遗传算法结合正则化方法反演海洋大气波导

何然; 黄思训; 周晨腾; 姜祝辉

doi:10.7498/aps.61.049201

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摘要

针对正则化方法在解决实际反演问题时既能克服问题的不适定性又可以很大程度上抑制噪声和误差的传播, 本文提出了利用遗传算法结合正则化方法的新算法, 在遗传算法适应度函数中引入正则化项来反演波导参数; 然后对算法进行仿真试验, 结果表明新算法与传统遗传算法相比具有较高的反演精度, 并指出当噪声误差小于10%时, 算法具有较强的“去噪”性能; 最后利用机载雷达在Wallops岛探测的海表面处局部回波资料进行反演试验, 将反演结果与实测大气折射率廓线进行比较, 说明该算法的有效性. 新方法为海洋大气波导反演研究提供了一种新思路.

关键词:

遗传算法 /
正则化 /
反演 /
大气波导

作者及机构信息

1.
解放军理工大学气象学院, 南京 211101

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:41175025)资助的课题.

参考文献

[1]	Krolik J L, Tabrikian J 1998 Proceedings of the 1997 Battlespace Atmospherics Conference, San Diego CA, SPAWAR Sys Command Tech Republic, March 1998 p635
[2]	Gerstoft P, Rogers L T, Krolik J K, Hodgkiss W S 2003 Radio Sci. 38 8053
[3]	Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S 2006 IEEE Antennas. Propag. 54 1318
[4]	Vasudevan S, Anderson R H, Kraut S 2007 Radio Sci. 42
[5]	Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S 2008 IEEE Antennas. Propag. 56 1058
[6]	Sheng Z, Huang S X 2010 Acta Physica Sinica.59 1738 (in Chinese) [盛峥, 黄思训 2010 物理学报 59 1738]
[7]	Zhao X F, Huang S X, Sheng Z 2010 Chin Phys. B 19 049201
[8]	Zhao X F, Huang S X 2011 Chin Phys. B 20 029201
[9]	Zhao X F, Huang S X, Du H D 2011 Radio Sci. 46 RS1006
[10]	Zhao X F 2011 IEEE Antennas. Propag. (accepted)
[11]	Zhao X F, Huang S X 2011 Progress in Electromagnetics Research B 33 153
[12]	Dockery G D 1988 IEEE Antennas. Propag. 36 1464
[13]	Huang S X 2005 Mathematical and Physical Problem in Atmospheric Science(Beijing: China Meteorological Press) p422 (in Chinese) [黄思训 2005 大气科学中的数学物理问题(北京:气象出版社)第422页]
[14]	Sheng Z, Huang S X 2009 Acta Physi. Sin. 58 4328 (in Chinese) [盛峥, 黄思训 2009 物理学报 58 4328]
[15]	Barrios A E 1991 Radio Wave Propagation in Horizontally Inhomogeneous Environments by Using the Parabolic Equation Method AD-A 242 082
[16]	Douvenot R, Fabbro V, Gerstoft P, Bourlier C, Saillard J 2008 Radio Sci. 43 RS6005

施引文献

[1]	Krolik J L, Tabrikian J 1998 Proceedings of the 1997 Battlespace Atmospherics Conference, San Diego CA, SPAWAR Sys Command Tech Republic, March 1998 p635
[2]	Gerstoft P, Rogers L T, Krolik J K, Hodgkiss W S 2003 Radio Sci. 38 8053
[3]	Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S 2006 IEEE Antennas. Propag. 54 1318
[4]	Vasudevan S, Anderson R H, Kraut S 2007 Radio Sci. 42
[5]	Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S 2008 IEEE Antennas. Propag. 56 1058
[6]	Sheng Z, Huang S X 2010 Acta Physica Sinica.59 1738 (in Chinese) [盛峥, 黄思训 2010 物理学报 59 1738]
[7]	Zhao X F, Huang S X, Sheng Z 2010 Chin Phys. B 19 049201
[8]	Zhao X F, Huang S X 2011 Chin Phys. B 20 029201
[9]	Zhao X F, Huang S X, Du H D 2011 Radio Sci. 46 RS1006
[10]	Zhao X F 2011 IEEE Antennas. Propag. (accepted)
[11]	Zhao X F, Huang S X 2011 Progress in Electromagnetics Research B 33 153
[12]	Dockery G D 1988 IEEE Antennas. Propag. 36 1464
[13]	Huang S X 2005 Mathematical and Physical Problem in Atmospheric Science(Beijing: China Meteorological Press) p422 (in Chinese) [黄思训 2005 大气科学中的数学物理问题(北京:气象出版社)第422页]
[14]	Sheng Z, Huang S X 2009 Acta Physi. Sin. 58 4328 (in Chinese) [盛峥, 黄思训 2009 物理学报 58 4328]
[15]	Barrios A E 1991 Radio Wave Propagation in Horizontally Inhomogeneous Environments by Using the Parabolic Equation Method AD-A 242 082
[16]	Douvenot R, Fabbro V, Gerstoft P, Bourlier C, Saillard J 2008 Radio Sci. 43 RS6005

[1]	段晓亮, 王一博, 杨慧珠. 基于逆散射理论的地震波速度正则化反演. 物理学报, 2015, 64(7): 078901. doi: 10.7498/aps.64.078901
[2]	盛峥, 黄思训. 变分伴随正则化方法从雷达回波反演海洋波导(Ⅱ):实际反演试验. 物理学报, 2010, 59(6): 3912-3916. doi: 10.7498/aps.59.3912
[3]	盛峥, 黄思训. 变分伴随正则化方法从雷达回波反演海洋波导(Ⅰ):理论推导部分. 物理学报, 2010, 59(3): 1734-1739. doi: 10.7498/aps.59.1734
[4]	盛峥. 扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波在实时雷达回波反演大气波导中的应用. 物理学报, 2011, 60(11): 119301. doi: 10.7498/aps.60.119301
[5]	盛峥, 陈加清, 徐如海. 利用粒子滤波从雷达回波实时跟踪反演大气波导. 物理学报, 2012, 61(6): 069301. doi: 10.7498/aps.61.069301
[6]	姜祝辉, 黄思训, 何然, 周晨腾. 合成孔径雷达资料反演海面风场的正则化方法研究. 物理学报, 2011, 60(6): 068401. doi: 10.7498/aps.60.068401
[7]	周树波, 袁艳, 苏丽娟. 基于双阈值Huber范数估计的图像正则化超分辨率算法. 物理学报, 2013, 62(20): 200701. doi: 10.7498/aps.62.200701
[8]	葛德彪, 丁世敬, 申宁. 复合介质等效电磁参数的数值研究. 物理学报, 2010, 59(2): 943-948. doi: 10.7498/aps.59.943
[9]	韩月琪, 钟中, 王云峰, 杜华栋. 梯度计算的集合变分方案及其在大气Ekman层湍流系数反演中的应用. 物理学报, 2013, 62(4): 049201. doi: 10.7498/aps.62.049201
[10]	赵小峰, 黄思训. 垂直天线阵观测信息反演大气折射率廓线. 物理学报, 2011, 60(11): 119203. doi: 10.7498/aps.60.119203
[11]	刘广东, 张开银. 二维电磁逆散射问题的时域高斯-牛顿反演算法. 物理学报, 2014, 63(3): 034102. doi: 10.7498/aps.63.034102
[12]	洪梅, 张韧, 刘科峰. 基于遗传优化的西太平洋副高异常活动年份的动力预报模型反演. 物理学报, 2013, 62(7): 070505. doi: 10.7498/aps.62.070505
[13]	龙智勇, 石汉青, 黄思训. 利用卫星云图反演云导风的新思路. 物理学报, 2011, 60(5): 059202. doi: 10.7498/aps.60.059202
[14]	赵小峰, 黄思训. 大气波导条件下雷达海杂波功率仿真. 物理学报, 2013, 62(9): 099204. doi: 10.7498/aps.62.099204
[15]	陈洁, 张淳民, 王鼎益, 张兴赢, 王舒鹏, 栗彦芬, 刘冬冬, 荣飘. 地表反照率对短波红外探测大气CO2的影响. 物理学报, 2015, 64(23): 239201. doi: 10.7498/aps.64.239201
[16]	刘杰, 张建勋, 代煜. 基于多引导滤波的图像增强算法. 物理学报, 2018, 67(23): 238701. doi: 10.7498/aps.67.20181425
[17]	陈典兵, 朱明, 高文, 王慧利, 杨航. 基于残差矩阵估计的稀疏表示目标跟踪算法. 物理学报, 2016, 65(19): 194201. doi: 10.7498/aps.65.194201
[18]	邵轩, 楚晓亮, 王剑, 许金菊. 风浪因素对海洋波导雷达回波作用机理的研究. 物理学报, 2012, 61(15): 159203. doi: 10.7498/aps.61.159203
[19]	汪剑波, 卢俊. 双屏频率选择表面结构的遗传算法优化. 物理学报, 2011, 60(5): 057304. doi: 10.7498/aps.60.057304
[20]	吴忠强, 奥顿, 刘坤. 基于遗传算法的混沌系统模糊控制. 物理学报, 2004, 53(1): 21-24. doi: 10.7498/aps.53.21

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遗传算法结合正则化方法反演海洋大气波导

1. 解放军理工大学气象学院, 南京 211101

基金项目:

国家自然科学基金(批准号:41175025)资助的课题.

收稿日期: 2011-08-29

修回日期: 2011-10-24

刊出日期: 2012-02-05

摘要: 针对正则化方法在解决实际反演问题时既能克服问题的不适定性又可以很大程度上抑制噪声和误差的传播, 本文提出了利用遗传算法结合正则化方法的新算法, 在遗传算法适应度函数中引入正则化项来反演波导参数; 然后对算法进行仿真试验, 结果表明新算法与传统遗传算法相比具有较高的反演精度, 并指出当噪声误差小于10%时, 算法具有较强的“去噪”性能; 最后利用机载雷达在Wallops岛探测的海表面处局部回波资料进行反演试验, 将反演结果与实测大气折射率廓线进行比较, 说明该算法的有效性. 新方法为海洋大气波导反演研究提供了一种新思路.

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