CN105204011B - 一种高频地波雷达形成浪场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高频地波雷达形成浪场的方法，是一种从高频地波雷达回波提取有效浪高的方法，并通过该浪高反演算法得到浪场。该浪高提取算法是根据雷达回波多普勒谱中一阶峰与二阶峰的比值获取的，所得到的有效浪高可以通过MUSIC（多重信号分类）算法估计方位角，从而得到浪高的方位信息。当所提取的有效浪高同时包含方位角信息和距离信息时，就可以得到雷达在探测海域范围内的浪高分布，即浪场的形成。初始的浪场，通过后续的处理：替换、插值和平滑，可得到最终的浪场。本发明所涉及的浪场形成算法，不仅适用于窄波束雷达系统，还适用于紧凑阵的宽波束雷达系统。

Description

一种高频地波雷达形成浪场的方法
技术领域
本发明涉及一种高频地波雷达形成浪场的方法，是一种采用高频地波雷达海洋回波谱一二阶峰比值提取有效浪高，并形成浪场的方法。
背景技术
高频地波雷达应用于海洋表面动力学参数的监测已有超过30年的历史了，海流的提取已经发展的很成熟，有效浪高的提取技术也得到很大的发展，多种浪高提取算法被提出，并取得很大成就。然而，浪场的形成，同时获取大范围海域的有效浪高，依旧处于发展和研究阶段。浪场的获取对于海洋研究活动、渔业以及海上救援等有极大的帮助。获取浪场的主要难点在于浪高方位信息的提取，当前主要方式是通过大口径的相控阵天线进行波束形成来解决方位问题，这在具有紧凑阵的宽波束雷达系统中是不适用的。考虑到窄波束雷达系统存在一些不可避免的劣势，比如：1)雷达站选址，需要一个相对平坦且狭长的海岸线；2)安装与架设更加困难；3)更加高昂的运营和维护成本，如何解决宽波束雷达获取方位信息进而形成浪场，就显得非常有意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频雷达浪场形成的方法，该方法不仅适用于窄波束雷达系统，更是解决了宽波束雷达难以获取浪场的困难。
本发明的技术方案是：
一种高频地波雷达形成浪场的方法，包含以下步骤：
步骤1，从雷达海洋回波的距离多普勒中，筛选出由一阶峰与二阶峰构成的匹配对，计算其比值，根据线性模型反演得到有效浪高；
步骤2，采用多重信号分类(MUltiple SIgnal Classification——MUSIC)算法估算所得有效浪高的方位角；
步骤3：根据有效浪高获得实际浪场。
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤(3.1)将雷达所能探测到的海域划分为二维空间格子，距离上跨度设置为雷达距离分辨率，方位角上跨度设置为10度；
步骤(3.2)将反演所得的有效浪高根据距离与方位信息，置于相对应的二维空间格子；分别对各个格子内的有效浪高取中值，作为其实际有效浪高，完成初始浪场的形成；
步骤(3.3)再对初始浪场进行替换、插值以及平滑处理，得到最终实际浪场。
步骤1中所述的筛选出由一阶峰与二阶峰构成的匹配对，帅选是根据匹配对的两个特征来实现的，两个特征分别是：(1)来自相同方位角；(2)在多普勒谱中，其多普勒差值恒定为0.41fB，fB为Bragg频率。
步骤1中所述的线性模型，根据一二阶峰比值与浮标有效浪高的实际关系拟合得到。(其中：“浮标有效浪高”指的是海面分布的浮标提供的有效浪高信息，在本专利中，是作为参考，来确定线性模型参数。)
步骤(3.2)中所述有效浪高的距离信息，是通过雷达所接收的海洋回波信号进行傅立叶变换而得到。
步骤(3.3)中对初始浪场之所以要先进行替换处理，是因为实际中，各个二维空间格子内累积到的有效浪高值有多又少，累积数越高，其得到的浪高越准确；当累积数低于3时，误差较大，因此需要将其替换为周边所有格子浪高值的均值(其中，“周边”就是以某个格子为中心，其周围的空间格子，一般情况下，周边格子数为8，然而位于边界的格子，其周边格子数为5)。
步骤(3.3)中对浪场进行插值和平滑处理，是由于实际中有少部分空间格子内累积数为0，数据为空，需要以周边浪高值的均值来填补；平滑处理是采用高斯窗函数来实现，防止相邻海域浪高值差异过大。
与现有技术相比，本发明的优势在于：传统的浪场形成方式是通过波束形成来获取不同方位角的有效浪高，为了使得方位角分辨率越高，天线口径就越大，带来很大不方便；本发明提供的浪场形成不再依赖波束形成，而是通过MUSIC定向算法获取有效浪高的方位信息，进而形成浪场，因此对天线口径没有特殊要求，既能用于拥有大型相控阵天线的雷达系统，也适用于拥有紧凑阵的雷达系统。
附图说明
图1为雷达站地理位置图，其中PTAN是工作在13.5MHz的高频地波雷达站，Buoy A和B是位于雷达站附近的两个浮标，距离雷达站7.3km和15.3km；
图2中，(a)为雷达回波多普勒谱图，(b)为一二阶峰MUSIC估角结果图；
图3为一二阶峰比值与浮标有效浪高的线性模型图，(a)、方位角70度，(b)、方位角120度；
图4为初始浪场，(a)图所用数据来自2014年9月27日21：00至23：00，(b)图所用数据来自2014年10月9日17：30至19：30；
图5为经过替换处理后的浪场，所用数据同图4；
图6为经过插值和平滑处理后的浪场，所用数据同图4。
具体实施方式
下面结合附图与实施例，对本发明作更加详细的说明。
于2014年9月至10月，在福建省平潭县做了一次实验，地理位置如图1所示，采用的是具有紧凑阵接收天线的OSMAR-SD高频地波雷达，发射波形为LFMICW(线性调频中断连续波)，扫频带宽60KHz，距离分辨率为2.5km。
本发明所涉及的浪场形成算法将分为三部分依次详细介绍：1)一二阶峰比值与有效浪高关系的理论推导；2)一二阶峰比值与有效浪高线性模型的构建；3)实际浪场作图的过程。
(1)一二阶峰比值与有效浪高关系的理论推导
1972年Barrick推导出了窄波束条件下无海洋表面流的深水中一阶雷达散射截面方程的表达式：
式中，ω为多普勒频移，是雷达波束的方位角，m取值±1表征的是朝向或背离雷达的两列Bragg海浪，表示雷达波矢量，为有向浪高谱，ωB是Bragg频率。
对于得到充分发展的海洋表面，有向浪高谱可以表示为无向浪高谱f(k)与方向因子的乘积：
式中，θ表示波矢为海浪的传播方向与雷达波束指向的夹角，k为海浪波矢量的大小。
根据Bragg散射原理，位于±ωB处的两个一阶峰分别是由波数的两列海浪产生，再将(2)式代入到(1)式中，可以得到理论上一阶峰的强度：
式中，a是常系数。
类似的，由波数海浪产生的二阶峰，其强度可以写为：
上式中，b可认为是一个未知的常系数。
采用最常用的PM无向浪高谱：(α＝0.008,β＝0.74)，代入(3)和(4)式，就可以推导出一二阶峰比值与有效浪高的理论关系(如图3所示，b/a＝0.0005)：
上式中化简时利用到了有效浪高Hs与截止波数kc的一个近似关系，Hs＝0.21/kc，可由下式推导出来(h2为均方浪高)：
(2)一二阶峰比值与有效浪高线性模型的构建
要得到一二阶峰比值r与有效浪高Hs的线性模型，需要同时利用实测数据以及浮标有效浪高数据。
由于雷达接收天线为紧凑阵，回波多普勒谱中一阶谱会出现展宽现象，同一场数据的同一个距离元的多普勒谱中，会出现多个一阶峰(来自不同方位角)以及与其相对应的二阶峰，称之为“匹配对”——由单个一阶峰，与其相对应的二阶峰构成。这样的匹配对具有两个特点(如图2所示)：1)来自同一方位角；2)多普勒差值恒定，约为0.41fB。根据这两个特点，可以从回波距离多普勒谱中筛选出所需的匹配对，图3给出了一二阶峰比值r与有效浪高Hs的线性模型(分别来自两个不同方位角)：
最终的线性模型可以写为：
r＝-A+B·Hs (8)
式中，A与B为线性模型的两个参数，在不同的海域可能会有不同的取值，在本次实验中，A与B分别取值25与2.5。根据此线性模型可以得到提取有效浪高的表达式：
Hradar＝(r+A)/B (9)
式中，r表示一二阶峰的比值，Hradar为雷达所测得的有效浪高(Hradar也是有效浪高，只是在这里特指雷达反演所得，因此与Hs区分开来)。
(3)实际浪场作图的过程
为了获取浪场，先将雷达所能探测到的海域划分为一系列二维空间格子：距离上跨度设置为2.5km，方位角上跨度设置为10度。
考虑到海态的变化，形成一幅浪场所用到的雷达数据应控制在2小时，即使用连续的2小时雷达数据来形成浪场。浪场形成的具体步骤如下所示：
a.根据反演所得到浪高的距离以及方位信息，将所有反演的浪高值置于相应二维空间格子中；
b.计算同一格子内浪高的中值，作为其实际有效浪高，如图4所示；
c.当格子内浪高累计数低于3时，将其替换为周边格子浪高的均值，如图5所示；
d.再对替换之后的浪场，进行插值和平滑处理，即可得到最终的浪场，如图6所示。
给出浪场形成结果时，选取了两段雷达数据作为例子，分别来自2014年9月27日21：00至23：00，2014年10月9日17：30至19：30。

Claims (3)

1.一种高频地波雷达形成浪场的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，从雷达海洋回波的距离多普勒中，筛选出由一阶峰与二阶峰构成的匹配对，计算其比值，根据线性模型反演得到有效浪高；
步骤2，采用多重信号分类—MUSIC算法估算所得有效浪高的方位角；
步骤3：根据有效浪高获得实际浪场；
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤(3.1)将雷达所能探测到的海域划分为二维空间格子，距离上跨度设置为雷达距离分辨率，方位角上跨度设置为10度；
步骤(3.2)将反演所得的有效浪高根据距离与方位信息，置于相对应的二维空间格子；分别对各个格子内的有效浪高取中值，作为其实际有效浪高，完成初始浪场的形成；
步骤(3.3)再对初始浪场进行替换、插值以及平滑处理，得到最终实际浪场；
步骤1中所述的筛选出由一阶峰与二阶峰构成的匹配对，筛选是根据匹配对的两个特征来实现的，两个特征分别是：(1)来自相同方位角；(2)在多普勒谱中，其多普勒差值恒定为0.41fB，fB为Bragg频率。
2.如权利要求1所述的一种高频地波雷达形成浪场的方法，其特征在于，步骤1中所述的线性模型，根据一二阶峰比值与浮标有效浪高的实际关系拟合得到。
3.如权利要求2所述的一种高频地波雷达形成浪场的方法，其特征在于，步骤(3.2)中所述有效浪高的距离信息，是通过雷达所接收的海洋回波信号进行傅立叶变换而得到；形成一幅浪场所用到的雷达数据应控制在2小时，即使用连续的2小时雷达数据来形成浪场。
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