CN109143193A - 一种基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法。本发明根据雷达回波划分出二阶峰区域；计算二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角；通过基准浮标波高，结合二阶峰区域的功率，建立基准浮标位置的功率‑波高模型；根据衰减模型和风向因子模型，结合基准浮标位置的功率‑波高模型，对不同距离和不同方位的功率‑波高模型进行校正，得到不同距离、不同方位的功率‑波高模型；将二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角带入到对应的功率‑波高模型中,得到浪场。本发明优点在于，能够实现高海态的测量以及浪场形成，并提高了远距离浪高测量精度。

Description

一种基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于二阶峰的高频地波雷 达浪场反演方法。
背景技术
我国是一个拥有广阔海岸线的国家，海洋一方面为人们提供了丰富的资源， 同时，海洋也会在恶劣的气候条件下，给人们的生命财产带来巨大的威胁。因此， 无论是海洋资源的开发还是海洋灾害的预防，甚至国家海洋权益的维护，都需要 对海洋的状态进行精细地测量。我国要加快建设海洋强国，并且重申了可持续发 展的重要性，足以看出我国在海洋权益维护、海洋资源利用以及海洋环境保护等 方面的重视程度。因此，用于海洋状态监测的先进设备是我们需要深入研发和推 广的，这是建设海洋强国和海洋的可持续发展的主要依靠。而高频地波雷达作为 一种有效的海洋状态监测工具，在新时代，应该更加受到重视。
高频地波雷达利用布拉格散射效应，能够接收到携带海洋信息的大量回波， 其中包括处于正负布拉格频率的两对尖峰以及周围的连续谱。两对尖峰是雷达进 行海流海洋的主要依靠，而周围的连续谱往往更受海洋研究者的关系。已经被证 实的是，采用连续的二阶谱的积分和一阶峰的积分比，能够实现有效波高的测量， 还方法已经被认可和推广几十年了。然而，该方法依赖波束形成进行到达角估计， 对于便携式高频地波雷达来说，其空间分辨率往往不够。因此，近年来，基于二 阶峰、二阶峰和一阶峰比值等方法进行波高测量的算法被相继提出，并且具有较 好的空间分辨率和测量精度。
然而，现有的大部分算法都必须依赖于回波谱中的一阶峰，而一阶峰往往容 易饱和，即波高增加到一定程度后，一阶峰逐渐稳定，其能量不再能反映波高的 变化。因此，这些算法很难适用于台风等极高海况的浪高反演。因此，本发明提 出了一种单纯依靠二阶峰的浪高反演算法。本算法的基本思想为：采用二阶峰随 着波高增加的特点，利用浮标拟合出近距离的二阶峰能量-波高模型；再通过分 析衰减模型和风向因子模型，得到远距离的二阶峰能量-波高模型；将对应的二 阶峰能量带入到对应的模型中，得到不同距离和不同方位的波高；并且采用 MUSIC算法对二阶峰进行到达角估计，实现方位上的高分辨率。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，主要解 决高频地波雷达测量极高海态的问题。
本发明的技术方案是一种基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，具体包 含以下步骤:
步骤1：根据雷达回波划分出二阶峰区域；
步骤2：计算二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角；
步骤3：通过基准浮标波高，结合二阶峰区域的功率，建立基准浮标位置的 功率-波高模型；
步骤4：根据衰减模型和风向因子模型，结合基准浮标位置的功率-波高模 型，对不同距离和不同方位的功率-波高模型进行校正，得到不同距离、不同方 位的功率-波高模型；将二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角带入到对应的 功率-波高模型中，得到不同距离、不同方位的波高，即浪场。
作为优选，步骤1所述的二阶峰区域划分方法采用搜索法：
雷达回波是指时域的回波信号做两次快速傅里叶变换得到回波多普勒谱，定 义为pn，其中n∈[1,N]，N为多普勒频率的点数，归一化是指对于所有雷达回波 多普勒频率进行归一化，即除以布拉格频率：
其中，为第n点的归一化多普勒频率，fn为第n点的多普勒频率，为 布拉格频率，该频率大小由雷达工作频率决定；
将归一化多普勒频率f*∈[f1,fN]的位置作为基准点，在回波多普勒谱pn， n∈[1,N]中向左搜索，功率大小低于雷达噪声功率门限(NOISE+5)的位置fL作 为一阶谱的左边界，根据归一化频率向右搜索，功率大小低于(NOISE+5)的位 置fH作为一阶谱的右边界。其中(NOISE+5)为雷达噪声功率门限，所得的[fL,fH] 即为二阶峰区域，对应的多普勒谱为[[PL,PH]；
其中，雷达噪声功率为：
其中，NOISE即为雷达噪声功率，pi和pj为雷达回波多普勒谱，K为计算雷 达噪声功率多普勒普点数，M是雷达回波多普勒谱的点数；
作为优选，步骤2所述的二阶峰区域功率计算方法，是直接对回波多普勒谱 取对数得到：
P* n＝10*logpn
其中，P* n为取对数的回波多普勒谱；
步骤1划分得到的二阶峰区域[fL,fH]对应的对数形式的二阶峰区域功率为 [P* L,P* H]；
计算二阶峰区域到达角为：
将步骤1所述二阶峰区域[fL,fH]对应的回波多普勒谱[pL,pH]输入到MUSIC 估计器中，输出的MUSIC谱(k∈[L,H])通过谱峰搜索方法得到谱最 大值对应的方向DOAk即为回波多普勒谱pk的到达角方向，二阶峰区域到达角为 [DOAL,DOAH]；
作为优选，步骤3所述的根据浮标数据计算功率-波高模型，是通过最小二 乘拟合实现：
P*＝a×log(H+b)+c，
其中，P*为步骤2所述的二阶峰区域功率[P* L,P* H]，H为浮标测量得到的波 高，a、b、c为待拟合参数，其中，最小二乘拟合的过程为：
β＝(XTX)-1XTy
其中，β为最小二乘系数，可以表示为[a,b,c]，X为雷达采集的二阶峰区域 功率[P* L,P* H]，y为浪高即H；
将浮标放置于距离雷达为s0的位置，并且相对于雷达的方位角为DOA0，基 准浮标通过测量得到基准距离的浮标波高H；
作为优选，步骤4中所述衰减模型为：
其中，Pr为发射功率，Pt为发射功率，Gt为发射的天线增益，Gr为接收的天 线增益，λ为雷达波长，R为距离，Ft为发射过程中的诺顿衰减因子，Fr为接收过 程中的诺顿衰减因子，AR为中断波带来的能量分配差异，s为散射面积，σ为散 射截面,根据方程补偿二阶峰回波在自由空间的衰减F1,诺顿衰减F2在确定电磁 波频率的情况下可以通过查表得到，进一步可以补偿诺顿衰减带来的二阶峰回波 变化。
风向因子可以考虑心脏线模型，即
其中，θ为风向和雷达波束方向的夹角，对于不同方向上的波高，在确定风 向后，通过步骤2所述二阶峰区域到达角[DOAL,DOAH]，再带入到心脏线模型 中，实现方向上的补偿；
步骤4中所述校正过程为：
所述二阶峰区域[fL,fH]中二阶峰区域功率为[P* L,P* H]，二阶峰区域到达角为[DOAL,DOAH]，二阶峰区域信号对应距离为[sL,sH]；
对应二阶峰区域中fk∈[fL,fH],到达角为DOAk,距离为sk；
若距离sk与基准浮标距离s0相同，且到达角DOAk与基准到达角DOA0不同， 根据基准浮标距离s0拟合的模型P*＝a×log(H+b)+c，结合风向因子 g(θ)＝cos2(θ/2)进行校准，其模型校正为P* k＝a×log(H+b)+c-{10* log[g(θ0)]-10*log[g(θ1)]}，其中，θ0为浮标方向上，风向和雷达波束方向的夹 角，θ1为待校正方向上，风向和雷达波束方向的夹角，其中θ0与DOA0的关系为： θ0＝DOA0-θw，θ1与DOAk的关系为：θ1＝DOAk-θw，其中θw为风向；
若距离sk与基准浮标距离s0不同，且到达角DOAk与基准到达角DOA0相同， 根据近距离s0拟合的模型P*＝a×log(H+b)+c的功率-波高模型，查询地波传 播曲线ITU-R P.368-9得到自由空间的衰减和诺顿衰减，得到校准的模型为： P* k＝a×log(H+b)+c-[(F11+F21)-(F10+F20)]，F10表示浮标位置的自由 空间衰减，F20表示浮标位置的诺顿衰减，F11表示待校正位置的自由空间衰减， F21表示待校正位置的诺顿衰减。
与现有的技术相比，本发明的优势在于：
不依赖于容易饱和的一阶峰，算法能够实现很高海态的测量；
采用MUSIC算法进行到达角估计，空间分辨率很好，能够实现浪场形成；
基于衰减模型和风向因子模型进行模型校正，使得不同距离和不同方向上的 功率-波高模型比较准确，从而保证了远距离的浪高测量精度。
附图说明
图1：本发明算法的流程图；
图2：二阶峰划分示意图；
图3：二阶峰区域功率-波高模型示意图。
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，下面结合附图及实施示例 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。
步骤1：根据雷达回波划分出二阶峰区域；
如图2所示，步骤1所述的二阶峰区域划分方法采用搜索法：
雷达回波是指时域的回波信号做两次快速傅里叶变换得到回波多普勒谱，定 义为pn，其中n∈[1,N]，N＝1024为多普勒频率的点数，归一化是指对于所有雷 达回波多普勒频率进行归一化，即除以布拉格频率：
其中，为第n点的归一化多普勒频率，fn为第n点的多普勒频率，为 布拉格频率，该频率大小由雷达工作频率决定；
将归一化多普勒频率f*∈[f1,fN]的位置作为基准点，在回波多普勒谱pn，
n∈[1,N]中向左搜索，功率大小低于雷达噪声功率门限(NOISE+5)的位置fL作 为一阶谱的左边界，根据归一化频率向右搜索，功率大小低于(NOISE+5)的位 置fH作为一阶谱的右边界。其中(NOISE+5)为雷达噪声功率门限，所得的[fL,fH] 即为二阶峰区域，对应的多普勒谱为[PL,PH]；
其中，雷达噪声功率为：
其中，NOISE即为雷达噪声功率，pi和pj为雷达回波多普勒谱，K＝100为计 算雷达噪声功率点数，M＝1024是雷达回波多普勒谱的点数；
步骤2：计算二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角；
步骤2所述的二阶峰区域功率计算方法，是直接对回波多普勒谱取对数得到：
P* n＝10*logpn
其中，P* n为取对数的回波多普勒谱；
步骤1划分得到的二阶峰区域[fL,fH]对应的对数形式的二阶峰区域功率为 [P* L,P* H]；
计算二阶峰区域到达角为：
将步骤1所述二阶峰区域[fL,fH]对应的回波多普勒谱[pL,pH]输入到MUSIC 估计器中，输出的MUSIC谱(k∈[L,H])通过谱峰搜索方法得到谱最 大值对应的方向DOAk即为回波多普勒谱pk的到达角方向，二阶峰区域到达角为 [DOAL,DOAH]；
步骤3：通过基准浮标波高，结合二阶峰区域的功率，建立基准浮标位置的 功率-波高模型；
如图3所示，步骤3所述的根据浮标数据计算功率-波高模型，是通过最小 二乘拟合实现：
P*＝a×log(H+b)+c，
其中，P*为步骤2所述的二阶峰区域功率[P* L,P* H]，H为浮标测量得到的波 高，a、b、c为待拟合参数，其中，最小二乘拟合的过程为：
β＝(XTX)-1XTy
其中，β为最小二乘系数，可以表示为[a,b,c]，X为雷达采集的二阶峰区域 功率[P* L,P* H]，y为浪高即H；
将浮标放置于距离雷达为s0＝10km的位置，并且相对于雷达的方位角为 DOA0，基准浮标通过测量得到基准距离的浮标波高H；
步骤4：根据衰减模型和风向因子模型，结合基准浮标位置的功率-波高模 型，对不同距离和不同方位的功率-波高模型进行校正，得到不同距离、不同方 位的功率-波高模型；将二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角带入到对应的 功率-波高模型中，得到不同距离、不同方位的功率-波高。
步骤4中所述衰减模型为：
其中，Pr为发射功率，Pt为发射功率，Gt为发射的天线增益，Gr为接收的天 线增益，λ为雷达波长，R为距离，Ft为发射过程中的诺顿衰减因子，Fr为接收过 程中的诺顿衰减因子，AR为中断波带来的能量分配差异，s为散射面积，σ为散 射截面,根据方程补偿二阶峰回波在自由空间的衰减F1,诺顿衰减F2在确定电磁 波频率的情况下可以通过查表得到，进一步可以补偿诺顿衰减带来的二阶峰回波 变化。
风向因子可以考虑心脏线模型，即
其中，θ为风向和雷达波束方向的夹角，对于不同方向上的波高，在确定风 向后，通过步骤2所述二阶峰区域到达角[DOAL,DOAH]，再带入到心脏线模型 中，实现方向上的补偿；
步骤4中所述校正过程为：
所述二阶峰区域[fL,fH]中二阶峰区域功率为[P* L,P* H]，二阶峰区域到达角为[DOAL,DOAH]，二阶峰区域信号对应距离为[sL,sH]；
对应二阶峰区域中fk∈[fL,fH],到达角为DOAk,距离为sk；
若距离sk与基准浮标距离s0＝10km相同，且到达角DOAk与基准到达角 DOA0不同，根据基准浮标距离s0＝10km拟合的模型P*＝a×log(H+b)+c， 结合风向因子g(θ)＝cos2(θ/2)进行校准，其模型校正为P* k＝a×log(H+b)+ c-{10*log[g(θ0)]-10*log[g(θ1)]}，其中，θ0为浮标方向上，风向和雷达波束 方向的夹角，θ1为待校正方向上，风向和雷达波束方向的夹角，其中θ0与DOA0的 关系为：θ0＝DOA0-θw，θ1与DOAk的关系为：θ1＝DOAk-θw，其中θw为风向；
若距离sk与基准浮标距离s0＝10km不同，且到达角DOAk与基准到达角 DOA0相同，根据近距离s＝10km拟合的模型P*＝a×log(H+b)+c的功率-波高 模型，查询地波传播曲线ITU-R P.368-9表得到自由空间的衰减和诺顿衰减，得 到校准的模型为：P* k＝a×log(H+b)+c-[(F11+F21)-(F10+F20)]，F10表 示浮标位置的自由空间衰减，F20表示浮标位置的诺顿衰减，F11表示待校正位置 的自由空间衰减，F21表示待校正位置的诺顿衰减。
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 (5)

1.一种基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据雷达回波划分出二阶峰区域；
步骤2：计算二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角；
步骤3：通过基准浮标波高，结合二阶峰区域的功率，建立基准浮标位置的功率-波高模型；
步骤4：根据衰减模型和风向因子模型，结合基准浮标位置的功率-波高模型，对不同距离和不同方位的功率-波高模型进行校正，得到不同距离、不同方位的功率-波高模型；将二阶峰区域的功率和二阶峰区域的到达角带入到对应的功率-波高模型中，得到不同距离、不同方位的波高，即浪场。
2.根据权利要求1所述的基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，其特征在于：步骤1所述的二阶峰区域划分方法采用搜索法：
雷达回波是指时域的回波信号做两次快速傅里叶变换得到回波多普勒谱，定义为pn，其中n∈[1,N]，N为多普勒频率的点数，归一化是指对于所有雷达回波多普勒频率进行归一化，即除以布拉格频率：
其中，为第n点的归一化多普勒频率，fn为第n点的多普勒频率，为布拉格频率，该频率大小由雷达工作频率决定；
将归一化多普勒频率f*∈[f1,fN]的位置作为基准点，在回波多普勒谱pn，n∈[1,N]中向左搜索，功率大小低于雷达噪声功率门限(NOISE+5)的位置fL作为一阶谱的左边界，根据归一化频率向右搜索，功率大小低于(NOISE+5)的位置fH作为一阶谱的右边界；其中(NOISE+5)为雷达噪声功率门限，所得的[fL,fH]为即为二阶峰区域，对应的多普勒谱为[PL,PH]；
其中，雷达噪声功率为：
其中，NOISE即为雷达噪声功率，pi和pj为雷达回波多普勒谱，K为计算雷达噪声功率点数，M是雷达回波多普勒谱的点数。
3.根据权利要求1所述的基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，其特征在于：步骤2所述的二阶峰区域功率计算方法，是直接对回波多普勒谱取对数得到：
P* n＝10*logpn
其中，P* n为取对数的回波多普勒谱；
步骤1划分得到的二阶峰区域[fL,fH]对应的对数形式的二阶峰区域功率为[P* L,P* H]；
计算二阶峰区域到达角为：
将步骤1所述二阶峰区域[fL,fH]对应的回波多普勒谱[pL,pH]输入到MUSIC估计器中，输出的MUSIC谱通过谱峰搜索方法得到谱最大值对应的方向DOAk即为回波多普勒谱pk的到达角方向，二阶峰区域到达角为[DOAL,DOAH]。
4.根据权利要求1所述的基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，其特征在于：步骤3所述的根据浮标数据计算功率-波高模型，是通过最小二乘拟合实现：
P*＝a×log(H+b)+c，
其中，P*为步骤2所述的二阶峰区域功率[P* L,P* H]，H为浮标测量得到的波高，a、b、c为待拟合参数，其中，最小二乘拟合的过程为：
β＝(XTX)-1XTy
其中，β为最小二乘系数，可以表示为[a,b,c]，X为雷达采集的二阶峰区域功率[P* L,P* H]，y为浪高即H；
将浮标放置于距离雷达为s0的位置，并且相对于雷达的方位角为DOA0，基准浮标通过测量得到基准距离的浮标波高H。
5.根据权利要求1所述的基于二阶峰的高频地波雷达浪场反演方法，其特征在于：步骤4中所述衰减模型为：
其中，Pr为发射功率，Pt为发射功率，Gt为发射的天线增益，Gr为接收的天线增益，λ为雷达波长，R为距离，Ft为发射过程中的诺顿衰减因子，Fr为接收过程中的诺顿衰减因子，AR为中断波带来的能量分配差异，s为散射面积，σ为散射截面,根据方程补偿二阶峰回波在自由空间的衰减F1,诺顿衰减F2在确定电磁波频率的情况下可以通过查表得到，进一步可以补偿诺顿衰减带来的二阶峰回波变化；
风向因子可以考虑心脏线模型，即
其中，θ为风向和雷达波束方向的夹角，对于不同方向上的波高，在确定风向后，通过步骤2所述二阶峰区域到达角[DOAL,DOAH]，再带入到心脏线模型中，实现方向上的补偿；
步骤4中所述校正过程为：
所述二阶峰区域[fL,fH]中二阶峰区域功率为[P* L,P* H]，二阶峰区域到达角为[DOAL,DOAH]，二阶峰区域信号对应距离为[sL,sH]；
对应二阶峰区域中fk∈[fL,fH],到达角为DOAk,距离为sk；
若距离sk与基准浮标距离s0相同，且到达角DOAk与基准到达角DOA0不同，根据基准浮标距离s0拟合的模型P*＝a×log(H+b)+c，结合风向因子g(θ)＝cos2(θ/2)进行校准，其模型校正为P* k＝a×log(H+b)+c-{10*log[g(θ0)]-10*log[g(θ1)]}，其中，θ0为浮标方向上，风向和雷达波束方向的夹角，θ1为待校正方向上，风向和雷达波束方向的夹角，其中θ0与DOA0的关系为：θ0＝DOA0-θw，θ1与DOAk的关系为：θ1＝DOAk-θw，其中θw为风向；
若距离sk与基准浮标距离s0不同，且到达角DOAk与基准到达角DOA0相同，根据近距离s0拟合的模型P*＝a×log(H+b)+c的功率-波高模型，查询地波传播曲线ITU-R P.368-9得到自由空间的衰减和诺顿衰减，得到校准的模型为：P* k＝a×log(H+b)+c-[(F11+F21)-(F10+F20)]，F10表示浮标位置的自由空间衰减，F20表示浮标位置的诺顿衰减，F11表示待校正位置的自由空间衰减，F21表示待校正位置的诺顿衰减。
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