一种基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法

摘要

本发明公开了一种基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法，包括如下步骤：（1）针对裸地散射特性，对其杂波幅度均值有显著影响的环境参数进行编号；（2）利用实测数据分析每种环境参数单独变化时裸地杂波幅度均值的变化趋势，根据参数变化范围和相应杂波幅度均值变化范围，求出每种参数对幅度均值的影响系数；（3）给出该参数下幅度均值的类推公式；（4）给出多参数杂波幅度均值的类推公式。本发明所公开方法利用已知裸地的杂波幅度均值类推出与其具有相似特征的裸地杂波的幅度均值，可克服某些地区实际测试困难，经验模型精度不足等瓶颈问题，对时效性要求较高、较偏远地区的杂波认知具有重要意义。

权利要求

1.一种基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)针对裸地散射特性，对其杂波幅度均值有显著影响的环境参数包括但不限于粗糙度、含水量和介电常数，对所有参数进行编号，记作x1,x2…xm…xM；

(2)利用实测数据分析每种环境参数单独变化时裸地杂波幅度均值的变化趋势，并记录趋势曲线；根据参数变化范围和相应杂波幅度均值变化范围，求出每种参数对杂波幅度均值的影响系数：

其中Δσ为杂波幅度均值变化范围，Δxm为参数变化范围，对于有些呈现分段变化趋势的参数，kxm应当用分段函数表示；

(3)以第m个参数为例，给出该参数下杂波幅度均值的类推公式：其中σt(xm)为类推目标样本的杂波幅度均值， 为已知的参考样本的杂波幅度均值，fm(Δxm)为关于变量xm差值的拟合公式；

根据步骤(2)的内容，给出fm(Δxm)的显性表达式，利用线性回归方程求出拟合参数，从而得出拟合公式fm(Δxm)；

(4)根据步骤(3)的内容，给出多参数杂波幅度均值的类推公式：其中αm为第m个参数在所有环境参数中对杂波幅度均值的影响权重系数，若所有M个参数对散射系数的影响是彼此相互独立的，则权重系数αm可默认为1；若其中有N，N≤M个参数对散射系数的影响是互相之间有相关性的，则可利用步骤2中的kxm计算：

2.根据权利要求1所述基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法，其特征在于：在步骤(3)中，fm(Δxm)的显性表达式包括但不限于多项式或由基础函数组成的公式。

说明书

一种基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法

技术领域

[0001] 本发明属于雷达地杂波特性研究领域，特别涉及该领域中的一种基于实测环境参数，利用已知地物的杂波特性，类推与其具有相似特征地物的杂波均值特性的方法。

背景技术

[0002] 在研究实际地物的杂波特性时，认知方式大多是通过测量试验获取的实测数据或者是参考国内外学者建立的杂波模型，如乌拉比的《微波遥感》中公开的多种地物散射的经
验模型。杂波测试的方式相对准确，但费时费力，对于某些有时效要求的特定任务不能及时
满足需求；参考经验模型的方式相对简捷，但是由于地物的复杂性，实际地物与模型之间往
往有一定差距，对于精度要求较高的任务也无法满足。因此需要研究一套地物杂波的预测
方法，达到及时、准确得出目标地物的杂波特性。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法。

[0004] 本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种基于粗糙度和湿度的相似裸地杂波均值特性类推方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

[0006] (1)针对裸地散射特性，对其杂波幅度均值有显著影响的环境参数包括但不限于粗糙度、含水量和介电常数，对所有参数进行编号，记作x1,x2…xm…xM；

[0007] (2)利用实测数据分析每种环境参数单独变化时裸地杂波幅度均值的变化趋势，并记录趋势曲线；根据参数变化范围和相应杂波幅度均值变化范围，求出每种参数对幅度
均值的影响系数：

[0008]

[0009] 其中Δσ为幅度均值变化范围，Δxm为参数变化范围，对于有些呈现分段变化趋势的参数，kxm应当用分段函数表示；

[0010] (3)以第m个参数为例，给出该参数下幅度均值的类推公式：

[0011]

[0012] 其中σt(xm)为类推目标样本的幅度均值， 为已知的参考样本的幅度均值，fm(Δxm)为关于变量xm差值的拟合公式；

[0013] 根据步骤(2)的内容，给出fm(Δxm)的显性表达式，利用线性回归方程求出拟合参数，从而得出拟合公式fm(Δxm)；

[0014] (4)根据步骤(3)的内容，给出多参数杂波幅度均值的类推公式：

[0015]

[0016] 其中αm为第m个参数在所有环境参数中对杂波幅度均值的影响权重系数，若所有M个参数对散射系数的影响是彼此相互独立的，则权重系数αm可默认为1；若其中有N，N≤M个
参数对散射系数的影响是互相之间有相关性的，则可利用步骤2中的kxm计算：

[0017]

[0018] 进一步的，在步骤(3)中，fm(Δxm)的显性表达式包括但不限于多项式或由基础函数组成的公式。

[0019] 本发明的有益效果是：

[0020] 本发明方法在已有研究成果的基础上，以裸地为研究对象，根据实测环境参数，分析粗糙度、含水量、介电特性等参数变化对裸地杂波均值特性(即散射系数)的影响程度，给
出量化统计方法，初步建立相似裸地的杂波均值特性类推方法，为后续更复杂地物杂波预
测提供依据。相比于直接进行杂波测试，该方法更简捷方便，相比于理论计算和经验模型，
该方法精度相对更好。本发明方法后期可应用在多种类型的地物中，对复杂地物的杂波认
知有一定帮助。

[0021] 本发明方法利用已知裸地的杂波幅度均值类推出与其具有相似特征的裸地杂波的幅度均值，可克服某些地区实际测试困难，经验模型精度不足等瓶颈问题，对时效性要求
较高、较偏远地区的杂波认知具有重要意义。

附图说明

[0022] 图1是本发明方法的流程示意图；

[0023] 图2a是不同粗糙度在湿度约9％下的实测数据对比图；

[0024] 图2b是不同粗糙度在湿度约5％下的实测数据对比图；

[0025] 图3是实测数据的幅度均值随粗糙度的变化情况示意图；

[0026] 图4a是不同土壤湿度在均方根高度约为4cm下的杂波幅度均值对比图；

[0027] 图4b是不同土壤湿度在均方根高度约为2cm下的杂波幅度均值对比图；

[0028] 图5是实测数据的杂波幅度均值随湿度的变化情况示意图；

[0029] 图6a是在湿度约为5％下的粗糙度类推结果与实测数据的对比图；

[0030] 图6b是在均方根高度约为2cm下的类推结果与实测数据对比图；

[0031] 图7是多参数类推结果与实测数据的对比图。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0033] 本实施例的实施流程图如图1所示。为便于展示效果，实施例以某次裸地测试的杂波和环境参数数据为类推样本，研究对象为均匀平坦地形的裸地，频段范围为S波段，极化
为HH，入射角范围为20°到80°，其他相关雷达参数在类推过程中默认为一致；类推中会包含
一些已有文献资料的引用。具体包含如下步骤：

[0034] (1)根据文献资料和已有的杂波研究成果，在均匀地形下，影响裸地杂波幅度均值特性的主要参数包括土壤表面粗糙度、土壤湿度、土壤介电常数等，由于土壤介电常数主要
受土壤湿度影响，因此主要影响因素为土壤粗糙度和土壤湿度，分别编号为x1,x2。

[0035] (2)结合已有文献和实测数据，分析土壤粗糙度x1和土壤湿度x2单独变化时裸地物杂波幅度均值的变化趋势。

[0036] 如表1所示，为某次裸地杂波测试的环境参数记录表格。其中粗糙度rms是表面均方根高度，通常表征地面的粗糙程度；土壤湿度是用重量百分比进行表示。表2为相应测试
的地杂波散射系数均值，极化为HH极化，入射角范围为20°到80°，步进为5°。以该次实测数
据为类推样本，结合相关理论和文献结论，进行参数变化分析。

[0037]

[0038] 表1裸地土壤参数测试表格

[0039]

[0040] 表2裸地杂波幅度均值σ0(dB)记录表

[0041] (21)变量x1土壤粗糙度引起的杂波均值变化。

[0042] 根据Ulaby《微波遥感》中散射系数随均方根高度和入射角的相关结论，有以下规律：均方根高度在1cm到4.5cm的范围时，入射角大于10°后，散射系数随均方根高度增加有
近似线性增加的趋势。结合该规律，利用实测数据分析。

[0043] 对比表1中环境参数，选取湿度相当(湿度相差在2％以内)，粗糙度有显著变化的测试数据进行对比。利用上述原则，分别选取1011和1013，1102和1014进行对比分析。如图
2a、2b所示，为不同粗糙度的实测杂波数据对比情况，可以看出不同粗糙度的幅度均值存在
明显差距，而且这种差距随入射角有一定变化。根据散射系数差值变化量与入射角的关系，
对入射角范围进行分段分析。

[0044] 如图3所示，给出了20°到50°和55°到80°不同入射角范围，幅度均值随粗糙度的变化情况。根据粗糙度变化范围和相应杂波幅度均值变化范围，求出影响系数kx1：

[0045]

[0046] (22)变量x2土壤湿度引起的杂波均值变化。

[0047] 类似的，依据文献资料的内容，在其他参数确定的情况下，裸地的幅度均值(dB)随土壤湿度近似呈现线性变化。

[0048] 对比表1中环境参数，选取粗糙度基本相当(粗糙度相差在1cm以内)，湿度有显著变化的测试数据进行对比。利用上述原则，分别选取1010和1014，1011和1102进行对比分
析。如图4a，4b所示，不同土壤湿度的杂波幅度均值对比情况，从对比结果可看出，整体上湿
度较大的裸地杂波幅度均值更大。散射系数差值随入射角的变化趋势不明显，可假设在20°
到80°范围内，幅度均值随土壤湿度的变化程度一致，可将所有角度数据进行统计分析。

[0049] 如图5所示，给出了幅度均值随土壤湿度百分比的变化情况。根据湿度变化范围和相应杂波幅度均值变化范围，求出影响系数

[0050]

[0051] (3)给出单个参数的幅度均值的类推公式，以第m个参数为例：

[0052]

[0053] 其中σt(xm)为类推目标样本的幅度均值， 为已知的参考样本的幅度均值，Δxm为目标样本和参考样本在m参数的差值。

[0054] 对于粗糙度参数x1，依据步骤(2)中的分析结果，在一定粗糙度范围内，杂波幅度均值随粗糙度近似呈现线性变化，而且在不同入射角范围呈现分段形式，因此关于Δx1的
拟合公式f1(Δx1)为可用分段的线性方程来表示：

[0055]

[0056] 根据图2a、2b所示数据，利用线性回归方程求出公式(8)中的参数，即可得出拟合公式。鉴于幅度均值σ关于变量x1呈线性变化，拟合公式中的系数kx1,1可直接用公式(5)的系
数值，常量a默认为0，则关于变量x1粗糙度参数的类推公式为：

[0057]

[0058] 其中，2cm≤x1≤12cm为该公式对粗糙度的限用范围。

[0059] 类似的，湿度参数x2的类推公式利用上述思路和图4a、4b数据也可得到，

[0060]

[0061] 其中，4％≤x2≤15％为该公式对湿度的限用范围。

[0062] 下面给出依据公式(9)、(10)单参数类推实例，其中粗糙度单参数类推以表1中1102数据为参考样本，以1014数据为目标样本；湿度单参数类推以1102数据为参考样本，以
1011数据为目标样本。类推结果和实测结果的对比如图6a、6b所示。粗糙度类推结果与实测
数据的平均差值为‑0.8187dB，湿度类推结果与实测数据的平均差值为0.0797dB，说明单参
数的类推结果比较接近实测数据。

[0063] (4)根据步骤(3)内容，给出多参数杂波幅度均值的类推公式：

[0064]

[0065] 利用步骤(2)中的km和公式(4)计算权重系数αm。

[0066] 根据过往经验，粗糙度变量和湿度变量之间没有明显的相关性，因此可认为粗糙度和湿度两个变量是相互独立的，因此α1和α2可默认为1，类推公式为：

[0067]

[0068] 以表1中1014数据为参考样本，以1010数据为目标样本，根据公式(12)和表1中的参数，给出类推实例。结果如图7所示，类推结果的曲线与目标数据的曲线非常接近，整体幅
度均值平均误差为‑0.63dB，说明该类推公式在限定范围内具有较好的适用性。

[0069] 本实施例给出的样本参数较少，限定的范围比较多，公式(12)还不能作为所有裸地的类推公式。随着样本数的增多，公式逐渐完善，适用性会更加广泛。