不规则大气波导环境中海陆混合路径的电磁脉冲传播预测算法研究

Atmospheric duct is a kind of unusual refraction phenomena which frequently appears on the sea surface. It could trap electromagnetic wave in a thin layer of atmosphere, and leads to over the horizon(OTH) propagation and Radar Blind Space (RBS), has important impacts on sea surface detection and communication equipment. In this project, a new irregular atmospheric duct model is proposed for the first time based on the distributed characteristic of the atmospheric duct; then combined with time-frequency transform, phase compensation, parallel computation and so on, the electromagnetic pulse propagation algorithm is proposed, and form a high efficiency algorithm and program; use theory analysis and simulation results to analyze the effects of irregular atmospheric duct on the electromagnetic pulse, and establish a relevant propagation model; create accurate predictions of electromagnetic fields distributed situation in both time and spatial domain, and evaluate the equipment’s efficiency. This project adopts a method that combines statistics、simulation analysis and theory modeling, to shed light on the irregular atmospheric duct’s mechanism of action on electromagnetic pulse, and to predict the electromagnetic fields distribution over particuliar scenes, which is of great practical significance to ensure sea based equipments such as radar、early warning system、guidance system and communication systems normally work although they are under the unusual atmospheric condition.

大气波导是海面经常出现的一种异常折射现象，会将电磁波陷获其中，导致超视距传播和雷达盲区形成，对海上探测和通信有着重要影响。本课题首次从大气波导的分布特征出发，构建不规则大气波导电磁模型；结合时频变换、相位补偿、并行计算等方法，提出基于抛物方程的高效时域脉冲传播算法，形成快速准确的计算程序；从理论和仿真分析不规则大气波导对时域脉冲电波的影响机理，形成相应的海陆混合路径电波传播模型；借此预测我国海域大气波导环境下的电波时-空域分布态势，对海上设备的工作效能进行有效评估。本课题采用统计数据、理论建模、仿真分析相结合的研究方法，有望揭示不规则大气波导对电磁脉冲的作用机理，充分预测特定海陆环境下的电波分布态势，对保障海上雷达、预警、制导、通信设备在异常大气条件下充分发挥其使用效能具有重要意义。

大气波导是影响海面电波传播的重要因素，其提供了信号远距离传输的机制，也造成了信号的衰落和扰动，直接影响海上通信和探测设备的工作效能。研究大气波导环境下的时域脉冲建模及快速算法有助于深入分析大气波导对信号的作用机理，对系统中的传播影响进行预测、修正和评估，具有重要的科学价值和应用前景。本项目针对我国海域大气波导的特点构建了不规则大气波导电磁模型，以抛物方程法为核心研究与之相适应的电磁脉冲传播求解方法，实现了大气波导中典型脉冲信号的传播模拟与分析,并进行了正确性验证。从理论和仿真分析不规则大气波导对时域电磁脉冲传播的影响机理，研究并发展适用于大气波导环境的电磁态势分析方法和电磁信号传播特征估计方法，包括收发脉冲互相关函数峰值搜索法确定传播时延，基于MUSIC的抛物方程来波DOA估计法和基于Hilbert变换和分数阶傅里叶变换的脉冲包络、瞬时频率和时延估计方法，在大气波导环境下具有较高的精度和分辨率。最后，结合我国海域大气波导的具体环境信息，对海上通信探测设备的工作效能进行了仿真和评估。（1）基于抛物方程模型和统计规律仿真大气波导的衰落特性，形成确定性模型和统计性模型结合的信道模型，提供了信道容量的估算方案，为超视距通信性能的量化以及MIMO技术的应用展开提供了技术支持。（2）构建了考虑实际海域大气波导水平非均匀分布特性的电波传播模型，减小了雷达探测范围预测误判的概率，为大尺度实际海域大气波导环境下的雷达三维探测性能评估和补盲研究提供了参考依据。（3）提出了基于抛物方程的对流层雷达脉冲描述字生成方法，实现了海路混合路径上脉冲流的传播计算及其特征参数估计，为复杂环境下的目标探测与定位提供了技术支持。