CN104749563A - 从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法 - Google Patents

从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法，通过建立Bragg海浪谱值随浪高的响应曲线，用在雷达近距离单元上由二阶谱反演的浪高及一阶峰功率去标校远距离元的一阶峰功率，从而计算出远距离元上的浪高分布。本发明主要依赖的是Bragg海浪的不饱和特性，由一阶Bragg谐振峰提取浪高。由于在一般海态条件下一阶峰显著强于二阶谱，因此本发明将大幅提高高频地波雷达的浪高探测距离，同时对于采用紧凑接收天线的便携式雷达，可将使其获得浪高的空间分辨能力，从而极大促进其发展和推广应用。

Description

从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法
技术领域
本发明属于高频地波雷达海洋环境监测技术领域，尤其是涉及一种利用高频海洋回波一阶Bragg谐振峰提取海面浪高的方法。
背景技术
高频电波经海浪后向散射形成回波谱的主要机制是Bragg散射效应，其主要成分是一阶和二阶Bragg散射谐振峰。一阶峰是线谱，由波长为雷达电波波长一半的Bragg海浪散射同相加强而产生；二阶谱位于一阶谱两侧，主要是连续谱。目前，国际上各型高频海态雷达产品采用的风浪反演方法均主要基于由Barrick在1970年代建立的一阶和二阶散射截面方程。现海态反演已形成稳定的处理框架，即由一阶Bragg谐振峰反演流速和风向，由二阶谱与一阶谱之比反演浪高和风速。而获得一定精度浪高的前提条件，则是需要存在满足一定信噪比条件的二阶谱。因此，高频地波雷达提取的浪高只能局限在具有较强二阶谱的较近距离单元上，与流速探测距离有相当大的差距。特别地，采用单极子/交叉环等紧凑式接收天线的便携式高频地波雷达，由于无法通过形成窄波束而获得高空间增益，更是只能在较近的若干个距离元上反演浪高。例如，目前占世界高频海态雷达市场85％以上份额的美国SeaSonde产品列入正式浪高指标的仅为3km距离元上的平均浪高。此外，由于二阶谱能量相对较弱，且频谱范围较宽，极易受到噪声和其他干扰的影响，即使是较弱的电磁干扰或海面船只回波，也可能产生较大的浪高估计误差。提高浪高反演精度的一种思路是扩大阵列口径，但这对雷达建站和推广都是不利的；另一种思路是增大发射功率以提高二阶谱的信噪比，但由于电波沿海面传播诺顿(Norton)衰减因子的存在使得这种做法的效率非常低，而且受无线电管理约束发射功率也不能太大。因此，在现有浪高反演方法框架下，高频地波雷达尤其是便携式雷达存在距离局限性，只能测量近海区域内的浪高，无法实现远距离探测。而对于便携式雷达而言，即使是测量近海区域浪高，由于用作空间扫描的波束非常宽，因此也几乎不具有空间分辨能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种从高频地波雷达回波一阶Bragg谐振峰提取海面浪高的方法，以突破现有的基于二阶谱的浪高反演方法所固有的距离限制瓶颈，大幅度提升高频地波雷达探测距离，同时使其具有空间分辨能力。
本发明所采用的技术方案是：一种从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获得在高频地波雷达工作频率下的Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)；
步骤2：计算出雷达各距离元R上信号功率的传播距离衰减因子Ap(R)、诺顿(Norton)传播损耗因子AN(R)及由雷达接收机门控脉冲产生的工作比调制因子Ag(R)，得到各距离元R上信号功率总的与距离有关的衰减因子A(R)＝Ap(R)AN(R)Ag(R)；
步骤3：在含有超过浪高提取所需信噪比条件二阶谱的近距离元R0上，采用常规基于二阶谱的方法计算出浪高h(R0)，并依据步骤1得到的浪高与Bragg海浪回波谱功率关系式p(h)求出相应的Bragg海浪谱p0，这里假设近距离元R0各方位上具有相同的浪高，其中所述的近距离元R0是能够由常规二阶谱进行浪高反演的距离元；
步骤4：对各距离元R，计算多普勒功率谱，自动划分出正一阶谱区和负一阶谱区，获得正、负一阶峰功率的方位向分布和
步骤5：选择一种风向扩展因子模型g(θ)，由正负一阶峰功率方位向分布估计出风向并计算出各方位上的风向扩展因子
步骤6：在各方位上，由正、负一阶峰功率和风向扩展因子估计出含有一个待定系数α的Bragg海浪无向浪高谱值其中待定系数α是包括收发天线和接收机在内的雷达系统增益；
步骤7：用近距离元R0对远距离元R1进行标校，得到Bragg海浪无向浪高谱值与的比值进而由p0求出Bragg海浪回波谱功率p1＝βp0，最终计算出浪高其中所述的远距离元R1是指超出了二阶谱反演浪高距离的距离元。
作为优选，步骤1的具体实现过程是，在给定工作频率下，选择某历史数据集合，包括雷达回波数据和实验海域的浮标或卫星数据，其中浪高取值范围应覆盖低、中、高海况，选取风的来向或去向在雷达视角范围之内的数据时刻，设浮标记录风向为θwind，雷达视角范围左右边界分别为θleft和θright，则需要满足θleft<θwind<θright或θleft<θwind+π<θright；在时刻t，在超过二阶谱浪高反演所需信噪比条件的近距离元R0，由单极子回波谱搜索到最强一阶峰谱值pmax(t)，当前的浮标记录浪高为hbuoy(t)；对在该数据集合中得到的所有的pmax(t)和hbuoy(t)进行拟合，得到Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)。
本发明具有以下优点和积极效果：
本发明主要依赖的是Bragg海浪的不饱和特性，由一阶Bragg谐振峰提取浪高。由于在一般海态条件下一阶峰显著强于二阶谱，因此本发明将大幅提高高频地波雷达的浪高探测距离，同时对于采用紧凑接收天线的便携式雷达，可将使其获得浪高的空间分辨能力，从而极大促进其发展和推广应用。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用Bragg海浪的不饱和特性，由一阶Bragg峰提取浪高。实施例以采用单极子/交叉环接收天线的便携式高频地波雷达为例对本发明的流程进行一个具体的阐述，其具体包括以下步骤：
步骤1：获得在高频地波雷达工作频率下的Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)；
实施例具体的实施过程说明如下：
在给定工作频率下，选择某历史数据集合，包括雷达回波数据和实验海域的浮标或卫星数据，其中浪高取值范围应覆盖低、中、高海况，选取风的来向或去向在雷达视角范围之内的数据时刻，设浮标记录风向为θwind，雷达视角范围左右边界分别为θleft和θright，则需要满足θleft<θwind<θright或θleft<θwind+π<θright；在时刻t，在超过二阶谱浪高反演所需信噪比条件的近距离元R0例如第2个距离元上，由单极子回波谱搜索到最强一阶峰谱值pmax(t)，当前的浮标记录浪高为hbuoy(t)；对在该数据集合中得到的所有的pmax(t)和hbuoy(t)进行拟合，得到Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)；其中近距离元R0是能够由常规二阶谱进行浪高反演的距离元。
步骤2：计算出雷达各距离元R上信号功率的传播距离衰减因子Ap(R)、诺顿(Norton)传播损耗因子AN(R)及由雷达接收机门控脉冲产生的工作比调制因子Ag(R)，得到各距离元R上信号功率总的与距离有关的衰减因子A(R)＝Ap(R)AN(R)Ag(R)；
实施例具体的实施过程说明如下：
依据高频地波雷达电波海面传播距离方程其中Pt为发射功率，σ为海浪一阶散射截面，λ为电波波长，Aa为收发天线总增益，Ar为接收机总增益，定义Ap(R)＝R-4。一阶峰功率可以表示为p(R)＝ασA(R)，其中α为一常数。与距离有关的衰减因子A(R)预先计算出备用。
步骤3：在含有超过浪高提取所需信噪比条件二阶谱的近距离元R0上，采用常规基于二阶谱的方法计算出浪高h(R0)，并依据步骤1得到的浪高与Bragg海浪回波谱功率关系式p(h)求出相应的Bragg海浪谱p0，这里假设近距离元R0各方位上具有相同的浪高；
实施例具体的实施过程说明如下：
这里假设在如此近的距离元各方位上具有相同的浪高，因此只需在雷达视角中心即2个环天线的角平分线方向形成一个波束，按二阶谱方法求得浪高h(R0)，然后查找曲线p(h)得到Bragg海浪谱值p0。
步骤4：对各距离元R，计算多普勒功率谱，自动划分出正一阶谱区和负一阶谱区，获得正、负一阶峰功率的方位向分布和
实施例具体的实施过程说明如下：
对各距离元R，先计算出单极子上的多普勒功率谱，按最陡下降准则搜索出正负一阶谱峰的左右边界；按2倍Bragg频率间隔约束自动将所有正负一阶谱点匹配为正负谱点对，并对其中较强的谱点利用空间谱估计算法(例如多重信号分类法，MUSIC)进行定向，求得到达角由此获得正、负一阶峰功率的方位向分布和
步骤5：选择一种风向扩展因子模型g(θ)，由正负一阶峰功率方位向分布估计出风向并计算出各方位上的风向扩展因子
实施例具体的实施过程说明如下：
选择一种风向扩展因子模型，例如在方位上由步骤4已得正、负一阶峰功率值和通过最小均方误差法求得风向和满足这里风向为去向。
步骤6：在各方位上，由正、负一阶峰功率和风向扩展因子估计出含有一个待定系数α的Bragg海浪无向浪高谱值其中待定系数α是包括收发天线和接收机在内的雷达系统增益；
实施例具体的实施过程说明如下：
如果则取否则，取这里一阶散射截面
步骤7：用近距离元R0对远距离元R1进行标校，得到Bragg海浪无向浪高谱值与的比值进而由p0求出Bragg海浪回波谱功率p1＝βp0，最终计算出浪高其中所述的远距离元R1是指超出了二阶谱反演浪高距离的距离元。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获得在高频地波雷达工作频率下的Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)；
步骤2：计算出雷达各距离元R上信号功率的传播距离衰减因子Ap(R)、诺顿(Norton)传播损耗因子AN(R)及由雷达接收机门控脉冲产生的工作比调制因子Ag(R)，得到各距离元R上信号功率总的与距离有关的衰减因子A(R)＝Ap(R)AN(R)Ag(R)；
步骤3：在含有超过浪高提取所需信噪比条件二阶谱的近距离元R0上，采用常规基于二阶谱的方法计算出浪高h(R0)，并依据步骤1得到的浪高与Bragg海浪回波谱功率关系式p(h)求出相应的Bragg海浪谱p0，这里假设近距离元R0各方位上具有相同的浪高，其中所述的近距离元R0是能够由常规二阶谱进行浪高反演的距离元；
步骤4：对各距离元R，计算多普勒功率谱，自动划分出正一阶谱区和负一阶谱区，获得正、负一阶峰功率的方位向分布和
步骤5：选择一种风向扩展因子模型g(θ)，由正负一阶峰功率方位向分布估计出风向并计算出各方位上的风向扩展因子
步骤6：在各方位上，由正、负一阶峰功率和风向扩展因子估计出含有一个待定系数α的Bragg海浪无向浪高谱值其中待定系数α是包括收发天线和接收机在内的雷达系统增益；
步骤7：用近距离元R0对远距离元R1进行标校，得到Bragg海浪无向浪高谱值与的比值进而由p0求出Bragg海浪回波谱功率p1＝βp0，最终计算出浪高其中所述的远距离元R1是指超出了二阶谱反演浪高距离的距离元。
2.根据权利要求1所述的从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法，其特征在于：步骤1的具体实现过程是，在给定工作频率下，选择某历史数据集合，包括雷达回波数据和实验海域的浮标或卫星数据，其中浪高取值范围应覆盖低、中、高海况，选取风的来向或去向在雷达视角范围之内的数据时刻，设浮标记录风向为θwind，雷达视角范围左右边界分别为θleft和θright，则需要满足θleft<θwind<θright或θleft<θwind+π<θright；在时刻t，在超过二阶谱浪高反演所需信噪比条件的近距离元R0，由单极子回波谱搜索到最强一阶峰谱值pmax(t)，当前的浮标记录浪高为hbuoy(t)；对在该数据集合中得到的所有的pmax(t)和hbuoy(t)进行拟合，得到Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)。
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