CN101493522B - 海面反常波检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海面反常波检测方法及装置，该方法包括下列步骤：构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型；求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解；计算分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面；将分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。应用本发明提供的方法及装置能够检测到海面反常波，降低海上航行和海上平台的安全隐患。

Description

海面反常波检测方法及装置

技术领域

本发明属于海洋遥感技术领域，特别是一种海面反常波检测方法及装置。

背景技术

在过去的二十几年里，世界上至少有200艘超过200米长的超级轮船在大海航行中失踪。毋庸置疑，导致这些事故的罪魁祸首绝大部分是“反常波”(Draper首先提出反常波的概念)，这些反常波要么具有非常高的波高，要么其波形反常。在实际研究与应用中一般研究记录长度有限的波，如果某波的波高H(波谷到波峰的距离)大于2.2倍有效波高，则称其为反常波。反常波的现场测量比较困难，以前主要靠石油平台进行波高监测，但是反常波对海上石油钻井平台等建筑物造成很大的危害，为了保障海上航行和海上平台的安全，需要检测海面反常波，因而急需一种检测海面反常波的技术。

本发明参考的技术文献有以下5篇：

[1]M.S.Longuet-Higgins and R.W.Stewart：‘Changes in the formof short gravity waves on long waves and tidal currents’，J.Fluid Mech.1960，8，565-583(1960).

[2]S.Lehner and Heinz Günther：‘Extreme wave statistics fromradar data sets’，IGARSS 04’，2004，3，pp.1880-1883.

[3]J.Schulz-Stellenfleth，T.Konig and S.Lehner：‘An empiricalapproach for the retrieval of integral ocean wave parameters fromsynthetic aperture radar data’，Journal of Geophysical Research，2007，112，C03019.

[4]Draper L.：‘“Freak”ocean waves’，Mar.Obs.，1965，35，pp.193-195.

[5]A.R.Osborne，M.Onorato，M.Serio，and S.Bertone：‘Thenonlinear dynamics of rogue waves and holes in deep water gravity wavetrains’，Physical Letter A，2000，275，pp.386-393.

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种海面反常波检测方法及装置。

本发明提供的海面反常波检测方法，包括下列步骤：构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型；求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解；计算分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面；将分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。

在上述技术方案中，还可以包括下列步骤：确定待检测波为反常波后，通过反常波检测因子判定待检测波峰或波谷是否属于反常波。

在上述技术方案中，所述反常波检测因子为同一周期内反常波的最大雷达散射截面与最小雷达散射截面之比。

在上述技术方案中，反常波的雷达散射截面的单位换算成分贝dB后，所述反常波检测因子为同一周期内反常波的最大雷达散射截面与最小雷达散射截面之差。

在上述技术方案中，构造所述环境海面模型是在一维反常波理论模型的基础上利用双尺度海浪原理进行模型构造。

在上述技术方案中，将待检测波进行正弦波分解插值后根据长短波非线性作用原理进行求解。

在上述技术方案中，计算所述雷达散射截面是在双尺度多极化后向雷达散射模型的基础上进行计算。

在上述技术方案中，构造所述环境海面模型时采用与待检测波相关参数相同的正弦波进行模拟。

在上述技术方案中，所述待检测波相关参数包括波数、波幅、雷达频率、海水相对介电常数。

结合上述海面反常波检测方法，本发明还提供一种海面反常波检测装置，包括：模型构造单元，用于构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型；求解单元，用于求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解；雷达散射截面计算单元，用于计算分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面；比较判定单元，用于将分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。

本发明以高分辨雷达为探测器，在中等入射角入射时，根据分辨单元内的反常波与背景海面的后向雷达散射回波特性的显著差异而检测出海面的反常波，从而降低海上航行和海上平台的安全隐患。

附图说明

图1为本发明实施例中海面反常波检测方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中海面反常波检测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中反常波及背景海面随空间变化的曲线图；

图4为本发明实施例中反常波及背景海面后向雷达散射截面随空间变化的曲线图。

具体实施方式

为了检测海面反常波，进而降低海上航行和海上平台的安全隐患，本发明实施例提供一种海面反常波检测方法，参见图1所示，包括下列步骤：

步骤101：在一维反常波理论模型的基础上利用双尺度海浪原理构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型，构造环境海面模型时采用与待检测波相关参数相同的正弦波进行模拟，待检测波相关参数包括波数、波幅、雷达频率、海水相对介电常数等。

步骤102：将待检测波进行正弦波分解插值后，根据M.S.Longuet-Higgins和R.W.Stewart的长短波非线性作用原理，求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解。

步骤103：在双尺度多极化后向雷达散射模型的基础上，计算分辨单元待检测波与环境海面回波的多极化后向雷达散射截面；本实施例以高分辨雷达为探测器，在中等入射角入射时，利用海面的高分辨微波雷达后向散射截面进行分析，直接对待检测波进行探测和识别。此外，还可以利用岸基雷达、船载雷达等对待检测波进行探测和识别。

步骤104：将分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。确定待检测波为反常波后，通过反常波检测因子判定待检测波峰或波谷是否属于反常波，该反常波检测因子为同一周期内反常波的最大雷达散射截面与最小雷达散射截面之比。当反常波的雷达散射截面的单位换算成分贝dB后，反常波检测因子为同一周期内反常波的最大雷达散射截面与最小雷达散射截面之差。

结合上述海面反常波检测方法，本发明实施例还提供一种海面反常波检测装置，参见图2所示，包括：

模型构造单元，用于在一维反常波理论模型的基础上利用双尺度海浪原理构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型；采用与待检测波相关参数相同的正弦波进行模拟，待检测波相关参数包括波数、波幅、雷达频率、海水相对介电常数等；

求解单元，用于将待检测波进行正弦波分解插值后，根据M.S.Longuet-Higgins和R.W.Stewart的长短波非线性作用原理，求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解；

雷达散射截面计算单元，用于在双尺度多极化后向雷达散射模型的基础上计算分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面；

比较判定单元，用于将分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。

下面结合具体公式详细描述本实施例的方法。

步骤101中，在一维反常波理论模型的基础上孤立子反常波波幅为：

$A_f(x,t)=-i\sqrt{2}{e}^{2i{a}^{2}T}\left[\frac{\cos \left[\sqrt{2}\mathrm{aX}\right]\mathrm{sech}\left[\sqrt{2}{a}^{2}T\right]+i\sqrt{2}\tanh \left[2a^{2}T\right]}{\sqrt{2}-\cos \left[\sqrt{2}\mathrm{aX}\right]\mathrm{sech}\left[\sqrt{2}{a}^{2}T\right]}\right]---\left(1\right)$

由此推导出海面波高的变化公式为：

ξ_f＝B(x，t)/C(x，t)                    (2)

其中ψ₀＝k₀x-ω₀t+2a²T， ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{g{k}_0},$

$B(x,t)=2\tanh \left(2a^{2}T\right)\cos \left({\mathrm{\ψ}}_0\right)+\sqrt{2}\cos \left(\sqrt{2}\mathrm{aX}\right)\mathrm{sech}\left(\sqrt{2}{a}^{2}T\right)\sin \left({\mathrm{\ψ}}_0\right)---\left(3\right)$

$C(x,t)=\sqrt{2}-\cos \left(\sqrt{2}\mathrm{aX}\right)\mathrm{sech}\left(\sqrt{2}{a}^{2}T\right)---\left(4\right)$

步骤102中，Bragg短波的波数与入射电磁波波数满足如下关系：

k_b(θ)＝2k_csinθ                    (5)

Bragg短波的波高为：ξ_b(x，t，θ)＝a_b(θ)sin(ψ_b(θ))       (6)

其中ψ_b(θ)＝k_b(θ)x-ω_b(θ)t+φ_b(θ)， ${\mathrm{\ω}}_b\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{g{k}_b\left(\mathrm{\θ}\right)},$

$a_b\left(\mathrm{\θ}\right)=a_{\mathrm{bb}}\sqrt{\frac{S\left(k_b\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{S\left(k_{\mathrm{bb}}\right)}},$ $S\left(k\right)=\frac{\mathrm{\α}}{4k^3}\exp (-\frac{0.74g^2}{k^2\mathrm{WS}{P}_{19.5}^4}).$

Bragg短波受待检测波调制的关系如下：

k_b(x，t，θ)＝k_bb(1+|A_f|k_fsinψ_f)            (7)

a_b(x，t，θ)＝a_bb(1+|A_f|k_fsinψ_f)            (8)

步骤103中，在多极化后向雷达电磁散射模型中雷达后向散射截面公式为：

${\mathrm{\σ}}^0=\frac{1}{X\cos \mathrm{\θ}}{\left|\mathrm{\Γ}\right|}^2---\left(9\right)$

其中Г＝S□D，S_hh＝2R_q，S_vv＝-2R_p，S_vh＝S_hv＝0，

$S_x{|}_{x=x_n}={\mathrm{\ξ}}_x{|}_{x=x_n}=\frac{\∂}{\∂x}{\mathrm{\ξ}}_f(x,t){|}_{x=x_n},$ $R_p=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_l-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_l}}{\cos {\mathrm{\θ}}_l+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_l}},$

$\cos {\mathrm{\θ}}_l=\frac{s_x\sin \mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{1+s_x^2}},$ $R_q=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_l}-{\mathrm{\ϵ}}_r-\cos {\mathrm{\θ}}_l}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_l}+{\mathrm{\ϵ}}_r-\cos {\mathrm{\θ}}_l}.$

步骤104中，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。确定待检测波为反常波后，输入反常波波数、波幅、雷达频率、海水相对介电常数等参数，根据反常波模型数值模拟出的反常波及其背景海面随空间分布如图3所示，利用上文建立的多极化后向雷达电磁散射模型进行计算得到的反常波及其 背景海面的雷达散射截面随空间的分布如图4所示，比较图3和图4易发现：在相同分辨单元，反常波的后向雷达散射截面要比背景海面回波的后向雷达散射截面小很多，比较它们的雷达截面差值，最小差值位于反常波海面的波峰和波谷处，最大差值位于平均海平面处(即海面高度为0处)。因此，通过比较反常波的后向雷达散射截面的最大值和最小值(差)，还可以检测该波峰或波谷是否属于反常波的范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.海面反常波检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型；

求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解；

计算分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面；

将分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波；

确定待检测波为反常波后，通过反常波检测因子判定待检测波峰或波谷是否属于反常波，所述反常波检测因子为同一周期内反常波的最大雷达散射截面与最小雷达散射截面之比。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，反常波的雷达散射截面的单位换算成分贝dB后，所述反常波检测因子为同一周期内反常波的最大雷达散射截面与最小雷达散射截面之差。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，构造所述环境海面模型是在一维反常波理论模型的基础上利用双尺度海浪原理进行模型构造。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，将待检测波进行正弦波分解插值后根据长短波非线性作用原理进行求解。

5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，计算所述雷达散射截面是在双尺度多极化后向雷达散射模型的基础上进行计算。

6.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，构造所述环境海面模型时采用与待检测波相关参数相同的正弦波进行模拟。

7.如权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述待检测波相关参数包括波数、波幅、雷达频率、海水相对介电常数。

8.海面反常波检测装置，其特征在于，包括：

模型构造单元，用于构造待检测波与Bragg短波并存的环境海面模型；

求解单元，用于求解Bragg短波受待检测波非线性调制作用的解；

雷达散射截面计算单元，用于计算分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面；

比较判定单元，用于将同一分辨单元待检测波与环境海面回波的雷达散射截面进行比较，若判定待检测波与环境海面回波的雷达散射截面之比小于阈值，则确定待检测波为反常波。

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