CN111751797B - 一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，属于高频地波雷达海洋环境监测技术领域。本发明所述的一阶和二阶回波谱分界线确定方法是基于海洋回波的方位角存在以下特性：一是，对一阶回波而言，多普勒频率越近的频点方位角也越相近；二是，在一阶和二阶回波谱分界线附近，随着信号由一阶回波信号过渡为二阶回波信号，信号方位角的变化趋势与一阶回波谱内方位角的变化趋势相反；三是，只要回波谱中存在二阶谱，以上两个特性不会随海况的变化而变化。因此，分析一阶Bragg峰与二阶奇异峰之间各个频点的方位角就能确定一阶与二阶回波的分界线。相较于现有方法，本发明的最大特点是能够适用于不同的海况条件。
Description
技术领域
本发明属于高频地波雷达海洋环境监测技术领域，尤其是与高频地波雷达中一阶和二阶海洋回波谱的提取方法相关，具体涉及一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法。
背景技术
高频地波雷达利用3到30MHz的高频电磁波能够沿着海洋表面绕射而实现对海洋表面的超视距探测。高频地波雷达能够探测海洋表面的风、海浪和海流信息，特别是雷达输出的大范围、高时间和空间分辨率的海洋表面流场信息正在被广泛的应用到海洋研究、海洋预报、海岸管理中。此外，高频地波雷达还可以监测在海洋表面航行的船只。而我国具有漫长的海岸线，因此，高频地波雷达海洋环境监测技术的发展对于我国社会、经济建设都有重要的意义。
高频雷达接收到的海浪回波主要包含一阶海洋回波和二阶海洋回波。一阶海洋回波是由波长等于雷达发射电磁波波长一半的海浪产生的一阶Bragg回波，由于海流的作用，一阶回波表现出明显的展宽，而展宽的量则与流速大小相对应。二阶海洋回波是由波长与雷达发射电磁波波长相等的海浪产生的回波，而且，二阶回波的展宽也与流速相关。由于海洋表面流场和风场信息是利用一阶回波信号反演得到的。因此，准确的提取一阶回波信号对于流场和风场的反演至关重要，而提取一阶回波谱的关键就是确定一阶回波谱区域与二阶回波谱区域的分界线。
目前，常用的一阶回波谱区域与与二阶回波谱区域边分界线确定方法是差谱法。差谱法利用雷达回波谱的形态来确定分界线，其核心思想是利用一阶谱区与二阶谱区临界处时常存在一个陡峭的下降沿来确定一阶和二阶海洋回波谱区分界线。该方法在实际实现中需要预设多个参数，包括雷达探测区域内的最大流速值、信噪比阈值、计算噪声强度所用频点集合的位置、差谱平滑窗长度、差谱谷底或谷峰与邻近区域比较的范围等参数。这些参数在雷达建站的时候利用人工试错的方式确定，并且在之后很少改动这些参数。事实上，在雷达探测范围内整体流速大小比较稳定或者雷达探测范围内海况等级比较稳定的情况下，差谱法是能够比较准确的提取出一阶和二阶回波分界线的位置。但是，雷达回波谱的形态随着海态的变化是会发生剧烈变化的。在同一雷达探测区域内，随着季节的变化，气候变化很大，导致海面上真实的海态产生很大的变化，最终致使雷达回波谱的形态产生变化。这种回波谱形态的巨大变化可能会导致一阶谱区与二阶谱区临界处的下降沿变得不明显。此时，差谱法需要重新调整预设参数才能保证一阶谱区检测结果的准确性。而在雷达运行过程中，人为的经常性地调整差谱法的参数是不现实的。因此，急需更加稳健的一阶谱区和二阶谱区分界线确定方法来保证高频地波雷达在不同海况下的海流和海风测量性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，使得高频地波雷达能够在不同海况下更加准确的识别出回波信号中的一阶和二阶回波谱区域，特别是为了避免二阶回波被误当作是一阶回波。
本发明的技术方案为一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，所述的一阶和二阶回波谱分界线确定方法是利用了高频地波雷达接收到的一阶和二阶海洋回波的方位角分布特性，具体的分界线确定过程包含以下步骤：
步骤1：根据雷达工作参数确定雷达回波谱中的一阶Bragg峰和二阶奇异峰；
步骤2：计算回波谱的噪声强度；
步骤3：以一阶Bragg峰和二阶奇异峰为基准，在信噪比的约束下截取包含部分一阶谱和二阶谱的连续频谱；
步骤4：逐个频点计算步骤3中截取出的频谱中各个频点信号的方位角；
步骤5：在步骤4得到的方位角计算结果中查找随着频率变化方位角首次出现极值的频点位置则为一阶和二阶回波谱的分界线。
进一步地，步骤1所述的一阶Bragg峰和二阶奇异峰频率可分别表示为：
其中fb为一阶Bragg峰的多普勒频率；fbb即为二阶奇异峰对应的多普勒频率；fc为以MHz为单位的雷达工作频率。
进一步地，步骤2所述的噪声强度指的是雷达接收到的回波信号经过两次傅里叶变换之后得到的多普勒谱的噪声强度；优选地，步骤2所述的噪声强度计算方法是计算频谱最末端的60个频点信号的平均幅度作为噪声强度，因为远离一阶和二阶谱区域的频谱最末端通常情况下仅仅是噪声。
进一步地，步骤3所述的以一阶Bragg峰和二阶奇异峰为基准，在信噪比的约束下截取包含部分一阶谱和二阶谱的连续频谱的具体方法是以二阶奇异峰作为要截取的频谱段的右边界，即步骤1确定的二阶奇异峰，而左边界则是以一阶Bragg峰为基准向左查找5个频点内信噪比不小于30dB的最后一个频点，所要截取的连续频谱则是位于查找到的满足信噪比要求的频点与二阶奇异峰之间的频谱段。优选地，步骤3所述的信噪比指的是频点幅度与噪声强度的比值。
进一步地，步骤4所述的逐个频点计算信号的方位角的方法在实际中有很多，常见的有波束形成和子空间类算法。优选地，所述的步骤4采用子空间类算法中的多重信号分类算法来计算信号的来波方向。具体地，首先利用天线多通道数据构建数据样本，而后计算样本协方差，通过对协方差矩阵做特征值分解得到信号子空间和噪声子空间，最后利用天线的阵列流行并结合噪声子空间与信号子空间的正交性来确定信号的方位角。
进一步地，步骤5所述的极值点可能是极大值也可能是极小值，这取决于雷达观测区域内流场的分布。优选地，为了避免方位角计算结果的抖动，先要对方位角计算结果进行3个频点的平滑，之后再取极值点。要理解的是，第一个极值点确定的分界线把一阶和二阶回波谱分开来了，且一阶回波谱紧邻在分界线的左边，但是二阶回波谱则是紧邻在来波方向随着频率变化出现的第二个极值点处的频点，当然，在不同海态下，第一个极值点和第二个极值点在频率上可能有一定的距离也可能非常的靠近，当第一个极值点和第二个极值点运动到相邻位置时，分界线频点左边紧邻的是一阶回波谱，右边紧邻的是二阶回波谱。
本发明是基于高频地波雷达接收到的海面回波具有如下特点：一是，对所有的一阶海洋回波频点而言，多普勒频率越相近的频点方位角差别越小；二是，在一阶和二阶回波谱分界线附近，随着信号由一阶回波信号变为二阶回波信号，信号方位角的变化趋势与一阶海洋回波内方位角的变化趋势相反；三是，这种方位角分布特性不会随海况的变化而变化。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，相较于现有方法，该方法不需要输入先验参数，省去了现有方法的参数调优过程；
2、本发明提供的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法适用于不同海况下的一阶谱与二阶谱分界线确定，因为本发明利用了一阶和二阶回波的方位角分布特性，且该特性与海态无关，只要存在二阶回波，则本方法所基于的一阶和二阶回波的方位角分布特性就是成立的。
3、在高海况下，本发明提供的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法相较于现有方法将能够表现出更加优秀的性能，因为高海况下，二阶回波信号通常非常强，现有的基于回波谱形态的分界线确定方法不易分辨一阶和二阶谱，但是，强的二阶回波信号更加有利于二阶回波的方位角计算，因此，在高海况下，本发明提供的方法相较于现有方法将表现出更加优秀的性能。
附图说明
图1：高频地波雷达回波谱，竖直虚线指示二阶奇异峰位置，竖直点划线指示一阶Bragg峰位置；
图2：噪声强度计算；
图3：频谱截取；
图4：方位角计算结果；
图5：平滑后的方位角计算结果；
图6：分界线确定；
图7：本发明的流程图。
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，下面结合附图与实施例，对本发明做更加详细的说明，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。
下面结合图1至图7介绍本发明的具体实施过程：
步骤1：根据雷达工作参数确定雷达回波谱中的一阶Bragg峰和二阶奇异峰；
步骤1所述的雷达回波谱是雷达接收到的回波经过两次傅里叶变换得到的随距离和多普勒频率变化的回波信号频谱。在此频谱中，一阶Bragg峰和二阶奇异峰频率可分别表示为：
其中fbb即为二阶奇异峰对应的多普勒频率；fb为一阶Bragg频率；fc为以MHz为单位的雷达工作频率。图1展示了一次实际试验中获得的高频地波雷达回波谱，此次实验中雷达的工作频率为16.047MHz，因此对应的一阶Bragg峰频率和二阶奇异峰频率分别为0.409Hz和0.578Hz，图中竖直点划线指示了一阶Bragg峰，而竖直虚线指示了二阶奇异峰。
步骤2：计算回波谱的噪声强度；
由于远离一阶和二阶谱区域的频谱最末端通常情况下不包含任何信号，因此，利用频谱最末端的60个频点的平均幅度可以代表噪声强度。如图2所示，阴影部分覆盖的频谱便是用来计算噪声的那60个频点，这60个频点的平均幅度为31.36dB，阴影框中水平的虚线指示的就是计算出的这60个频点的平均幅度，也就是噪声强度。
步骤3：以一阶Bragg峰和二阶奇异峰为基准，在信噪比的约束下截取包含部分一阶谱和二阶谱的连续频谱；
步骤3所述的频谱截取方式为：以二阶奇异峰作为右边界，即为步骤1计算出来的0.578Hz，而左边界的确定则是以一阶Bragg峰为基准向左查找5个频点内信噪比不小于30dB的最后一个频点，所要截取的连续频谱小段则是位于此左边界和右边界之内的频谱。图3中实心菱形标记指示的频点即为一阶Bragg峰左边第5个频点，从一阶Bragg峰往第5个频点方向搜索信噪比小于30dB的频点，由于5个频点的信噪比均大于30dB，因此左边界即为第5个频点。因此，这里截取的频谱为从一阶Bragg峰左边第五个频点至二阶奇异峰之间的频谱段。事实上，最后一个信噪比大于30dB的频点即为图3中数据提示点指示的频点，该频点的强度为61.67dB，信噪比为30.31dB，而实心圆点指示的就是这个频点的左边一个频点。当然，这里说的信噪比指的是频点幅度与噪声强度的比值，在图3中，因为幅度的单位是dB，因此，信噪比即为频点幅度与噪声强度的差。
步骤4：逐个频点计算步骤3中取出的频谱中各个频点信号的来波方向；
步骤4所述的逐个频点计算信号的来波方向的方法在实际中有很多，常见的有波束形成和子空间类算法。优选地，所述的步骤4采用子空间类算法中的多重信号分类算法来计算信号的来波方向。首先利用天线多通道数据构建数据样本，而后计算样本协方差，通过对协方差矩阵做特征值分解得到信号子空间和噪声子空间，最后利用天线的阵列流行并结合噪声子空间与信号子空间的正交性来确定信号的方位角。图4展示了步骤3中截取出的频谱段中各个频点的方位角随频率的变化。
步骤5：在步骤4得到的来波方向结果中查找随着频率从小变大方位角首次出现极值的频点位置则为一阶和二阶回波谱的分界线；
步骤5所述的极值点可能是极大值也可能是极小值，这取决于雷达观测区域内流场的分布。优选地，为了避免方位角计算结果的抖动，先要对方位角计算结果进行3个频点的平滑，之后再取极值点。图5展示了平滑后的方位角随频率的变化。从图中可知第一个极值点对应的频率为0.4370Hz，因此，该频点即为一阶和二阶回波谱的分界线。图6展示了该分界线在回波谱中的位置。要理解的是，分界线把一阶和二阶回波谱分开来了，且一阶回波谱紧邻在分界线的左边，但是二阶回波谱则是紧邻在来波方向随着频率变化出现的第二个极值点处的频点，图5展示了第二个极值点对应的频率为0.5038Hz，图6展示了该频点在回波谱中的位置，当然，随着海态的变化第一个极值点和第二个极值点可能非常的靠近，当第一个极值点和第二个极值点运动到相邻位置时，分界线频点左边紧邻的是一阶回波谱，右边紧邻的是二阶回波谱。
图7最后总结了本说明所述的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法的整个流程。
应当理解的是，上述针对步骤以及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 (6)
1.一种基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，其特征在于：具体包含以下步骤：
步骤1：根据雷达工作参数确定雷达回波谱中的一阶Bragg峰和二阶奇异峰；
步骤2：计算回波谱的噪声强度；
步骤3：以一阶Bragg峰和二阶奇异峰为基准，在信噪比约束下截取包含部分一阶谱和二阶谱的连续频谱；
步骤4：逐个频点计算步骤3中截取出的频谱中各个频点信号的方位角；
步骤5：在步骤4得到的方位角计算结果中查找随着频率变化方位角首次出现极值的频点位置则为一阶和二阶回波谱的分界线。
2.根据权利要求1所述的基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，其特征在于：步骤1所述的一阶Bragg峰和二阶奇异峰对应的多普勒频率分别为：
其中fb为一阶Bragg峰的多普勒频率；fbb即为二阶奇异峰对应的多普勒频率；fc为以MHz为单位的雷达工作频率。
3.根据权利要求1所述的基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，其特征在于：步骤2所述的回波谱的噪声强度指的是雷达接收到的回波信号经过两次傅里叶变换后得到的多普勒谱中的噪声强度。
4.根据权利要求1所述的基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，其特征在于：步骤3所述的信噪比指的是多普勒谱中频点信号的幅度与噪声强度的比值。
5.根据权利要求1所述的基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，其特征在于：步骤4所述的信号方位角计算方法是指利用多通道天线接收到的信号样本来计算信号的来波方向的方法。
6.根据权利要求1所述的基于方位角的高频地波雷达一阶和二阶回波谱分界线确定方法，其特征在于：步骤5所述的出现极值的频点指的是该频点的方位角在方位角随频率的变化中是一个极值点，且可为极大值也可为极小值。
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| Publication number | Publication date |
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| CN111751797A (zh) | 2020-10-09 |
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