CN107064929B - 一种利用s波段多普勒雷达探测海面浪高的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，包括步骤1，利用S波段多普勒雷达获取海面回波多普勒谱，对得到的N帧多普勒谱提取中心频率，获得中心频率序列，根据多普勒效应，得到雷达测量的径向速度序列；步骤2，对雷达测得的径向速度序列去除平均值，接着作离散傅里叶变换和取模平方得到速度谱；步骤3，根据线性波动理论，得到速度谱与海浪谱的转换关系，获得海浪谱；步骤4，根据有效波高与海浪谱之间的数学关系，利用谱矩法获得有效波高；步骤5，用零阶矩去奇异值法，使异常的有效波高恢复正常。本发明为利用微波多普勒雷达获取海面浪高提供了一种新的探测手段，具有较高的探测精度和浪场空间分辨率，结果简单清晰。

Description

一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法

技术领域

本发明属于雷达探测领域，尤其涉及一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法。

背景技术

近岸处海浪对于海运和港口安全有着非常重要的作用，传统的测量手段如浮标、潜标、海洋调查船等只能提供局部有效的海洋数据，难以满足实际需求。随着计算机等新技术的快速发展，无线电磁波逐步应用于海洋监测领域。S波段多普勒雷达能够探测近岸处海面浪高信息，且由于其体积小、受环境干扰少、测量精度高等特点，目前已逐步发展成为一种用于监测海洋环境的新手段。对于S波段多普勒雷达，当入射角较大时，海面与电磁波信号发生Bragg散射，谐振的海浪波长与电磁波长处于同一量级，被称为Bragg毛细波。根据复合表面散射理论，毛细波跨骑在重力波上，并受到重力波的调制作用，这些调制包括轨道调制、倾斜调制、阴影调制和流体动力学调制等，因此Bragg毛细波的变化中携带了重力波的特征信息。从雷达回波中提取出重力波的速度信息，利用线性波动理论，速度与海浪谱存在着转换关系，进而获取海浪谱。因此，S波段多普勒雷达发射的电磁波与海面发生相互作用，其幅度和相位受到海浪、海流等参数调制，对调制后的回波信号经过一系列复杂的信号处理和数据分析，可从中提取出海面浪高信息。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法。该方法的核心在于通过雷达回波多普勒快速、高精度地实时获取海面浪高信息。该方法不仅适用于S波段多普勒雷达，还可应用于其他波段的微波多普勒雷达。

本发明的技术方案是一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，包括以下步骤：

步骤1，利用S波段多普勒雷达获取海面回波多普勒谱，对得到的N帧多普勒谱提取中心频率，获得中心频率序列，根据多普勒效应公式，得到雷达测量的径向速度序列v(t)。

在该步骤中，中心频率的获取采用基于矩运算的能量均衡法：

式中：P(f)为多普勒功率谱密度函数。

步骤2，对雷达测得的径向速度序列v(t)去除平均值，接着作离散傅里叶变换和取模平方得到速度谱v²(f)。

步骤3，根据线性波动理论，得到速度谱与海浪谱的转换关系，获得海浪谱S(f)；

在该步骤中，速度谱与海浪方向谱的转换关系如下：

式中：v²(f)表示速度谱，k和ω分别是水质点毛细波对应的波数和频率，Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔，d是水深，α为雷达掠射角；

海浪谱通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线；

步骤4，根据有效波高与海浪谱之间的数学关系，利用谱矩法获得有效波高H_s。

在该步骤中，有效波高的计算公式如下：

式中，H_s为海浪的有效波高，m₀为海浪谱的零阶矩，可通过下式得到：

m₀＝∫S(f)df (4)

步骤5，有效波高受地形、破碎波以及山体遮挡等因素影响，偶尔出现异常。在海浪谱零阶矩序列中应用零阶矩去奇异值法，使得异常的有效波高恢复正常。

在所述步骤2和步骤3中，由径向速度序列推导海浪谱的过程如下：

雷达测得的径向速度为：

式中：v(t)为雷达测得的径向速度，α为雷达掠射角，θ为雷达天线指向；对径向速度序列做平均，去除散射体相速度和海流径向流速；

接着，对去除平均值后的径向速度序列进行离散傅里叶变换和取模平方后得到速度谱：

式中：v²(f)表示速度谱；

在式(7)中，毛细波幅度A(f,θ)与海浪方向谱S(f,θ)存在以下的关系式：

式中：Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔；

将式(8)代入式(7)就得到海浪方向谱与速度谱之间的转换关系，两者的转换公式如下所示：

海浪谱通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线。

在所述步骤5中，零阶矩去奇异值法的计算步骤如下：

a.利用转换公式得到海浪谱对应的零阶矩序列；

b.计算该序列平均值，记为A，设置k A为阈值，其中k为常数，取4～6；

c.检测高于阈值的位置并剔除，得到新的零阶矩序列；

d.计算新序列平均值，记为A₁，设置k₁A₁为新阈值，其中k₁为常数，取8～10；

e.检测原始零阶矩序列中高于新阈值的部分，标记此部分为异常位置；

f.重置异常位置的零阶矩为A₁，其他位置不变，即得到剔除异常值后的零阶矩序列。

在所述步骤1和步骤3中，N的取值为2ⁿ，n是不小于7的正整数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明利用S波段多普勒雷达，为海面有效波高的获取提供了一种新的方法。

2、本发明利用S波段多普勒雷达作为探测工具，该款雷达体积小，受外部环境干扰少，且可全天候工作，不受雨雾影响。

3、本发明计算方法快速简单，满足雷达实时工作要求。

4、本发明能够连续、实时地观测有效波高，每间隔数分钟就能获取海洋表面有效波高分布，高效快速。

5、本发明针对异常的有效波高提出了一种简单快速的处理方法，使得有效波高恢复正常。

本发明不仅可适用于S波段多普勒雷达，还可应用于其他波段的微波多普勒雷达系统中。

附图说明

图1，本发明的算法流程图；

图2，提取的有效波高随距离元变化的示意图；其中，图2(a)为原始的有效波高结果；图2(b)为应用零阶矩去奇异值法后的有效波高结果；

图3，应用本发明方法后提取出的有效波高与浮标对比结果。

具体实施方式

下面以具体实例结合附图，对本发明作进一步说明。

海浪是海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置，作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一种波动。海面上水质点的速度可通过下式计算得到：

u(t)＝U₀cos(ωt)+v_c+v_s (5)

式中：u(t)和w(t)分别为水质点速度的水平分量和垂直分量，v_c是海流的径向流速，v_s是有效散射体的相速度，k和ω分别是水质点毛细波对应的波数和频率，d是水深，C是长重力波的相速度，一般远大于v_s和v_c。U₀是轨道速度，由下式获得：

U₀＝ωA(f,θ)coth(kd) (7)

其中，A(f,θ)是毛细波对应的幅度。

S波段多普勒雷达直接对来自海面的回波信号进行两次傅里叶变换，得到回波多普勒谱，由于多普勒效应，海面水质点速度将会对雷达回波产生作用。因此雷达测得的径向速度为：

式中：v(t)为雷达测得的径向速度，α为雷达掠射角。上式第一项是均值为零的正弦信号，周期一般在十秒左右，因此对径向速度序列做几分钟的平均，可去除散射体相速度和海流径向流速。

具体实施步骤参见图1：

步骤1，利用S波段多普勒雷达获取海面回波多普勒谱，对得到的N帧多普勒谱提取中心频率，获得中心频率序列，根据多普勒效应公式，得到雷达测量的径向速度序列v(t)。

在该步骤中，中心频率的获取采用基于矩运算的能量均衡法：

式中：P(f)为雷达回波多普勒的功率谱密度函数。

步骤2，对雷达测得的径向速度序列v(t)去除平均值，接着作离散傅里叶变换和取模平方得到速度谱v²(f)。

雷达测量的径向速度序列v（t)如式(8)所示，对其去除平均值后，第二项和第三项的散射体相速度和海流径向流速被去除。经过离散傅里叶变换和取模平方后：

式中：v²(f)表示速度谱。

步骤3，根据线性波动理论，得到速度谱与海浪谱的转换关系，获得海浪谱S(f)；

在该步骤中，速度谱与海浪方向谱的转换关系如下：

式中：v²(f)表示速度谱，k和ω分别是水质点毛细波对应的波数和频率，Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔，d是水深，α为雷达掠射角；

海浪谱可通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线。

步骤4，根据有效波高与海浪谱之间的数学关系，利用谱矩法获得有效波高H_s。

在该步骤中，有效波高的计算公式如下：

式中，H_s为海浪的有效波高，m₀为海浪谱的零阶矩，可通过下式得到：

m₀＝∫S(f)df (14)

步骤5，有效波高受地形、破碎波以及山体遮挡等因素影响，偶尔出现异常。在海浪谱零阶矩序列中应用零阶矩去奇异值法，使得异常的有效波高恢复正常。

由公示(13)可知，有效波高由海浪谱的零阶矩决定，零阶矩的异常导致了有效波高出现异常值，因此在海浪谱中对异常零阶矩进行检测并处理。基于海浪的短时平稳特征，提出了零阶矩去奇异值法。它是一种实际的工程处理方法，具体计算步骤如下：

a.利用转换公式得到海浪谱对应的零阶矩序列；

b.计算该序列平均值，记为A，设置k A为阈值，其中k为常数，由于正常序列波动很小，因此k取4～6就能检测出异常值；

c.检测高于阈值的位置并剔除，得到新的零阶矩序列；

d.计算新序列平均值，记为A₁，设置k₁A₁为新阈值，其中k₁为常数，考虑到实际海况中有效波高通常低于3倍平均值，k₁一般取8～10；

e.检测原始零阶矩序列中高于新阈值的部分，标记此部分为异常位置；

f.重置异常位置的零阶矩为A₁，其他位置不变，这样就得到了剔除异常值后的零阶矩序列。

图2为经过步骤5处理前后的有效波高结果，经过零阶矩去奇异值法处理后，异常的有效波高恢复正常。

图3为利用本发明方法提取的有效波高和浮标结果对比，两者之间均方根误差为0.13m，相关系数为0.92，在观测期间，海面波高变化幅度较大，雷达测量的结果始终与浮标高度一致，说明本发明方法获得的有效波高具有很高的准确性。

Claims (4)

1.一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，利用S波段多普勒雷达获取海面回波多普勒谱，对得到的N帧多普勒谱提取中心频率，获得中心频率序列，根据多普勒效应公式，得到雷达测量的径向速度序列v(t)；

在该步骤中，中心频率f的获取采用基于矩运算的能量均衡法：

式中：P(f)为多普勒功率谱密度函数；

步骤2，对雷达测得的径向速度序列v(t)去除平均值，接着作离散傅里叶变换和取模平方得到速度谱v²(f)；

步骤3，根据线性波动理论，得到速度谱与海浪谱的转换关系，获得海浪谱S(f)；

在该步骤中，速度谱与海浪方向谱的转换关系如下：

式中：v²(f)表示速度谱，k和ω分别是水质点毛细波对应的波数和频率，Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔，d是水深，α为雷达掠射角；

海浪谱通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线；

步骤4，根据有效波高与海浪谱之间的数学关系，利用谱矩法获得有效波高H_s；

在该步骤中，有效波高的计算公式如下：

式中，H_s为海浪的有效波高，m₀为海浪谱的零阶矩，通过下式得到：

m₀＝∫S(f)df (5)

步骤5，在海浪谱零阶矩序列中应用零阶矩去奇异值法，使异常的有效波高恢复正常。

2.如权利要求1所述的一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：在所述步骤2和步骤3中，由径向速度序列推导海浪谱的过程如下：

雷达测得的径向速度为：

式中：v(t)为雷达测得的径向速度，α为雷达掠射角，θ为雷达天线指向；对径向速度序列做平均，去除散射体相速度和海流径向流速；

接着，对去除平均值后的径向速度序列进行离散傅里叶变换和取模平方后得到速度谱：

式中：v²(f)表示速度谱；

在式(7)中，毛细波幅度A(f,θ)与海浪方向谱S(f,θ)存在以下的关系式：

式中：Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔；

将式(8)代入式(7)就得到海浪方向谱与速度谱之间的转换关系，两者的转换公式如下所示：

海浪谱通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线。

3.如权利要求1所述的一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：在所述步骤5中，零阶矩去奇异值法的计算步骤如下：

a.利用转换公式得到海浪谱对应的零阶矩序列；

b.计算该序列平均值，记为A，设置k A为阈值，其中k为常数，取4～6；

c.检测高于阈值的位置并剔除，得到新的零阶矩序列；

d.计算新序列平均值，记为A₁，设置k₁A₁为新阈值，其中k₁为常数，取8～10；

e.检测原始零阶矩序列中高于新阈值的部分，标记此部分为异常位置；

f.重置异常位置的零阶矩为A₁，其他位置不变，即得到剔除异常值后的零阶矩序列。

4.如权利要求1或2所述的一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：在所述步骤1和步骤3中，N的取值为2ⁿ，n是不小于7的正整数。

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