CN113466821B - 一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法。该方法首先从雷达多个照射方向获取的距离多普勒谱回波中估计出海洋回波信号的左右带宽边界频率及中心频率，将中心频率转化成速度且扣除船速分量后可得出水质点速度。再将各方向测得水质点速度转换成波数谱，合成无向海浪谱。然后通过搜索最大值从无向海浪谱中得出谱峰对应的波数值，对各方向谱峰波数能量做圆周分布对称排列，再通过构建抛物线函数模型得出模糊的浪向。之后利用谱峰波数能量最大照射方向上对应的左右带宽边界频率的方差比较消除180°模糊。最后结合船艏向得出以正北为参考的浪向。本发明使船载相干微波雷达具有走航监测海浪浪向的能力。

Description

一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，尤其涉及一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法。

背景技术

海洋观测是认识海洋的基本手段，是海洋经济开发、环境保护和权益维护的基础。海浪是海洋中最常见的现象。浪向是定量描述海浪物理特性的一个重要参数。微波雷达是当前广泛应用于海浪参数测量的一种遥感监测手段。其具有测量范围广、时间空间分辨率高、维护管理方便等特点。相干微波雷达基于多普勒原理，可以实现连续测量各方向海浪水质点的运动速度。结合海浪理论，利用测得的水质点速度可反演出浪向。现有的相干微波雷达主要为固定基，浪向反演主要有以下两种方法：

基于雷达测得多个方向海浪谱能量的方法。该方法首先利用岸基相干微波雷达六个照射方向测得的水质点速度时间序列得出六个方向上的海浪谱，再基于六个海浪谱的能量做抛物线插值得出模糊的浪向，最后通过相邻距离元水质点速度时间序列的交叉谱去除180°模糊，得出正确的浪向；

基于雷达多个照射方向测得海浪振幅投影值求解浪向的方法。该方法首先根据雷达多个照射方向测得的水质点速度时间序列得出各方向上海浪振幅的投影值，再根据几何投影关系求解模糊的浪向。

但上述方法应用于船载相干微波雷达浪向反演时，存在缺陷和限制。无论是得出模糊的浪向或是去除模糊。以上两种方法都需要雷达在一段时间内持续照射海面某一区域，即通过时间采样获取固定空间位置的水质点速度时间序列。随着船体运动，船载相干微波雷达照射区域持续变化，因此上述方法不适用于船载相干微波雷达。

发明内容

本发明针对上述问题，结合船载相干微波雷达的特点，提出了一种适用于船载相干微波雷达的浪向反演方法。该方法能够实现在相干微波雷达随船体运动时，准确地反演浪向。首先从雷达多个照射方向(覆盖180°)获取的距离多普勒谱回波中估计出海洋回波信号的左右带宽边界频率及中心频率空间序列，将中心频率转化成速度序列且扣除船速分量后可得出水质点速度空间序列。再将各方向测得水质点速度转换成波数谱，合成无向海浪谱。然后从无向海浪谱中得出谱峰对应的波数值，对各方向谱峰波数能量做分布对称排列，再利用抛物线函数得出模糊的浪向。之后利用谱峰波数能量最大照射方向对应的左右带宽边界频率消除180°模糊。最后结合船艏向可得出以正北为参考的浪向。

本发明的技术方案是一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法，从雷达一次完整扫描获取的距离多普勒谱回波中反演浪向，包括以下步骤：

步骤1：利用从每个照射方位角上获取的每个距离元多普勒谱信号的信噪比和设定阈值比较估计出每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，将每个照射方位角上每个距离元多普勒谱信号通过谱矩法估计出每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率，将每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率转换成每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度，将每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度扣除船速后得到每个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度；

步骤1所述利用从每个照射方位角上获取的每个距离元多普勒谱信号的信噪比和设定阈值比较估计出每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率的具体做法为：先计算出每个照射方位角上每个距离元多普勒谱信号所有频率单元的信噪比，每个频率单元的信噪比与设定阈值比较。信噪比大于设定阈值的频率单元区间认为为海洋回波，该区间中的最低频率为海洋回波信号的左带宽边界频率，该区间中的最高频率为海洋回波信号的右带宽边界频率。

步骤2：将每个照射方位角上所有距离元的水质点径向速度序列转换成每个照射方位角上海浪波数谱，通过每个照射方位角上海浪波数谱合成无向海浪谱；

步骤3：在无向海浪谱的多个波数分量搜索最大值得到无向海浪谱中波数分量最大值对应的波数，计算各照射方向上的谱峰波数能量，对各照射方向上的谱峰波数能量做圆周分布对称排列得出排列后的谱峰波数能量。

步骤4：构建抛物线函数模型，将排列后的谱峰波数能量及排列后的角度值作为输入数据，通过最小二乘法求解抛物线函数模型的模型参数，进一步计算得出抛物线的顶点横坐标，所述抛物线的顶点横坐标为模糊的浪向；

步骤5：通过谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，计算所有距离元左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差，通过左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差比较去除180°模糊，得出以船艏向为参考无模糊的浪向。

步骤6：利用船艏向改变无模糊的浪向的参考，所述改变无模糊的浪向的参考为无模糊的浪向减去船艏向，进而得出以正北为参考的浪向。

作为优选，步骤1所述每个照射方位角定义为：

α_n，n∈[1，N]

其中，α_n表示第n个照射方位角，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，定义为：

f_L(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_L(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，定义为：

f_R(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_R(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率，定义为：

f_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的多普勒谱中心频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度，定义为：

V_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，V_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的多普勒速度，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述第n个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度，定义为：

v_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，v_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的水质点径向速度，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

作为优选，步骤2所述转换成每个照射方位角上海浪波数谱为：

j∈[1,M]，n∈[1,N]，

其中，G(k_n,i,α_n)为第n个照射方位角上所有距离元的水质点径向速度傅立叶变换后的第i个波数分量，d为水深，θ为雷达电磁波掠入射角，k_n,i为第n个照射方位角上海浪波数谱第i个波数值，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量，s(k_n,i,α_n)为第n个照射方位角上海浪波数谱的第i个波数分量。

步骤2所述合成无向海浪谱为：

其中，k_i为无向海浪谱第i个波数值，s(k_i)为无向海浪谱的第i个波数分量；

作为优选，步骤3所述在无向海浪谱的多个波数分量搜索最大值得到无向海浪谱中波数分量最大值对应的波数，具体为：

搜索s(k₁)、s(k₂)、...、s(k_M2+1)，找出最大值对应的波数记为k_p；

其中，k_i为无向海浪谱第i个波数值，s(k_i)为无向海浪谱的第i个波数分量，

M表示每个照射方位角上距离元的数量；

步骤3所述计算各照射方向上的谱峰波数能量，具体如下：

F(α_n)＝s(k_p,α_n)Δk

n∈[1,N]

其中，Δk为波数分辨率，N表示照射方位角的数量，α_n表示第n个照射方位角，s(k_p,α_n)表示第n个照射方位角海浪波数谱波数值为k_p的波数分量，F(α_n)表示第n个照射方向上的谱峰波数能量。

步骤3所述对各照射方向上的谱峰波数能量做圆周分布对称排列得出排列后的谱峰波数能量，具体如下：

通过搜索各照射方向上的谱峰波数能量得出照射方向上的谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号为l，具体如下：

搜索F(α₁)、F(α₂)、...、F(α_N)得出各照射方向上谱峰波数能量最大值F(α_l)，谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号为l；

各照射方向上的谱峰波数能量F(α₁)、F(α₂)、...、F(α_N)，根据所有照射方向在圆心角中的相对位置排列在以最大能量对应照射方向为中心的两边，具体如下：

当N为奇数时：

n＝mod(N/2)+1+x

其中mod()表示取模运算；

当N为偶数时：

若F(α_mod[(l+1)/N])＞F(α_l-1)，l-1＞0或F(α_mod[(l+1)/N])＞F(α_l-1+N)，l-1≤0则，

n＝mod(N/2)+x

若F(α_mod[(l+1)/N])＜F(α_l-1)，l-1＞0或F(α_mod[(l+1)/N])＜F(α_l-1+N)，l-1≤0则，

n＝mod(N/2)+1+x

其中，E(θ_n)为步骤3所述排列后的谱峰波数能量，θ_n为排列后第n个角度值，n∈[1，N]，N表示照射方位角的数量，α_n表示第n个照射方位角，F(α_n)表示第n个照射方向上的谱峰波数能量，l表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号。

作为优选，步骤4所述构建抛物线函数模型为：

E(θ_n)＝Aθ_n ²+Bθ_n+C

其中，E(θ_n)为步骤3所述排列后的谱峰波数能量，θ_n为排列后第n个角度值，n∈[1，N]，A、B、C为抛物线函数模型的三个参数；

步骤4所述抛物线的顶点横坐标为：

作为优选，步骤5所述谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率为：

f_L(r_l,j,α_l)

j∈[1,M]

其中，f_L(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，r_l,j为第l个照射方位角上第j个距离元的径向距离，l表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号，M表示每个照射方位角上距离元的数量。

步骤5所述照射方向上的谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率为：

f_R(r_l,j,α_l)

j∈[1,M]

其中，f_R(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，r_l,j为第l个照射方位角上第j个距离元的径向距离，l表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号，M表示每个照射方位角上距离元的数量。

步骤5所述计算左带宽边界频率的方差为：

其中，Var_L表示左带宽边界频率的方差，M表示每个照射方位角上距离元的数量，f_L(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，u_L(α_l)为第l个照射方位角上所有距离元左带宽边界频率f_L(r_l,j,α_l)的均值。

步骤5所述右带宽边界频率的方差为：

其中，Var_R表示右带宽边界频率的方差，M表示每个照射方位角上距离元的数量，f_R(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，u_R(α_l)为第l个照射方位角上所有距离元右带宽边界频率f_R(r_l,j,α_l)的均值。

步骤5所述以船艏向为参考无模糊的浪向定义为：χ

步骤5所述通过左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差比较去除180°模糊：

当Var_R＞Var_L时,浪向朝向天线运动，χ＝β；

Var_R＜Var_L时，浪向远离天线运动，χ＝β+180°。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过空间采样获取各个方向的海浪运动信息，利用距离多普勒谱的左右带宽边界频率波动特征去除180°模糊，使船载相干微波雷达实现浪向反演。在使用本方案进行浪向反演时，由于距离多普勒谱的获取时间很短，船只速度影响可在未知情况下消除，且对船只运动无约束，因此本方案具有很大的适用范围和应用前景。本发明使船载相干微波雷达具有了走航监测海浪浪向的能力，对海洋经济开发、环境保护和权益维护具有重要的应用价值。

附图说明

图1：本发明方法流程图；

图2：雷达安装在船体上时，六个天线的照射方位角；

图3：每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左、右带宽边界频率；

图4：每个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度；

图5：无向海浪谱；

图6：排列后的谱峰波数能量、抛物线函数及其顶点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

本发明结合船载相干微波雷达的特点，基于空间采样及距离多普勒谱左右带宽边界频率的特征，提出了一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法。本发明在对船只运动无特别约束的前提下，实现了海浪浪向的反演。

本发明提供的方法能够用计算机软件实现流程。下面结合具体实例和附图，对本发明进行进一步说明，实施例中的实测数据来自于安装在“实验1”科考船的船载相干微波雷达。

下面结合图1至图6介绍本发明的具体实施方式。

本发明具体实施方式的技术方案是一种用于船载平台相干微波雷达浪向反演方法，。本发明的整体流程图见图1。实施例中的雷达安装在船体上时，六个天线的照射方位角如图2所示，各天线方位角间隔30°。从雷达一次完整扫描获取的距离多普勒谱回波中反演浪向，包括以下步骤：

步骤1：利用从每个照射方位角上获取的每个距离元多普勒谱信号的信噪比和设定阈值比较估计出每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，见图3。将每个照射方位角上每个距离元多普勒谱信号通过谱矩法估计出每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率，将每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率转换成每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度，将每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度扣除船速后得到每个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度，每个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度见图4；

步骤1所述每个照射方位角定义为：

α_n，n∈[1，N]

其中，α_n表示第n个照射方位角，N＝6表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，定义为：

f_L(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_L(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，N＝6表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，定义为：

f_R(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_R(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，N＝6表示照射方位角的数量；

步骤1所述利用从每个照射方位角上获取的每个距离元多普勒谱信号的信噪比和设定阈值比较估计出每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率的具体做法为：先计算出每个照射方位角上每个距离元多普勒谱信号所有频率单元的信噪比，每个频率单元的信噪比与设定阈值比较。信噪比大于设定阈值的频率单元区间认为为海洋回波，该区间中的最低频率为海洋回波信号的左带宽边界频率，该区间中的最高频率为海洋回波信号的右带宽边界频率。

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率，定义为：

f_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的多普勒谱中心频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，N＝6表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度，定义为：

V_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，V_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的多普勒速度，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，N＝6表示照射方位角的数量；

步骤1所述第n个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度，定义为：

v_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，v_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的水质点径向速度，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，N＝6表示照射方位角的数量；

步骤2：将每个照射方位角上所有距离元的水质点径向速度序列转换成每个照射方位角上海浪波数谱，通过每个照射方位角上海浪波数谱合成无向海浪谱；

步骤2所述转换成每个照射方位角上海浪波数谱为：

j∈[1,M]，n∈[1,N]，

其中，G(k_n,i,α_n)为第n个照射方位角上所有距离元的水质点径向速度傅立叶变换后的第i个波数分量，d＝140m为水深，θ＝10°为雷达电磁波掠入射角，k_n,i为第n个照射方位角上海浪波数谱第i个波数值，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，N＝6表示照射方位角的数量，s(k_n,i,α_n)为第n个照射方位角上海浪波数谱的第i个波数分量。

步骤2所述合成无向海浪谱为：

其中，k_i为无向海浪谱第i个波数值，s(k_i)为无向海浪谱的第i个波数分量，合成的无向海浪谱见图5；

步骤3：在无向海浪谱的多个波数分量搜索最大值得到无向海浪谱中波数分量最大值对应的波数，计算各照射方向上的谱峰波数能量，对各照射方向上的谱峰波数能量做圆周分布对称排列得出排列后的谱峰波数能量。

步骤3所述在无向海浪谱的多个波数分量搜索最大值得到无向海浪谱中波数分量最大值对应的波数，具体为：

搜索s(k₁)、s(k₂)、...、s(k_M/2+1)，

找出最大值对应的波数记为k_p＝0.0628rad/m；

其中，k_i为无向海浪谱第i个波数值，s(k_i)为无向海浪谱的第i个波数分量，

M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量；

步骤3所述计算各照射方向上的谱峰波数能量，具体如下：

F(α_n)＝s(k_p,α_n)Δk

n∈[1,N]

其中，Δk＝0.0105rad/m为波数分辨率，N＝6表示照射方位角的数量，α_n表示第n个照射方位角，s(k_p,α_n)表示第n个照射方位角海浪波数谱波数值为k_p＝0.0628rad/m的波数分量，F(α_n)表示第n个照射方向上的谱峰波数能量，F(α₁)＝0.2072m²，F(α₂)＝0.1001m²，F(α₃)＝0.0042m²，F(α₄)＝0.0031m²，F(α₅)＝0.056m²，F(α₆)＝0.1035m²。

步骤3所述对各照射方向上的谱峰波数能量做圆周分布对称排列得出排列后的谱峰波数能量，具体如下：

通过搜索各照射方向上的谱峰波数能量得出照射方向上的谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号为l＝1，具体如下：

搜索F(α₁)＝0.2072m²，F(α₂)＝0.1001m²，F(α₃)＝0.0042m²，

F(α₄)＝0.0031m²，F(α₅)＝0.0561m²，F(α₆)＝0.1035m²得出各照射方向上谱峰波数能量最大值F(α₁)＝0.2072m²，谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号为l＝1；

各照射方向上的谱峰波数能量F(α₁)、F(α₂)、...、F(α₆)，根据所有照射方向在圆心角中的相对位置排列在以最大能量对应照射方向为中心的两边，具体如下：

N＝6为偶数：

F(α_mod[(l+1)/N])＜F(α_l-1+N)，l-1≤0则，

n＝mod(N/2)+1+x

其中，E(θ_n)为步骤3所述排列后的谱峰波数能量，θ_n为排列后第n个角度值，n∈[1，N]，θ₁＝-75°、θ₂＝-45°、θ₃＝-15°、θ₄＝15°、θ₅＝45°、θ₆＝75°，E(θ₁)＝0.0031m²、E(θ₂)＝0.0561m²、E(θ₃)＝0.1035m²、E(θ₄)＝0.2072m²、E(θ₅)＝0.1001m²、E(θ₆)＝0.0042m²，见图6中的黑点。N＝6表示照射方位角的数量，α_n表示第n个照射方位角，F(α_n)表示第n个照射方向上的谱峰波数能量，l＝1表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号。

步骤4：构建抛物线函数模型，将排列后的谱峰波数能量及排列后的角度值作为输入数据，通过最小二乘法求解抛物线函数模型的模型参数，进一步计算得出抛物线的顶点横坐标，所述抛物线的顶点横坐标为模糊的浪向，抛物线函数见图6中的曲线，虚线为经过顶点的一条竖线；

步骤4所述构建抛物线函数模型为：

E(θ_n)＝Aθ_n ²+Bθ_n+C

其中，E(θ_n)为步骤3所述排列后的谱峰波数能量，θ_n为排列后第n个角度值，n∈[1，6]，A、B、C为抛物线函数模型的三个参数；

步骤4所述抛物线的顶点横坐标为：

步骤5：通过谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，计算所有距离元左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差，通过左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差比较去除180°模糊，得出以船艏向为参考无模糊的浪向χ。

步骤5所述谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率为：

f_L(r_l,j,α_l)

j∈[1,M]

其中，f_L(r_l,j,α_l)表示第l＝1个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，r_l,j为第l＝1个照射方位角上第j个距离元的径向距离，l＝1表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量。

步骤5所述照射方向上的谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率为：

f_R(r_l,j,α_l)

j∈[1,M]

其中，f_R(r_l,j,α_l)表示第l＝1个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，r_l,j为第l＝1个照射方位角上第j个距离元的径向距离，l＝1表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量。

步骤5所述计算左带宽边界频率的方差为：

其中，Var_L＝297.2表示左带宽边界频率的方差，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，f_L(r_l,j,α_l)表示第l＝1个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，u_L(α_l)为第l＝1个照射方位角上所有距离元左带宽边界频率f_L(r_l,j,α_l)的均值。

步骤5所述右带宽边界频率的方差为：

其中，Var_R＝108.4表示右带宽边界频率的方差，M＝80表示每个照射方位角上距离元的数量，f_R(r_l,j,α_l)表示第l＝1个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，u_R(α_l)为第l＝1个照射方位角上所有距离元右带宽边界频率f_R(r_l,j,α_l)的均值。

步骤5所述以船艏向为参考无模糊的浪向定义为：χ

步骤5所述通过左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差比较去除180°模糊为：

Var_R＜Var_L，即108.4＜297.2，浪向远离天线运动，

χ＝β+180°＝0.96°+180°＝180.96°；

步骤6：利用船艏向改变无模糊的浪向χ的参考，所述改变无模糊的浪向的参考为无模糊的浪向减去船艏向90°，进而得出以正北为参考的浪向90.96°。

所述步骤1中，用于估计海洋回波左右带宽边界频率的阈值设置在10dB以内。

所述步骤2中，水深d可从安装船载相干微波雷达的船上测深仪得出。雷达电磁波掠入射角θ根据雷达安装高度和照射位置距离计算出。

所述步骤6中，船艏向可从船上电罗经传感器得出。

本文所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种用于船载相干微波雷达的浪向反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用从每个照射方位角上获取的每个距离元多普勒谱信号的信噪比和设定阈值比较估计出每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，将每个照射方位角上每个距离元多普勒谱信号通过谱矩法估计出每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率，将每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率转换成每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度，将每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度扣除船速后得到每个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度；

步骤2：将每个照射方位角上所有距离元的水质点径向速度序列转换成每个照射方位角上海浪波数谱，通过每个照射方位角上海浪波数谱合成无向海浪谱；

步骤3：在无向海浪谱的多个波数分量搜索最大值得到无向海浪谱中波数分量最大值对应的波数，计算各照射方向上的谱峰波数能量，对各照射方向上的谱峰波数能量做圆周分布对称排列得出排列后的谱峰波数能量；

步骤4：构建抛物线函数模型，将排列后的谱峰波数能量及排列后的角度值作为输入数据，通过最小二乘法求解抛物线函数模型的模型参数，进一步计算得出抛物线的顶点横坐标，所述抛物线的顶点横坐标为模糊的浪向；

步骤5：通过谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，计算所有距离元左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差，通过左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差比较去除180°模糊，得出以船艏向为参考无模糊的浪向；

步骤6：利用船艏向改变无模糊的浪向的参考，所述改变无模糊的浪向的参考为无模糊的浪向减去船艏向，进而得出以正北为参考的浪向。

2.根据权利要求1所述的用于船载相干微波雷达浪向反演方法，其特征在于，步骤1所述利用从每个照射方位角上获取的每个距离元多普勒谱信号的信噪比和设定阈值比较估计出每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率、每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率的具体做法为：先计算出每个照射方位角上每个距离元多普勒谱信号所有频率单元的信噪比，每个频率单元的信噪比与设定阈值比较；信噪比大于设定阈值的频率单元区间认为为海洋回波，该区间中的最低频率为海洋回波信号的左带宽边界频率，该区间中的最高频率为海洋回波信号的右带宽边界频率；

步骤1所述每个照射方位角定义为：

α_n，n∈[1，N]

其中，α_n表示第n个照射方位角，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，定义为：

f_L(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_L(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，定义为：

f_R(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_R(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元的多普勒谱中心频率，定义为：

f_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，f_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的多普勒谱中心频率，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述每个照射方位角上每个距离元的多普勒速度，定义为：

V_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，V_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的多普勒速度，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量；

步骤1所述第n个照射方位角上每个距离元的水质点径向速度，定义为：

v_D(r_n,j,α_n)

j∈[1,M]，n∈[1,N]

其中，v_D(r_n,j,α_n)表示第n个照射方位角上第j个距离元的水质点径向速度，r_n,j为第n个照射方位角上第j个距离元的径向距离，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量。

3.根据权利要求2所述的用于船载相干微波雷达浪向反演方法，其特征在于，步骤2所述转换成每个照射方位角上海浪波数谱为：

j∈[1,M]，n∈[1,N]，

其中，G(k_n,i,α_n)为第n个照射方位角上所有距离元的水质点径向速度傅立叶变换后的第i个波数分量，d为水深，θ为雷达电磁波掠入射角，k_n,i为第n个照射方位角上海浪波数谱第i个波数值，M表示每个照射方位角上距离元的数量，N表示照射方位角的数量，s(k_n,i,α_n)为第n个照射方位角上海浪波数谱的第i个波数分量；

步骤2所述合成无向海浪谱为：

其中，k_i为无向海浪谱第i个波数值，s(k_i)为无向海浪谱的第i个波数分量。

4.根据权利要求1所述的用于船载相干微波雷达浪向反演方法，其特征在于，步骤3所述在无向海浪谱的多个波数分量搜索最大值得到无向海浪谱中波数分量最大值对应的波数，具体为：

搜索s(k₁)、s(k₂)、...、s(k_M/2+1)，找出最大值对应的波数记为k_p；

其中，k_i为无向海浪谱第i个波数值，s(k_i)为无向海浪谱的第i个波数分量，

M表示每个照射方位角上距离元的数量；

步骤3所述计算各照射方向上的谱峰波数能量，具体如下：

F(α_n)＝s(k_p,α_n)Δk

n∈[1,N]

其中，Δk为波数分辨率，N表示照射方位角的数量，α_n表示第n个照射方位角，s(k_p,α_n)表示第n个照射方位角海浪波数谱波数值为k_p的波数分量，F(α_n)表示第n个照射方向上的谱峰波数能量；

步骤3所述对各照射方向上的谱峰波数能量做圆周分布对称排列得出排列后的谱峰波数能量，具体如下：

通过搜索各照射方向上的谱峰波数能量得出照射方向上的谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号为l，具体如下：

搜索F(α₁)、F(α₂)、...、F(α_N)得出各照射方向上谱峰波数能量最大值F(α_l)，谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号为l；

各照射方向上的谱峰波数能量F(α₁)、F(α₂)、...、F(α_N)，根据所有照射方向在圆心角中的相对位置排列在以最大能量对应照射方向为中心的两边，具体如下：

当N为奇数时：

n＝mod(N/2)+1+x

x∈[-mod(N/2),N-mod(N/2)-1]

其中mod()表示取模运算；

当N为偶数时：

若F(α_mod[(l+1)/N])＞F(α_l-1)，l-1＞0或F(α_mod[(l+1)/N])＞F(α_l-1+N)，l-1≤0则，

n＝mod(N/2)+x

x∈[-mod(N/2)+1,N-mod(N/2)]

若F(α_mod[(l+1)/N])＜F(α_l-1)，l-1＞0或F(α_mod[(l+1)/N])＜F(α_l-1+N)，l-1≤0则，

n＝mod(N/2)+1+x

x∈[-mod(N/2),N-mod(N/2)-1]

其中，E(θ_n)为步骤3所述排列后的谱峰波数能量，θ_n为排列后第n个角度值，n∈[1，N]，N表示照射方位角的数量，α_n表示第n个照射方位角，F(α_n)表示第n个照射方向上的谱峰波数能量，l表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号。

5.根据权利要求1所述的用于船载相干微波雷达浪向反演方法，其特征在于，步骤4所述构建抛物线函数模型为：

E(θ_n)＝Aθ_n ²+Bθ_n+C

其中，E(θ_n)为步骤3所述排列后的谱峰波数能量，θ_n为排列后第n个角度值，n∈[1，N]，A、B、C为抛物线函数模型的三个参数；

步骤4所述抛物线的顶点横坐标为：

6.根据权利要求5所述的用于船载相干微波雷达浪向反演方法，其特征在于，步骤5所述谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率为：

f_L(r_l,j,α_l)

j∈[1,M]

其中，f_L(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，r_l,j为第l个照射方位角上第j个距离元的径向距离，l表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号，M表示每个照射方位角上距离元的数量；

步骤5所述照射方向上的谱峰波数能量最大值对应的照射方向上每个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率为：

f_R(r_l,j,α_l)

j∈[1,M]

其中，f_R(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，r_l,j为第l个照射方位角上第j个距离元的径向距离，l表示谱峰波数能量最大值对应的照射方向序号，M表示每个照射方位角上距离元的数量；

步骤5所述计算左带宽边界频率的方差为：

其中，Var_L表示左带宽边界频率的方差，M表示每个照射方位角上距离元的数量，f_L(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的左带宽边界频率，u_L(α_l)为第l个照射方位角上所有距离元左带宽边界频率f_L(r_l,j,α_l)的均值；

步骤5所述右带宽边界频率的方差为：

其中，Var_R表示右带宽边界频率的方差，M表示每个照射方位角上距离元的数量，f_R(r_l,j,α_l)表示第l个照射方位角上第j个距离元海洋回波信号的右带宽边界频率，u_R(α_l)为第l个照射方位角上所有距离元右带宽边界频率f_R(r_l,j,α_l)的均值；

步骤5所述以船艏向为参考无模糊的浪向定义为：χ

步骤5所述通过左带宽边界频率的方差以及右带宽边界频率的方差比较去除180°模糊：

当Var_R＞Var_L时,浪向朝向天线运动，χ＝β；

Var_R＜Var_L时，浪向远离天线运动，χ＝β+180°。

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