CN106093936A - 基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，包括步骤为：计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度，对各径向上的雷达回波多普勒速度求平均，获得各径向上的海流速度；利用各径向上的海流速度，采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息；建立海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系，从而获得海浪波数谱信息。本发明的优势在于：由于浪流信息的提取是基于绝对的多普勒速度信息，相对于传统的基于回波强度的浪流提取方法，测量精度更高，而且可以避免繁琐的标定的工作及标定带来的误差。

Description

基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法

技术领域

本发明涉及海洋科学技术领域，特别是一种基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法。

背景技术

在海洋观测技术领域中，微波雷达具有测量精度高、环境干扰小、测量范围大、时空分辨率高、体积轻便等优势，在海洋科学研究中有着巨大的应用前景。

目前，利用X波段传统导航雷达提取浪流信息的技术已经在实践中取得显著成效，基本原理是X波段雷达向海面发射电磁波，与雷达波长相当的毛细波发生Bragg散射，并受到长波对短波的阴影、倾斜及流体动力学调制，形成雷达海杂波图像，最后利用雷达海杂波图像的时间序列信息来提取海浪和海面流速。

相对于传统的X波段导航雷达，相参雷达不但能够获取各分辨单元散射强度信息而且还可以提取相位信息，因而可以获取更为丰富的海态信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，该基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，采用多普勒速度来反演浪流信息，相对于传统的基于回波强度测量算法，测量精度更高。同时在有效浪高提取算法方面，传统的基于雷达回波强度信息的反演算法，结果需要实测数据进行标定，而本发明公布的算法是基于雷达回波多普勒速度信息，避免了繁琐的标定工作及标定带来的误差。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，包括以下步骤：

步骤1，计算各散射单元的雷达回波多普勒速度：将相参雷达天线的扫描方式设置为慢扫模式，并在扫描的雷达回波图像中选定反演区域；然后，利用互相关或FFT算法，计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度。

步骤2，计算各径向上的海流速度：将步骤1计算出的各散射单元的雷达回波多普勒速度，按各径向求平均，获得各径向上的海流速度。

步骤3，计算矢量流速和流向信息：利用步骤2计算出的各径向上的海流速度，采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息。

步骤4，获取海浪波数谱：将步骤1计算出的各散射单元的雷达回波多普勒速度减去步骤2计算出的各径向上的海流速度，得到各散射单元的海浪轨道速度；然后对各径向上的海浪轨道速度分别在距离空间上做傅里叶变换得到各径向上的海浪轨道速度谱；接着，建立海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系，从而获取海浪波数谱。

步骤5，海波海态参数推导：结合海波频散关系，利用步骤4获取的海浪波数谱推导出海波海态参数，海波海态参数包括有效波高、峰波波数、峰波频率。

所述步骤1中，利用FFT算法，计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度的方法为：首先对散射单元积累的脉冲数做快速傅里叶变换，得到雷达回波的频谱信息P(f)，剔除干扰频谱信息后，谱能量最大值对应的频率即为多普勒频率f_d，则各散射单元的雷达回波多普勒速度V_r,θ为：

$V_{r,\mathrm{\θ}}=\frac{f_{d}L}{2}$

上式中，L为雷达波长。

所述步骤2中，雷达回波多普勒速度按各径向求平均后，得到的各径向上的海流速度公式为：

$V_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{i=N_r}{\Σ}}{V}_{r_i,\mathrm{\θ}}$

上式中，V_θ为各径向上的海流速度；为各散射单元的雷达回波多普勒速度；N_r为选定反演区域所包含的距离元数。

所述步骤3中，采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息时，最小二乘法的表达式为：

$F(V_c,D_c)=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\Σ}}{(V_{\mathrm{\θ}}-V_{c}cos(D_c-{\mathrm{\θ}}_j\left)\right)}^2$

上式中，V_c为海面矢量流速；D_c海面流向；V_θ为各径向上的海流速度；N_θ为选定反演区域所包含的径向数；θ_j为各径向波束角度。

所述步骤4中，根据线性波理论，海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系为：

$S_u\left(k\right)={\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{w}^2{S}_{\mathrm{\η}}\left(k\right){\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_w)D\left({\mathrm{\θ}}_w\right){\mathrm{d\θ}}_w$

上式中，S_u(k)为海浪轨道速度谱；S_η(k)为海浪波数谱；θ为径向波束角度。

w为海浪角频率，满足海波频散关系其中g,k,h分别代表重力加速度、波数、水深；

θ_w为海浪波向，D(θ_w)为海浪方向分布函数，具体为：

$D\left({\mathrm{\θ}}_w\right)={\cos }^s\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_w-{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right)$

其中，s为能量扩散系数，一般取值为4，θ₀为主波波向；

通过3D-FFT算法，海浪波数谱S_η(k)的最终解析式为：

S_η(k)＝X_DS_u(k)/ω²

其中，

所述步骤5中，有效波高的计算公式：

$H_s=4.0\sqrt{\∫S\left(w\right)dw}$

其中，H_s表示有效波高，S(w)表示频率谱，S(w)通过以下转化关系式获得：

$S_{\mathrm{\η}}\left(k\right)=\frac{1}{2}S\left(w\right)g^{0.5}{k}^{-0.5}$

其中，S_η(k)表示海浪波数谱，g,k分别表示重力加速度和海面波数。

所述步骤5中，海波海态参数还包括峰波波数，峰波波数的计算公式为：

$k_p=\frac{{\∫}_0^{0.5}{\mathrm{kS}}_{\mathrm{\η}}^4\left(k\right)dk}{{\∫}_0^{0.5}{S}_{\mathrm{\η}}^4\left(k\right)dk}$

其中，k_p表示峰波波数，S_η(k)为海浪波数谱，k表示海面波数。

所述步骤5中，海波海态参数还包括波峰频率，波峰频率w_p由海波频散关系计算获得，其中，w为海浪角频率，g,k,h各代表重力加速度、海面波数、水深。

本发明采用上述方法后，采用多普勒速度来反演浪流信息，相对于传统的基于回波强度测量算法，测量精度更高。同时在有效浪高提取算法方面，传统的基于雷达回波强度信息的反演算法，结果需要实测数据进行标定，而本发明公布的算法是基于雷达回波多普勒速度信息，避免了繁琐的标定工作及标定带来的误差。

附图说明

图1是本发明一种基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，包括以下步骤。

步骤1，计算各散射单元的雷达回波多普勒速度。

第一步，选定反演区域。

将相参雷达天线的扫描方式设置为慢速扫描模式，简称为慢扫模式，优选设置为1r/min。然后在扫描的雷达回波图像中选定反演区域，假定角度分辨率为δθ,距离分辨率为δr，则选定反演区域所包含的径向数为N_θ，包含的距离元数为N_r，各角度积累的径向脉冲数为N_p。

第二步，计算雷达回波多普勒速度。

利用互相关或FFT算法，计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度。

下面详细介绍利用FFT算法，计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度的方法。

首先对散射单元积累的脉冲数做快速傅里叶变换，得到雷达回波的频谱信息P(f)，剔除干扰频谱信息后，谱能量最大值对应的频率即为多普勒频率f_d，多普勒频率f_d的计算公式为：

$f_d=\frac{\∫fP\left(f\right)df}{\∫P\left(f\right)df}$

则各散射单元的雷达回波多普勒速度V_r,θ为：

$V_{r,\mathrm{\θ}}=\frac{f_{d}L}{2}$

上式中，L为雷达波长。

步骤2，计算各径向上的海流速度：将步骤1计算出的各散射单元的雷达回波多普勒速度，按各径向求平均，获得各径向上的海流速度。

雷达多普勒速度包含海流速度和海浪轨道速度，海流周期相对于采样时间很大，可以认为在采样过程中，海流径向速度保持不变，海浪则为随机过程，其各径向速度的平均值近似为零，对每一径向的各距离单位的雷达回波多普勒速度做平均，即可以得到各径向上的海流速度公式为：

$V_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{i=N_r}{\Σ}}{V}_{r_i,\mathrm{\θ}}$

上式中，V_θ为各径向上的海流速度；为各散射单元的雷达回波多普勒速度；N_r为选定反演区域所包含的距离元数。

步骤3，计算矢量流速和流向信息：利用步骤2计算出的各径向上的海流速度，采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息。

采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息时，最小二乘法的表达式为：

$F(V_c,D_c)=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\Σ}}{(V_{\mathrm{\θ}}-V_{c}cos(D_c-{\mathrm{\θ}}_j\left)\right)}^2$

上式中，V_c为海面矢量流速；D_c海面流向；V_θ为各径向上的海流速度；N_θ为选定反演区域所包含的径向数；θ_j为各径向波束角度。

步骤4，获取海浪波数谱：将步骤1计算出的各散射单元的雷达回波多普勒速度减去步骤2计算出的各径向上的海流速度，得到各散射单元的海浪轨道速度；然后对海浪轨道速度分别在距离空间上做傅里叶变换得到各径向上的海浪轨道速度谱；接着，建立海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系，从而获取海浪波数谱。

根据线性波理论，海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系为：

$S_u\left(k\right)={\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{w}^2{S}_{\mathrm{\η}}\left(k\right){\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_w)D\left({\mathrm{\θ}}_w\right){\mathrm{d\θ}}_w$

上式中，S_u(k)为海浪轨道速度谱；S_η(k)为海浪波数谱；θ为雷达波束角度。

w为海浪角频率，满足海波频散关系其中g,k,h分辨代表重力加速度、波数、水深；

θ_w为海浪波向，D(θ_w)为海浪方向分布函数，具体为：

$D\left({\mathrm{\θ}}_w\right)={\cos }^s\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_w-{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right)$

其中，s为能量扩散系数，一般取值为4，θ₀为主波波向。

通过3D-FFT算法，海浪波数谱S_η(k)的最终解析式为：

S_η(k)＝X_DS_u(k)/ω²

其中，

步骤5，海波海态参数推导：结合海波频散关系，利用步骤4获取的海浪波数谱推导出海波海态参数，海波海态参数包括有效波高、峰波频率、峰波波数。

上述有效波高的计算公式：

$H_s=4.0\sqrt{\∫S\left(w\right)dw}$

其中，H_s表示有效波高，S(w)表示频率谱，S(w)通过以下转化关系式获得：

$S_{\mathrm{\η}}\left(k\right)=\frac{1}{2}S\left(w\right)g^{0.5}{k}^{-0.5}$

其中，S_η(k)表示海浪波数谱，g,k分别表示重力加速度和海面波数。

上述峰波波数的计算公式为：

$k_p=\frac{{\∫}_0^{0.5}{\mathrm{kS}}_{\mathrm{\η}}^4\left(k\right)dk}{{\∫}_0^{0.5}{S}_{\mathrm{\η}}^4\left(k\right)dk}$

其中，k_p表示峰波波数，S_η(k)为海浪波数谱，k表示海面波数。

上述波峰频率w_p由海波频散关系计算获得，其中，w为海浪角频率，g,k,h各代表重力加速度、海面波数、水深。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，计算各散射单元的雷达回波多普勒速度：将相参雷达天线的扫描方式设置为慢扫模式，并在扫描的雷达回波图像中选定反演区域；然后，利用互相关或FFT算法，计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度；

步骤2，计算各径向上的海流速度：将步骤1计算出的各散射单元的雷达回波多普勒速度，按各径向求平均，获得各径向上的海流速度；

步骤3，计算矢量流速和流向信息：利用步骤2计算出的各径向上的海流速度，采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息；

步骤4，获取海浪波数谱：将步骤1计算出的各散射单元的雷达回波多普勒速度减去步骤2计算出的各径向上的海流速度，得到各散射单元的海浪轨道速度；然后对各径向上的海浪轨道速度分别在距离空间上做傅里叶变换得到各径向上的海浪轨道速度谱；接着，建立海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系，从而获取海浪波数谱；

步骤5，海态参数推导：结合海波频散关系，利用步骤4获取的海浪波数谱推导出海波海态参数，海波海态参数包括有效波高、峰波波数和峰波频率。

2.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤1中，利用FFT算法，计算选定反演区域中各散射单元的雷达回波多普勒速度的方法为：首先对散射单元积累的脉冲数做快速傅里叶变换，得到雷达回波的频谱信息P(f)，剔除干扰频谱信息后，谱能量最大值对应的频率即为多普勒频率f_d，则各散射单元的雷达回波多普勒速度V_r,θ为：

$V_{r,\mathrm{\θ}}=\frac{f_{d}L}{2}$

上式中，L为雷达波长。

3.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤2中，雷达回波多普勒速度按各径向求平均后，得到的各径向上的海流速度公式为：

$V_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{N_r}\underset{i=1}{\overset{i=N_r}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{r_i,\mathrm{\θ}}$

上式中,V_θ各径向上的海流速度；为各散射单元的雷达回波多普勒速度；N_r为选定反演区域所包含的距离元数。

4.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤3中，采用最小二乘法获取海面矢量流速和流向信息时，最小二乘法的表达式为：

$F(V_c,D_c)=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{\Σ}}}{(V_{\mathrm{\θ}}-V_{c}cos(D_c-{\mathrm{\θ}}_j\left)\right)}^2$

上式中，V_c为海面矢量流速；D_c海面流向；V_θ为各径向上的海流速度；N_θ为选定反演区域所包含的径向数；θ_j为各径向波束角度。

5.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤4中，根据线性波理论，海浪轨道速度谱和海浪波数谱的映射关系为：

$S_u\left(k\right)={\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}{w}^2{S}_{\mathrm{\η}}\left(k\right){\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_w)D\left({\mathrm{\θ}}_w\right){\mathrm{d\θ}}_w$

上式中，S_u(k)为海浪轨道速度谱；S_η(k)为海浪波数谱；θ为径向波束角度；

w为海浪角频率，满足海波频散关系其中g,k,h分别代表重力加速度、海面波数、水深；θ_w为海浪波向，D(θ_w)为海浪方向分布函数，具体为：

$D\left({\mathrm{\θ}}_w\right)={\cos }^s\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_w-{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right)$

其中，s为能量扩散系数，一般取值为4，θ₀为主波波向。

6.根据权利要求5所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：通过3D-FFT算法，海浪波数谱S_η(k)的最终解析式为：

S_η(k)＝X_DS_u(k)/ω²

其中，

7.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤5中，有效波高的计算公式：

$H_s=4.0\sqrt{\∫S\left(w\right)dw}$

其中，H_s表示有效波高，S(w)表示频率谱，S(w)通过以下转化关系式获得：

$S_{\mathrm{\η}}\left(k\right)=\frac{1}{2}S\left(w\right)g^{0.5}{k}^{-0.5}$

其中，S_η(k)表示海浪波数谱，g,k分别表示重力加速度和海面波数。

8.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤5中，峰波波数的计算公式为：

$k_p=\frac{{\∫}_0^{0.5}{\mathrm{kS}}_{\mathrm{\η}}^4\left(k\right)dk}{{\∫}_0^{0.5}{S}_{\mathrm{\η}}^4\left(k\right)dk}$

其中，k_p表示峰波波数，S_η(k)为海浪波数谱，k表示波数。

9.根据权利要求1所述的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法，其特征在于：所述步骤5中，波峰频率w_p由海波频散关系计算获得，其中，w为海浪角频率，其中g,k,h分别代表重力加速度、海面波数和水深。