CN109782287A - 一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，包括以下步骤：选取用于反演的高频地波雷达回波多普勒谱，对每一个雷达回波多普勒谱进行单独计算确定其当时当地的噪声水平；以能量较大的Bragg单峰作为参照，对雷达回波多普勒谱进行去海流化；筛选出可以进行后续谱形分析的谱；识别谱中涌浪谱峰；确定谱峰的实测位置；对所获谱峰的实测位置进行质量检验；计算获得涌浪角度；计算涌浪波高。本发明利用高频地波雷达观测涌浪不仅是以一个全新的手段提供涌浪观测数据，而且可以有效地辅助该手段提高海面波浪的观测精度，具有重要的实用和科学价值。

Description

一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法
技术领域
本发明涉及海洋观测领域，具体地说是涉及一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法。
背景技术
高频地波雷达应用于观测整体海表面波浪的有效浪高技术已经被大量使用，取得了很大的成就。但是在实际应用中发现，整体有效波高的观测精度常常达不到业务化使用的要求。造成这种现象的一个重要原因是海面上不规律发生的涌浪的存在，使得很多传统反演模型所基于的海浪谱模式失真。
涌浪是由远处风暴产生并经过一定距离的传播而进入当地的波浪。涌浪在海洋动力过程中所起到的重要影响正引起越来越多的关注。例如，研究显示，在海浪数值模式中引入涌浪耗散项，可以有效地提高原有海浪模式的精度。而且，获取高精度的涌浪观测结果，有助于从整体波浪结果中分离涌浪成分，从而获取更为精确的风浪结果。
涌浪观测最为可靠的是传统手段，但大多数都局限于有限点观测，测点不必然能够捕捉到涌浪。卫星观测手段，可以获得大范围的涌浪信息，然而定点时间连续性不强，且对近海观测精度往往较差。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，该方法利用高频地波雷达观测涌浪不仅从一个全新的手段提供涌浪观测数据，而且可以有效地辅助提高海面波浪的观测精度，具有重要的实用和科学价值。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取用于反演的高频地波雷达回波谱，对每一个谱进行单独计算确定其当时当地的噪声水平；
计算基于白噪声假设，根据白噪声平均功率谱密度与标准差相等的特性有：
式中x为噪声的谱值，横杠代表取均值，Nsum为样本数量；
计算过程中将每一个雷达回波谱的数据点由小到大进行排列，逐步列入噪声数据进行计算，当达到上述白噪声条件时即得到回波谱中的噪声水平；
根据噪声水平检验回波谱中，必须具有两个Bragg谱峰；
步骤2，以能量较大的Bragg单峰作为参照，对雷达回波谱进行去海流化；
回波谱逆多普勒频移移动相同的频率差，使一阶Bragg谱峰频率(fB)回归理论无海流位置式中k0为雷达电磁波波数，g为重力加速度；
步骤3，筛选出可以进行后续谱形分析的回波谱；
使用至少10个互相独立的回波谱进行平滑处理，该平均要求所跨时间长度须大于20分钟风浪稳定期，采取对当前回波谱数据于时间上向前向后各一小时取数据做谱平均，以抑制风浪信号，突出涌浪信号；
经过叠加后有可能出现奇异值，应检验平滑后Bragg双峰间距的对称性，通常给予两个分辨率(δf)的宽容度；
步骤4，识别谱中涌浪谱峰；
涌浪谱峰频率(fj)的最大值是在布拉格峰两侧的四个特定的区间寻找；这些区间的选定对应着涌浪频率的设定和回波谱本身特性的限制；首先，涌浪谱峰的寻找必须避开一阶谱的位置；阈值是根据统计的Bragg峰半功率谱宽和涌浪峰半功率谱宽的和来确定的，取6个分辨率长度；
||fj|-fB|＞6δf；
其次，限定查找范围
步骤5，确定谱峰的实测位置；
对每一个谱峰的认定都采用五个数据点的方法，然后对这些数据点进行高斯拟合，从而确定谱峰的实测位置；
步骤6，对所获谱峰的实测位置进行质量检验；
谱峰宽度的阈值取统计数量中的前80％作为有效值，其他作为特异性展宽剔除；
步骤7，计算获得涌浪角度；
根据涌浪谱峰位置计算得到涌浪角度其中，Δf-和Δf+分别是负、正多普勒谱部分两个涌浪谱峰的多普勒频率差值，即：Δf-＝f2-f1；Δf+＝f4-f3；
步骤8，计算涌浪波高；
采用以下公式计算涌浪有效波高
其中r是实测标准化涌浪谱峰能量为其自身回波谱对频率的能量积分与相邻一阶谱峰能量积分之比；
系数C经简化后可以表达为C≈(1+(Ks/k0)2/4+m1Ks cosθs/k0)-2；
耦合系数Γ可以表达为Γ＝ΓEM-iΓH，
其中i是复数
流体力学耦合系数
电磁耦合系数
其中，k0为雷达电磁波波数；K1和K2为共同产生电磁波后向散射共振的两组海浪的波数；
箭头代表矢量；m1和m2分别取值±1；ω和ωB为分别对应f和fB的圆频率；海面阻抗Δ在未经特别测定的情况下，可以取平均值
在浅水情形下，电磁耦合系数保持不变，但流体力学耦合系数需要进行水深修正：
式中d为水深，K′1和K′2是波数修正项：
K′1＝K1tanh(K1d)
K′2＝K2tanh(K2d)
水深修正建议仅在水深20米-50米的区域进行，小于20米水深处该水深修正理论模型作用太强，容易产生奇异值，建议放弃使用。
将两个波数中的任意一个设想为目标涌浪，并通过数值迭代的方式求得其解，得到涌浪波高。
优选的，步骤1中：设定一阶峰值幅度为高于噪声电平6dB。
优选的，步骤6中：要求在回波谱中同时存在4个涌浪谱峰，二阶谱振幅高于噪声电平3dB。
优选的，步骤7中：若与雷达波束夹角数值超过100-180范围，则采用波向常数化方案。
本发明的有益技术效果是：
本发明提供一种使用高频地波雷达观测涌浪波高的方法，该方法应用雷达回波谱，适用于探测由大洋风暴产生并传播至近海的涌浪。本发明利用高频地波雷达观测涌浪不仅是以一个全新的手段提供涌浪观测数据，而且可以有效地辅助该手段提高海面波浪的观测精度。本发明具有重要的实用和科学价值。
下面对本发明的效果进行更为具体地说明：
以往大家常采用经验模型来求取海面整体有效波高，然而这种方法有两个潜在的缺陷：一是，经验模型对当地海况的依赖度往往非常高，很难做到通用和普适性。二是，对于涌浪盛行海区，涌浪在当地海域非常显著，以至于以往的经典理论计算方法所基于的海浪谱其实已经失效，这也正是大家弃理论模型转而求助于经验模型的原因。从理论研究出发，做涌浪计算的工作非常之少，而且一般是采用最小二乘的办法，同时计算涌浪的方向和波高最优解。然而，我们发现，在批量运算中这种同时计算两个未知量的方法不仅耗费大量的计算时间而且得到结果出现很多奇异值。经过分析，我们认为有三个可能的原因：一是，Hs和θs的组合可以具有多重解；二是，R对Hs的取值更为敏感，对于两个变量所给的权重不容易人为判定；三是实际测量的r具有一定程度的不确定性，这个不确定性可以导致所解得的未知量产生很大的偏差。
基于以上分析，本发明创新性地直接关注涌浪元素，而且在计算波高参数时，采取一种更为简化的方法。由此，将反演模型的不确定性集中到波向参数中，在使用最小二乘法的基础上，达到控制不确定性，且大大减少计算量的目的。同时，再结合理论分析和统计分析，进行特别针对于涌浪计算的不过于严格也不过于宽松的质量控制，综合给出了一套合理的计算涌浪参数的方案。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为不同的相对波向情形下，涌浪有效波高的计算与所使用雷达反演相对波向值之间的关系；
图2展示对流体力学耦合系数进行水深修正的效果。
具体实施方式
本发明提出一种通过高频地波雷达回波二阶多普勒谱反演提取涌浪波高的方法，该方法包含以下步骤：
步骤1，选取用于反演的高频地波雷达回波谱，对每一个雷达回波谱进行单独计算确定其当时当地的噪声水平。
计算基于白噪声假设，根据白噪声平均功率谱密度与标准差相等的特性有：
式中x为噪声的谱值，横杠代表取均值，Nsum为样本数量。
计算过程中将每一个雷达回波谱的数据点由小到大进行排列，逐步列入噪声数据进行计算，当达到上述白噪声条件时即得到回波谱中的噪声水平。
同时，根据噪声水平检验回波谱中，必须具有两个Bragg谱峰。通常可以设定一阶峰值幅度为高于噪声电平6dB。
步骤2，以能量较大的Bragg单峰作为参照，对雷达回波谱进行去海流化。
回波谱逆多普勒频移移动相同的频率差，使一阶Bragg谱峰频率(fB)回归理论无海流位置式中k0为雷达电磁波波数，g为重力加速度。
步骤3，筛选出可以进行后续谱形分析的回波谱。
对于时间长度大于25s的信号来说，多普勒谱各数据点之间互不相关。空间距离大于3km的雷达元之间从统计意义上来看彼此是独立的。综合这些因素考虑，为了获得可以进行后续谱形分析的回波谱，应当使用至少10个互相独立的回波谱进行平滑处理，该平均要求所跨时间长度须大于20分钟风浪稳定期，通常可以采取对当前回波谱数据于时间上向前向后各一小时取数据做谱平均，以抑制风浪信号，突出涌浪信号。
经过叠加后有可能出现奇异值，应检验平滑后Bragg双峰间距的对称性，通常给予两个分辨率(δf)的宽容度；
步骤4，识别谱中涌浪谱峰。
涌浪谱峰频率(fj)的最大值是在布拉格峰两侧的四个特定的区间寻找。这些区间的选定对应着涌浪频率的设定和回波谱本身特性的限制。首先，涌浪谱峰的寻找必须避开一阶谱的位置。阈值是根据统计的Bragg峰半功率谱宽和涌浪峰半功率谱宽的和来确定的，根据统计的经验，通常可取6个分辨率长度。
||fj|-fB|＞6δf；
其次，回波谱中的奇异值，能量非常显著，极易被误认为波浪信号，由于该奇异值的位置有理论约束，因此可以限定查找范围
步骤5，确定谱峰的实测位置。
对每一个谱峰的认定都采用五个数据点的方法，避免引入过多噪声信号。然后对这些数据点进行高斯拟合，从而确定谱峰的实测位置。
步骤6，对所获谱峰的实测位置进行质量检验。
根据涌浪谱峰关于Bragg谱峰的理论对称特性，以及谱峰宽度统计研究，对所获谱峰进行质量检验。同时，要求在回波谱中同时存在4个涌浪谱峰，二阶谱振幅高于噪声电平3dB。其中谱峰宽度的阈值可取统计数量中的前80％作为有效值，其他作为特异性展宽剔除，通常任何谱峰宽度的过度延展都是特殊原因造成的，是严重的误差来源。
根据数据统计结果，设定Bragg谱峰和涌浪谱峰的半功率谱宽阈值。假定这些谱峰的展宽都是高斯分布式的，对Bragg谱峰及其周围幅值距峰值10dB之内的所有谱数据点进行高斯拟合，并求取半功率宽度作为Bragg谱峰的谱宽。
对涌浪谱峰，由于其能量相对较弱，没有很多的数据点可供拟合，为了坚持采用的数据取自涌浪谱峰，本发明采用组成涌浪谱峰的五个数据点，即谱峰谱形认定和五点权重法中所用到的数据点，同样进行高斯拟合。
步骤7，计算获得涌浪角度。
根据涌浪谱峰位置计算得到涌浪角度其中，Δf-和Δf+分别是负、正多普勒谱部分两个涌浪谱峰的多普勒频率差值，即：Δf-＝f2-f1；Δf+＝f4-f3。
此处须注意，因为涌浪方向的计算理论精度非常低，若与雷达波束夹角数值超过100-180范围，则采用波向常数化方案，通常可根据当地海域盛行涌浪情况取值140-160之间。
从理论层面上分析有效波高计算与所使用的雷达反演的相对波向值(θsr)的精确度之间的关系，见图1。图中模拟的是一个频率为0.08Hz有效波高为1m的涌浪的波向响应结果。图中的上下两条等值线分别意味着测量值为真实值的80％，120％。沿垂向方向看，当真实波向值为140°时，在公式中使用160°的错误值，使得波高测量结果比真实值少20％；若测量值为120°，则计算得到的有效波高结果比真实值偏大20％。图中只给出了120°以上的分析结果。值得指出的是，对于更小的角度值(60°<θsr<120°)耦合系数中存在奇异值，因而本发明的方法将不能够使用。由图可以推测，雷达测量波向的偏低将带来了波高计算值的偏高；而雷达波向测量值的偏高则将引起波高计算值的偏低。
图2示出不同的相对波向情形下，涌浪有效波高的计算与所使用雷达反演相对波向值之间的关系。图中曲线代表使用测量值计算得出的有效波高结果与真实值之比的等值线：0.8，1，1.2。
步骤8，计算涌浪波高。
采用以下公式计算涌浪有效波高
其中r是实测标准化涌浪谱峰能量为其自身回波谱对频率的能量积分与相邻一阶谱峰能量积分之比。
系数C经简化后可以表达为C≈(1+(Ks/k0)2/4+m1Ks cosθs/k0)-2；
耦合系数Γ可以表达为Γ＝ΓEM-iΓH，
其中i是复数
流体力学耦合系数
电磁耦合系数
其中，k0为雷达电磁波波数；K1和K2为共同产生电磁波后向散射共振的两组海浪的波数；
箭头代表矢量；m1和m2分别取值±1；ω和ωB为分别对应f和fB的圆频率；海面阻抗Δ在未经特别测定的情况下，可以取平均值
在浅水情形下，电磁耦合系数保持不变，但流体力学耦合系数需要进行水深修正(附图说明)：
式中d为水深，K′1和K′2是波数修正项：
K′1＝K1tanh(K1d)
K′2＝K2tanh(K2d)
水深修正建议在水深20米-50米的区域进行，小于20米水深处该水深修正理论模型作用太强，容易产生奇异值，不建议使用。图2展示了对流体力学耦合系数进行水深修正的效果。图中给出的是假定海面上存在一个频率为典型值0.08Hz的单一涌浪，涌浪与雷达波束夹角为180°的情形。图中j＝1～4对应着回波谱中从左到右的四个不同频段区间。
将两个波数中的任意一个设想为目标涌浪，并通过数值迭代的方式求得其解，得到涌浪波高。
本发明利用高频地波雷达观测涌浪不仅是以一个全新的手段提供涌浪观测数据，而且可以有效地辅助该手段提高海面波浪的观测精度。本发明具有重要的实用和科学价值。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，选取用于反演的高频地波雷达回波谱，对每一个雷达回波谱进行单独计算确定其当时当地的噪声水平；
计算基于白噪声假设，根据白噪声平均功率谱密度与标准差相等的特性有：
式中x为噪声的谱值，横杠代表取均值，Nsum为样本数量；
计算过程中将每一个回波谱的数据点由小到大进行排列，逐步列入噪声数据进行计算，当达到上述白噪声条件时即得到回波谱中的噪声水平；
根据噪声水平检验回波谱，必须具有两个Bragg谱峰；
步骤2，以能量较大的Bragg单峰作为参照，对雷达回波谱进行去海流化；
回波谱逆多普勒频移移动相同的频率差，使一阶Bragg谱峰频率fB回归理论无海流位置式中k0为雷达电磁波波数，g为重力加速度；
步骤3，筛选出可以进行后续谱形分析的回波谱；
使用至少10个互相独立的回波谱进行平滑处理，该平均要求所跨时间长度须大于20分钟风浪稳定期，采取对当前回波谱数据于时间上向前向后各一小时取数据做谱平均，以抑制风浪信号，突出涌浪信号；
经过叠加后有可能出现奇异值，应检验平滑后Bragg双峰间距的对称性，通常给予两个分辨率(δf)的宽容度；
步骤4，识别谱中涌浪谱峰；
涌浪谱峰频率(fj)的最大值是在布拉格峰两侧的四个特定的区间寻找；这些区间的选定对应着涌浪频率的设定和回波谱本身特性的限制；首先，涌浪谱峰的寻找必须避开一阶谱的位置；阈值是根据统计的Bragg峰半功率谱宽和涌浪峰半功率谱宽的和来确定的，取6个分辨率长度；
||fj|-fB|＞6δf；
其次，限定查找范围
步骤5，确定谱峰的实测位置；
对每一个谱峰的认定都采用五个数据点的方法，然后对这些数据点进行高斯拟合，从而确定谱峰的实测位置；
步骤6，对所获谱峰的实测位置进行质量检验；
谱峰宽度的阈值取统计数量中的前80％作为有效值，其他作为特异性展宽剔除；
步骤7，计算获得涌浪角度；
根据涌浪谱峰位置计算得到涌浪角度其中，Δf-和Δf+分别是负、正回波谱部分两个涌浪谱峰的多普勒频率差值，即：Δf-＝f2-f1；Δf+＝f4-f3；
步骤8，计算涌浪波高；
采用以下公式计算涌浪有效波高
其中，
r是实测标准化涌浪谱峰能量为其自身回波谱对频率的能量积分与相邻一阶谱峰能量积分之比；
系数C经简化后可以表达为C≈(1+(Ks/k0)2/4+m1Kscosθs/k0)-2；
耦合系数Γ可以表达为Γ＝ΓEM-iΓH，
其中i是复数
流体力学耦合系数
电磁耦合系数
其中，k0为雷达电磁波波数；K1和K2为共同产生电磁波后向散射共振的两组海浪的波数；
箭头代表矢量；m1和m2分别取值±1；ω和ωB为分别对应f和fB的圆频率；海面阻抗Δ在未经特别测定的情况下，可以取平均值
在浅水情形下，电磁耦合系数保持不变，但流体力学耦合系数需要进行水深修正：
式中d为水深，K′1和K′2是波数修正项：
K′1＝K1tanh(K1d)
K′2＝K2tanh(K2d)
水深修正仅在水深20米-50米的区域进行；
将两个波数中的任意一个设想为目标涌浪，并通过数值迭代的方式求得其解，得到涌浪波高。
2.根据权利要求1所述的一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，其特征在于，步骤1中：设定一阶峰值幅度为高于噪声电平6dB。
3.根据权利要求1所述的一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，其特征在于，步骤6中：要求在回波谱中同时存在4个涌浪谱峰，二阶谱振幅高于噪声电平3dB。
4.根据权利要求1所述的一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，其特征在于，步骤7中：若与雷达波束夹角数值超过100-180范围，则采用波向常数化方案。
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