本長度和采樣步長，Nf和Δf分別為離散頻域電流信號的樣本長度和采樣步長，記Imax為I(m)的最大值，fmax和fmin為頻率上下邊界且均對應(yīng)于0.1Imax處的頻率，為了簡便，記f(m)＝fmin+mΔf，且有f(m)≤fmax。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，其特征在于，所述步驟2具體為：設(shè)時諧因子為ejωt，采用二維柱坐標(biāo)系(ρ,z)，其中ρ和z分別表示為距離和高度坐標(biāo)，根據(jù)實際發(fā)射天線尺寸，通過測量得到垂直電偶極子的電荷間距dl，放置在距離地面高度為d的位置，利用平地面公式計算近區(qū)即ρ≤ρ0頻率為f(m)的電流分量所產(chǎn)生的輻射地波磁場采用如下公式計算：其中，ρ0為近區(qū)與遠區(qū)的分界處，k0和k1分別對應(yīng)頻率為f(m)真空和地面的波數(shù)，r1表示從源點到觀測點的直線距離，r0表示從源的鏡像點到觀測點的直線距離，P為中間參量為：F(z)是Fresnel積分，其定義為：4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度預(yù)測ASF的窄帶離散分布拋物方程方法，其特征在于，所述步驟3中用非均勻網(wǎng)格剖分的離散分布拋物方程方法用于求解遠區(qū)的磁場分布具體為：首先將近遠場邊界處的磁場作為...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：席曉莉，王丹丹，張金生，蒲玉蓉，李征委，
申請(專利權(quán))人：西安理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61