CN103344957B - 一种波导超视距海浪监测雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导超视距海浪监测雷达，具有：测量水文气象数据的传感器单元、还具有：计算当前气象条件下是否具有海面蒸发波导的波导计算模块以及判断雷达在当前气象条件下是否具有超视距性能的超视距评估模模块；海浪监测模块：在具有海面蒸发波导的情况下，对当前雷达的检测范围的任意方向划定等距网格，记录每个网格的雷达回波强度，去除海面目标的强信号，保留回波中的海杂波弱信号；判定回波中海杂波弱信号强度大于周边网格的若干网格为浪峰；得到扫描区域内的所有海浪浪峰回波信号，得到相邻浪峰的长度，即海浪波长；记录两个相邻的雷达扫描周期，得到海浪的移动方向、距离、移动速度并计算海浪频率，完成海浪监测。

Description

一种波导超视距海浪监测雷达

技术领域

本发明涉及一种波导超视距海浪监测雷达，尤其涉及一种海面蒸发波导条件下通过海浪回波监测海浪的超视距雷达系统。

背景技术

海浪是海洋中重要物理参数之一，对船舶及海上作业有很大影响，甚至是致命的影响。全球每年因大风浪造成的船舶沉没、人员伤亡、海上建筑，沿岸结构破坏不计其数。随着人类活动向海洋进军，大风浪监测和预警已成为不可回避的实际问题。本项发明正是为了人类减灾、抗拒自然灾害提出的，具有重要的现实意义和市场前景。

选择X波段导航雷达作为海浪参数测量仪，具有较高的时空分辨率，目前，已经入商业化阶段，X波段船用导航雷达利用海表面电磁回波、海杂波图像获得海浪参数有德国的WamosII和挪威的WAVEX系统。

利用导航雷达对视距海面杂波提取。由于导航雷达架装（船或岸）高度限制，雷达发射电磁波以一个小角度与海面接触，随着距离增加视角会越来越小，如图4所示。海面反射杂波都集中在近视区（或雷达天线附近海区），随着船体摆动近视区视角不断变化使反射杂波量处于不稳定状态，无法精确提取统计，

更不能超视距大范围提取海浪波高和周期信息。

本发明原理弥补了申请号200910017953.8“双极化X波段雷达海浪参数测量系统”和WamosII和WAVEX发明的不足。

另外，选择导航雷达改进，主要是现今导航雷达普及率高，改进方便，更主要是导航雷达对夜间航行和雾天航行能起到关键作用，但不能对大风浪监测起到预警作用。本项发明正是为今后导航雷达改进、增加大风浪预警功能提供技术支持。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种波导超视距海浪监测雷达，具有：

发送和接收雷达波的传感器系统传感器系统、

测量水文气象数据的环境测量单元、其特征在于还具有：

计算当前气象条件下是否具有海面蒸发波导的波导计算模块以及判断雷达在当前气象条件下是否具有超视距性能的超视距评估模模块

海浪监测模块：在具有海面蒸发波导的情况下，对当前雷达的检测范围划定等距网格，记录每个网格的雷达回波强度，去除海面目标的强信号，保留回波中的海杂波弱信号；判定回波中海杂波弱信号强度大于周边网格的若干网格为浪峰；得到扫描区域内的所有海浪浪峰回波信号，得到相邻浪峰的长度，即海浪波长；

记录两个相邻的雷达扫描周期，得到海浪的移动方向、距离、移动速度和海浪频率，完成海浪监测。

海况分析模块，接收所述海况分析模块输出的海浪频率、波长、移动方向和移动速度的参数，根据海浪谱得出当前海浪的浪高，得出当前海况等级。

海况预警模块，与所述的海况分析模块和海浪检测模块通信连接，根据当前海浪的移动方向和速度，以及海况等级发出预警提示，同时计算船舶的合理规避航线。

具有水文气象风速传感器，当风速超过15米/秒时，统计明显增加的海杂波量，若海杂波量增加明显或超过阈值，则判定当前出现巨浪或狂浪，使用所述海况预警模块发出巨浪和狂浪预警。

所述波导计算模块根据所述环境测量单元采集的所述环境参数，通过计算理查森数Ri和Monin-Obukhov尺度长度L’计算所述大气稳定度；在不同大气稳定度的状态下计算海面蒸发波导高度和该波导的大气修正折射指数；

所述超视距评估模块根据所述波导计算模块输出的海面蒸发波导高度和大气修正折射指数，判定当前雷达是否具有超视距性能；

工作时，所述的超视距评估模块根据所述波导高度和大气修正折射指数，计算当前海面蒸发波导的陷获频率，当所述陷获频率大于当前雷达的固有频率时，且波导高度高于雷达天线高度，判定当前雷达具有超视距性能。

还具有雷达探测距离评估模块：通过比较不同传输距离的雷达回波功率与雷达的最小可检测信号功率：若某个距离的雷达回波功率大于雷达的最小可检测信号功率，则当前距离为雷达的可探测距离。

波导计算模块、超视距评估模模块和海浪监测模块集成在一板卡上，可与现有导航雷达系统对接，使现有的导航雷达具有波导超视距海浪监测功能。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种波导超视距海浪监测雷达，提出把蒸发波导监测技术与导航雷达结合起来进行海浪监测。利用蒸发波导高度与海面形成对电磁波传播产生的波导管现象产生电磁能量与海面接触均匀性来提取海杂波克服了水平射线视角随距离变化难题，能有效计算浪高和周期波长等海浪信息。利用蒸发波导管克服了地球曲率，使电磁波折向海面，并与海面反复接触形成超视距传播达到补盲作用。电磁波在蒸发波导管中超视距（最大超视距可达100～200km以上）传播能量分布和计算变为可控，能够检测到超视距（平均>40km）大浪和海浪谱结构，从而为船只有充分时间机动避浪、抗浪提供可能。

充分利用蒸发波导形成电磁波船舶波导管效应，使电磁波充分有效与海面接触，对海杂波弱信号提取，无需计算水平视角所带来的误差。同时，克服了地球曲率的影响，可以有效提取超视距离海浪杂波信息。通过雷达功率可以有效计算出每个距离电磁波脉冲功率，计算海杂波量和脉冲功率比，通过实验可以确定大浪回波强度和波高关系。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模块示意图

图2为海浪的回波示意图

图3为雷达波在海面蒸发波导中的传播示意图

图4为现有的对海雷达的监测示意图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：一种波导超视距海浪监测雷达，能够在海面蒸发波导管内部进行超视距的海浪检测，可直接通过检测获得海浪的雷达回波图像，相对与现有的依照概率统计原理判断海的方法，明显提高了准确度。

雷达主要包括：传感器系统、环境测量单元、波导计算模块、超视距评估模块和海浪监测模块

首先由环境测量单元测量包括温度、大气温度、风速和大气湿度等的水文气象数据，然后由波导计算模块计算当前的海面蒸发波导，当超视距评估模块判定当前雷达具有波导超视距系能后，由所述的海浪监测模块对当前雷达的检测范围划定等距网格，记录每个网格的雷达回波强度；判定回波强度大于周边网格的若干网格为浪峰（海浪中浪花的雷达回波最为明显，而可检测浪花主要聚集在浪峰），得到扫描区域内的所有海浪浪峰回波信号，即可得到相邻浪峰的长度，即得到了海浪波长。记录两个相邻的雷达扫描周期，获得时间，结合海浪的波长，就可以得到海浪的移动方向、距离、移动速度和海浪频率等海浪相关的所有参数，即完成海浪监测。以上所述的所有参数都是直接通过雷达测量得来，相较于现有技术依靠统计学判断海浪具有明显的优势。

如图2和图3所示：海浪的雷达回波，回波频率高的两个波峰（主要由波峰的浪花产生）两个波峰之间的长度即可认为是海浪的长度。

基于以上原理，本发明还具有意想不到的效果，即可对海面溢油和海流进行有效的探测。

海面溢出油可使海面相对平静下来，尤其尖峰浪花会明显减少，由于电磁波在波导管中传播，于海面接触均匀，因此在一定范围内可明解看出有溢油海面光滑无尖峰杂波，区域和大小明显可见。本项发明可对溢油进行有效探测。

水流对海杂波最明显的影响是使海杂波多普勒的频谱峰值产生漂移。同时水流使海面粗糙度发生变化，流速大小区域和无流速区域交界处海杂波尖峰信号有所不同，形成明显痕迹。

进一步的，在获得了海浪的移动方向、距离、移动速度和海浪频率之后，本发明还设有一海况分析模块，将上述的参数结合海浪谱公式，即可得到当前海浪的波高，进而得到当前准确的海况等级。

进一步的，由于海洋中的某些大浪的传播距离很远，而且通常会对船舶造成很大的威胁，作为一个较佳的实施方式，本发明还设有海况预警模块：与所述的海况分析模块和海浪检测模块通信连接，根据当前海浪的移动方向和速度，计算有威胁的大浪的移动方向和到达时间，发出预警提示，同时计算船舶的合理规避航线，减少船舶倾覆的危险。

更进一步的，考虑到当风速超过一定阈值时，海面会产生大浪特别是巨浪，狂浪和杂波回波量增大，不仅仅是浪花产生回波，波的不对称性也会产生回波。会造成雷达回波中海杂波的量急剧增大，如果此时能够统计海杂波的增加量，即可对当前的巨浪和狂浪进行预警。作为一个较佳的实施方式，本发明具有水文气象风速传感器，当风速超过15m/s时，所述海浪监测模块统计杂波量与大浪强度关系，以便海况预警模块发出巨浪和狂浪预警。

进一步的，本发明的雷达系统，超视距范围内对海上浪况进行监测范围一般为100公里半径范围内，由于近岸或地形作用潮汐流分布不均往往造成100公里半径范围内海浪受流不均作用产生了折射线射，使得海上浪况并不相同，形成有大浪区和弱浪区，该雷达系统能准确与超视距范围内监测大浪区分布和移动方向和速度，这为船舶有效规让提供了有效支持。进一步的，作为一个较佳的实施方式，本发明还具有雷达探测距离评估模块：通过比较不同传输距离的雷达回波功率与雷达的最小可检测信号功率：若某个距离的雷达回波功率大于雷达的最小可检测信号功率，则当前距离为雷达的可探测距离。

进一步的，所述波导计算模块根据所述环境测量单元采集的所述环境参数，通过计算理查森数Ri和Monin-Obukhov尺度长度L’计算所述大气稳定度；在不同大气稳定度的状态下计算海面蒸发波导高度和该波导的大气修正折射指数。

所述超视距评估模块根据所述波导计算模块输出的海面蒸发波导高度和大气修正折射指数，判定当前雷达是否具有超视距性能。

工作时，所述的超视距评估模块根据所述波导高度和大气修正折射指数，计算当前海面蒸发波导的陷获频率，当所述陷获频率大于当前雷达的固有频率时，且波导高度高于雷达天线高度，判定当前雷达具有超视距性能。

本发明在波导条件下可超视距监测海浪，在无海面蒸发波导的条件下，可对视距范围内的海浪进行有效的监测。

更跟进一步的，为了能最大限度的使本发明的雷达具有波导超视距探测的功能，作为一个较佳的实施方式，所述雷达天线的高度可调：根据所述波导计算模块计算出的波导高度和当前天线高度，升起或降下雷达天线，使所述雷达波在波导中传播。

同样的，所述雷达天线频率可变，根据所述超视距评估模块计算出的当前波导的陷获频率，对自身频率进行的调整，使所述雷达频率大于当前波导的陷获频率。

为了能够使现有船舶都具有超视距对海浪的预警和监测能力，作为一个较佳的实施方式，本发明的波导计算模块、超视距评估模模块和海浪监测模块集成在一板卡上，可与现有导航雷达系统对接，使现有的导航雷达具有波导超视距海浪监测功能。

进一步的，所述波导计算单元计算波导高度和大气修正折射指数主要采用以下的方法：

所述波导计算模块计算理查森数Ri的计算公式为：

$R_i=\frac{g}{T}\·\frac{\∂\mathrm{\θ}/\∂z}{{(\∂u/\∂z)}^2}---\left(1\right)$

当0<Ri<1时，当前大气处于中性或稳定状态，当Ri<0时，判定当前大气处于不稳定状态；

Monion-Obukhov长度L’的计算公式为：

其中u*为摩擦速度τ是切应力；

对于中性和稳定大气条件下（0<Ri<1）的蒸发波导高度：

$Z^{*}=\frac{{\mathrm{\&Delta;N}}_P}{-0.125({\log }_e\left(\frac{h_1}{h_0}\right)+\frac{5.2h_1}{L^{\text{'}}})-\frac{5.2{\mathrm{\&Delta;N}}_P}{L^{\text{'}}}},$ 其中 $L^{\text{'}}=\frac{u^{*}\&PartialD;u/\&PartialD;T}{\mathrm{kg}\&PartialD;\mathrm{\&theta;}/\&PartialD;T}$

当z^*＜0时或时，则：

$Z^{*}=\frac{{\mathrm{\&Delta;N}}_P(1+5.2)+0.65h_1}{-0.125{\log }_e\left(\frac{h_1}{h_0}\right)}$

对于不稳定条件下（R_i＜0时）蒸发波导高度：

$Z^{*}=\frac{1}{\sqrt[4]{{\mathrm{\&phi;}}^4-\frac{18}{L^{\text{'}}}{\mathrm{\&phi;}}^3}}$

其中 $\mathrm{\&phi;}=\frac{-0.125B}{{\mathrm{\&Delta;N}}_P},$ $B={\log }_e\left[\frac{h_1}{h_0}\right]-\mathrm{\&psi;}$

在稳定或中性大气状态下蒸发波导的大气修正折射梯度为

$M\left(h\right)=M_s+\frac{h}{8}-\left[\frac{0.125Z^{*}}{1+\frac{5.2Z^{*}}{L^{\text{'}}}}\right][{\log }_e\left(\frac{h_0+h}{h_0}\right)-\frac{5.2h}{L^{\text{'}}}]$

在不稳定大气状态下，蒸发波导的大气修正折射梯为

$M\left(h\right)=M_s+\frac{h}{8}-\left[\frac{0.125Z^{*}}{\mathrm{\&phi;}\left(\frac{Z^{*}}{L^{\text{'}}}\right)}\right][{\log }_e\left(\frac{h_0+h}{h_0}\right)-\mathrm{\&psi;}\left(\frac{Z^{*}}{L^{\text{'}}}\right)].$

在海洋蒸发波导研究中，常常使用伪折射率Np的概念，即

$N_p=77.6\frac{P_0}{\mathrm{\&theta;}}+3.73\&times;{10}^6\frac{e_p}{{\mathrm{\&theta;}}^2}$

式中：θ为位温，与大气温度关系为θ＝T(P₀/P)^0.286(K)；

e_p位水汽压，与水汽压的关系为e_p＝e·P₀/P

近地层中，P≈P₀，θ≈T，e_p=e，则公式变为

$N_p=77.6\frac{P_0}{T}+3.73\&times;{10}^6\frac{e}{T^2}$

超视距评估模模块计算所述蒸发波导陷获电磁波的最大波长主要采用的方法为：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\max }=\frac{8\sqrt{2}\&times;{10}^3}{3}\&CenterDot;{\&Integral;}_{z_0}^d{\sqrt{M\left(z\right)-M\left(d\right)\mathrm{dz}}}_{\left(m\right)}$

计算所述蒸发波导陷获电磁波的最低频率为：

$f_{\min }=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }}=\frac{79.49449}{{\&Integral;}_{z_0}^d\sqrt{M\left(z\right)-M\left(d\right)\mathrm{dz}}}\left(\mathrm{GHz}\right)$ 式中，c为光速（2.997925·10⁸m/s）。

在得到f_min后，与雷达系统自身的频率进行比较，若当前雷达的频率大于f_min则判定当前雷达具有超视距性能，雷达开始进行超视距搜索；若雷达的频率小于f_min，则表示当前雷达不具有超视距性能，无法进行超视距搜索。

在考虑雷达是否在当前波导环境具有超视距系能，还需要考虑当前波导高度和雷达天线高度的关系，只有当前波导具有高度且高于雷达天线高度时，雷达才能够根据陷获频率对雷达超视距进行判断。

在判定当前雷达具有超视距性能后，还需要对超视距的雷达性能进行评估，作为一个较佳的实施方式，本发明还具有雷达探测距离评估模块：

通过比较不同传输距离的雷达回波功率与雷达的最小可检测信号功率：若某个距离的雷达回波功率大于雷达的最小可检测信号功率，则当前距离为雷达的可探测距离。

进一步的，该雷达探测距离评估模块采用如下方法对探测距离进行评估。雷达接收的目标回波功率可以写成单程传播损失的形式：

P_r＝-8.55+10log₁₀(P_tσf²)+2G-L_s-L_a-2L_single

根据雷达接收理论，雷达的最小可检测信号功率为S_imin，由雷达接收机性能决定，

$S_{i\min }={\mathrm{kT}}_0{B}_n{F}_0{D}_0={\mathrm{kT}}_0{B}_n{F}_0{\left(\frac{S_0}{N_0}\right)}_{\min }$

k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23(J/K)；T为电阻温度，以绝对温度（K）计量，对于室温17℃，T＝T₀＝290K；B_n为设备的通带，τ为脉冲宽度；F₀为接收机的噪声系数，为接收机输出端最小信噪比，也称为检测因子D₀，它由发现概率P_d和虚警概率P_fa决定，雷达探测因子由以下公式决定，对于非相参的脉冲积累方式有：

$D_0=\frac{L_f{x}_0}{4N_p}(1+\sqrt{1+\frac{16N_p}{x_0}})$

x₀＝(g_fa+g_d)²

$g_{\mathrm{fa}}=2.36\sqrt{-{\log }_{10}\left(P_{\mathrm{fa}}\right)}-1.02$

$g_d=1.23t/\sqrt{1-t^2}$

t＝0.9(2P_d-1)

而对于相参的脉冲积累方式则有：

$D_0=\frac{L_f{x}_0}{4N_p}(1+\sqrt{1+\frac{16}{x_0}})$

L_f为目标波动损耗，对于无波动目标（斯威尔林模型0）有：L_f＝1，对于波动目标（如斯威尔林模型1、chi平方律等类型）有：

L_f＝-(ln(P_d)(1+g_d/g_fa)^-1。

N_p为脉冲积累数，由雷达的基本参数决定，对于机械扫描的雷达：

$N_p=\frac{{\mathrm{\&Theta;}}_H{f}_p}{6{\mathrm{\&phi;}}_h\cos {\mathrm{\&theta;}}_0},$

其中，Θ_H是天线水平波束宽度，度；f_p是脉冲重复频率，Hz；φ_h是天线水平方向扫描速度，rpm；θ₀是目标仰角，度（对于低空目标近似为0度）；而对于电扫描的雷达，脉冲积累数则由程序设定。

雷达最小可检测信号写成dB形式为：

S_imin＝kT₀B_nF₀D₀＝-143.98+10log₁₀B_n+F₀+10log₁₀(D₀)

B_n的单位：MHz。假设雷达检测受系统噪声的影响，则当接收到的功率P_r大于S_imin时，雷达才能可靠的发现目标，当P_r正好等于S_imin时，就得到雷达检测该目标的最大作用距离R_ma，而P_r小于S_imin时，目标为雷达电磁盲区内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波导超视距海浪监测雷达，具有：

测量水文气象数据的传感器单元、其特征在于还具有：

计算当前气象条件下是否具有海面蒸发波导的波导计算模块以及判断雷达在当前气象条件下是否具有超视距性能的超视距评估模块

海浪监测模块：在具有海面蒸发波导的情况下，对当前雷达的检测范围的任意方向划定等距网格，记录每个网格的雷达回波强度，去除海面目标的强信号，保留回波中的海杂波弱信号；判定回波中海杂波弱信号强度大于周边网格的若干网格为浪峰；得到扫描区域内的所有海浪浪峰回波信号，得到相邻浪峰的长度，即海浪波长；

记录两个相邻的雷达扫描周期，得到海浪的移动方向、距离、移动速度并计算海浪频率，完成海浪监测、对海面溢油和海流进行有效的探测。

2.根据权利要求1所述的一种波导超视距海浪监测雷达，其特征还在于：海况分析模块，接收所述海浪监测模块输出的海浪频率、波长、移动方向和移动速度的参数，根据海浪谱得出当前海浪的浪高，得出当前海况等级。

3.根据权利要求2所述的一种波导超视距海浪监测雷达，其特征还在于：海况预警模块，与所述的海况分析模块和海浪监测模块通信连接，根据当前海浪的移动方向和速度，以及海况等级发出预警提示，同时计算船舶的合理规避航线。

4.根据权利要求3所述的一种波导超视距海浪监测雷达，其特征还在于具有水文气象风速传感器，当风速超过15米/秒时，统计明显增加的海杂波量，若海杂波量增加明显或超过阈值，则判定当前出现巨浪或狂浪，使用所述海况预警模块发出巨浪和狂浪预警。

5.根据权利要求1所述的一种波导超视距海浪监测雷达，其特征还在于：

所述波导计算模块根据所述传感器单元采集的环境参数，通过计算理查森数Ri和Monin-Obukhov尺度长度L’计算大气稳定度；在不同大气稳定度的状态下计算海面蒸发波导高度和该波导的大气修正折射指数；

所述超视距评估模块根据所述波导计算模块输出的海面蒸发波导高度和大气修正折射指数，判定当前雷达是否具有超视距性能；

工作时，所述的超视距评估模块根据所述波导高度和大气修正折射指数，计算当前海面蒸发波导的陷获频率，当所述陷获频率大于当前雷达的固有频率时，且波导高度高于雷达天线高度，判定当前雷达具有超视距性能。

6.根据权利要求1所述的一种波导超视距海浪监测雷达，其特征还在于具有雷达探测距离评估模块：通过比较不同传输距离的雷达回波功率与雷达的最小可检测信号功率：若某个距离的雷达回波功率大于雷达的最小可检测信号功率，则当前距离为雷达的可探测距离。

7.根据权利要求1所述的一种波导超视距海浪监测雷达，其特征还在于：波导计算模块、超视距评估模块和海浪监测模块集成在一板卡上，与现有导航雷达系统对接，使现有的导航雷达具有波导超视距海浪监测功能。