CN103616690B - 基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法 - Google Patents

Abstract

基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，属于海洋遥感领域，本发明为解决现有海面风向提取方法的探测范围小、非连续性及系统复杂的问题。本发明所述海面风向提取方法的具体过程为：利用单个接收阵元获取一个距离门内的一阶海杂波展宽谱；根据一阶海杂波的空-时分布特性，确定与海杂波入射方位相对应的正、负Bragg峰值和空间分辨率；根据正、负Bragg峰值的相对强度获取海面风向；将该海面风向应用于改距离门内各个海域的分辨单元，实现对该距离门内所有海域的风向提取；对相邻海域的分辨单元的海面风向进行比较，消除风向模糊，获取该距离门的海面风向；重复上述步骤直至获取所有距离门的海面风向。本发明用于海洋环境监测中。

Description

基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法

技术领域

本发明属于海洋遥感领域。

背景技术

在海洋表面状态参数中，海面风场(风向和风速)是物理学的重点研究对象之一，对海洋工程、军事和航海等方面都有重要影响。同时，海面风也是影响海浪、海流、水团等要素性质的活跃因子，是研究大气和海洋之间热量交换和物质交换的重要因素。因此，有必要对海面风场进行实时地遥测，以实现海洋环境监测、灾害预报等目的。

目前，海面风场的遥测方法主要有微波散射计、合成孔径雷达、风速计、微波雷达和岸基高频地波超视距雷达等。散射计是目前较成熟的、能同时给出风速和风向的微波传感器，但散射计反演风向的多解问题及较低的空间分辨率限制了其在某些区域条件下的应用；合成孔径雷达、风速计及微波雷达的探测范围较小，无法对海面风场进行连续大面积地监测；岸基高频地波超视距雷达利用海面对高频电磁波的一阶散射机制，可以从雷达回波中提取风场等信息，还能用于对各国专属经济区进行有效监测，具有观测距离远、覆盖面积大、工作全天候等优点，但是岸基高频地波超视距雷达通常需要大型的接收阵列及数字波束形成技术，造价较高，系统复杂，探测区域固定，进而限制了其应用范围。

相比于岸基高频地波超视距雷达，船载高频地波超视距雷达具有机动灵活等特点，进一步增加了雷达的探测范围及预警时间，但是国内外在船载高频地波超视距雷达海面风场遥测技术方面开展的研究较少，遥测的理论基础、实用技术及应用研究基本属于空白。

发明内容

本发明目的是为了解决现有海面风向提取方法的探测范围小、非连续性及系统复杂的问题，提供了一种基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法。

本发明所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，该方法的具体过程为：

步骤一、选取一个距离门，利用单个接收阵元获取一个距离门内的一阶海杂波展宽谱；

步骤二、建立一阶海杂波展宽谱空时对应关系，得到一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性；

步骤三、根据一阶海杂波的空-时分布特性，确定与海杂波入射方位相对应的正Bragg峰值B⁺、负Bragg峰值B^-和空间分辨率；

步骤四、获取正、负Bragg峰值的相对强度R：

$R={10\log }_{10}\left(\frac{B^{+}}{B^{-}}\right)={10\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ})Y^2}{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ}){(1-Y)}^2}\right),$

其中α^*表示海面风向，表示海杂波的方位角；

根据正、负Bragg峰值的相对强度获取该海域分辨单元的海面风向：

其中和表示风向模糊的两种结果；

步骤五、将步骤四获取的海面风向应用于该距离门内各个海域的分辨单元，实现对该距离门内所有海域进行风向提取；

步骤六、对相邻海域的分辨单元的海面风向进行比较，确定两者中的慢变量，消除风向模糊，获取该距离门的海面风向；

步骤七、重复步骤一至步骤六，直至获取所有距离门的海面风向，即：获取雷达覆盖范围内所有海域的海面风向。

本发明的优点：本发明所述的基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法利用单个接收阵元即可实现对各海域处的风向进行无模糊估计，而无须利用规模较大的接收阵列，系统简单，便于实现，空间分辨率高，进而在船载平台运动的过程中即可实现对海面风向进行全天候、连续大面积的超视距监测，探测海域面积可达100Km×100Km的量级。

附图说明

图1是本发明所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法的结构示意图；

图2和图3是一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性示意图，图2中a表示接收阵元，b表示船载平台运动方向；

图4是风向模糊示意图，风向结果1和风向结果2分别代表两种可能的风向提取结果；

图5是消除风向模糊问题后得到的风向提取结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，该方法的具体过程为：

步骤一、选取一个距离门，利用单个接收阵元获取一个距离门内的一阶海杂波展宽谱；

步骤二、建立一阶海杂波展宽谱空时对应关系，得到一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性；

步骤三、根据一阶海杂波的空-时分布特性，确定与海杂波入射方位相对应的正Bragg峰值B⁺、负Bragg峰值B^-和空间分辨率；

步骤四、获取正、负Bragg峰值的相对强度R：

$10R={10\log }_{10}\left(\frac{B^{+}}{B^{-}}\right)={10\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ})Y^2}{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ}){(1-Y)}^2}\right),$

其中ξ＝0.004α^*表示海面风向，表示海杂波的方位角；

根据正、负Bragg峰值的相对强度获取该海域分辨单元的海面风向：

其中和表示风向模糊的两种结果；

步骤五、将步骤四获取的海面风向应用于该距离门内各个海域的分辨单元，实现对该距离门内所有海域进行风向提取；

步骤六、对相邻海域的分辨单元的海面风向进行比较，确定两者中的慢变量，消除风向模糊，获取该距离门的海面风向；

步骤七、重复步骤一至步骤六，直至获取所有距离门的海面风向，即：获取雷达覆盖范围内所有海域的海面风向。

本实施方式中，步骤六所述的消除风向模糊的原理为：在相邻海域分辨单元内，海面风向为慢变的或不变的。给定海面风向是缓慢变化的，因此，可通过比较相邻海域分辨单元的海面风向信息来消除风向模糊问题。

本实施方式中，±表示风向模糊问题，即存在多解问题。

本实施方式中，利用一阶海杂波展宽谱即可实现对该距离门内所有海域分辨单元的海面风向进行估计，但是存在风向模糊问题，如图4所示。

本实施方式中，步骤六所述的给定海面风向是缓慢变化的，可通过比较相邻海域分辨单元的海面风向信息来消除风向模糊问题，如图5所示。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤一所述的一阶海杂波展宽谱是利用移动的船载平台上设置的单个接收阵元获取的。

具体实施方式三：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，步骤二所述的一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性为：

其中f_d为多普勒频率，为Bragg频率，v为船载平台的速度，λ为雷达工作波长，g为重力加速度。

本实施方式中，通过一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性，根据海杂波的入射方位即可确定与其相对应的正、负一阶Bragg峰的位置及峰值大小B⁺,B^-。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，步骤三所述的空间分辨率为：

其中ρ为该海域与接收阵元之间的距离，为角度分辨率，△f_d为频率分辨率。

本实施方式中，尽管本方法利用单个接收阵元，但是根据多普勒波束锐化技术可以得到更高的空间分辨率，而不需要规模较大的接收阵列及较复杂的信号处理方法。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤四所述的正、负Bragg峰值的相对强度的获取过程为：

$R={10\log }_{10}\left(\frac{B^{+}}{B^{-}}\right),$

其中：

修正的方向因子： $G\left(\mathrm{\χ}\right)=\frac{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ}){\cos }^4(\mathrm{\χ}/2)}{2\mathrm{\π\ξ}+(3\mathrm{\π}/4)(1-\mathrm{\ξ})},$ 其中χ表示变量。

Claims (5)

1.基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，其特征在于，该方法的具体过程为：

步骤一、选取一个距离门，利用单个接收阵元获取一个距离门内的一阶海杂波展宽谱；

步骤二、建立一阶海杂波展宽谱空时对应关系，得到一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性；

步骤三、根据一阶海杂波的空-时分布特性，确定与海杂波入射方位相对应的正Bragg峰值B⁺、负Bragg峰值B^-和空间分辨率；

步骤四、获取正、负Bragg峰值的相对强度R：

$R=10{\log }_{10}\left(\frac{B^{+}}{B^{-}}\right)={10\log }_{10}\left(\frac{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ})Y^2}{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ}){(1-Y)}^2}\right),$

其中ξ＝0.004，α^*表示海面风向，表示海杂波的方位角；

根据正、负Bragg峰值的相对强度获取海域分辨单元的海面风向：

其中和表示风向模糊的两种结果；

步骤五、将步骤四获取的海面风向应用于该距离门内各个海域的分辨单元，实现对该距离门内所有海域进行风向提取；

步骤六、对相邻海域的分辨单元的海面风向进行比较，确定两者中的慢变量，消除风向模糊；

步骤七、重复步骤一至步骤六，直至获取所有距离门的海面风向，即：获取雷达覆盖范围内所有海域的海面风向。

2.根据权利要求1所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，其特征在于，步骤一所述的一阶海杂波展宽谱是利用移动的船载平台上设置的单个接收阵元获取的。

3.根据权利要求2所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，其特征在于，步骤二所述的一阶海杂波展宽谱的空-时分布特性为：

其中f_d为多普勒频率，为Bragg频率，v为船载平台的速度，λ为雷达工作波长，g为重力加速度。

4.根据权利要求3所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，其特征在于，步骤三所述的空间分辨率为：

其中ρ为该海域与接收阵元之间的距离，为角度分辨率，△f_d为频率分辨率。

5.根据权利要求1所述基于船载高频地波超视距雷达的海面风向提取方法，其特征在于，步骤四所述的正、负Bragg峰值的相对强度的获取过程为：

$R={10\log }_{10}\left(\frac{B^{+}}{B^{-}}\right),$

其中：

修正的方向因子： $G\left(\mathrm{\χ}\right)=\frac{\mathrm{\ξ}+(1-\mathrm{\ξ}){\cos }^4(\mathrm{\χ}/2)}{2\mathrm{\π\ξ}+(3\mathrm{\π}/4)(1-\mathrm{\ξ})},$ 其中χ表示变量。