本發(fā)明屬于雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用s波段多普勒雷達(dá)探測(cè)海面浪高的方法。

背景技術(shù)：

近岸處海浪對(duì)于海運(yùn)和港口安全有著非常重要的作用，傳統(tǒng)的測(cè)量手段如浮標(biāo)、潛標(biāo)、海洋調(diào)查船等只能提供局部有效的海洋數(shù)據(jù)，難以滿足實(shí)際需求。隨著計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線電磁波逐步應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。s波段多普勒雷達(dá)能夠探測(cè)近岸處海面浪高信息，且由于其體積小、受環(huán)境干擾少、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，目前已逐步發(fā)展成為一種用于監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境的新手段。對(duì)于s波段多普勒雷達(dá)，當(dāng)入射角較大時(shí)，海面與電磁波信號(hào)發(fā)生bragg散射，諧振的海浪波長(zhǎng)與電磁波長(zhǎng)處于同一量級(jí)，被稱為bragg毛細(xì)波。根據(jù)復(fù)合表面散射理論，毛細(xì)波跨騎在重力波上，并受到重力波的調(diào)制作用，這些調(diào)制包括軌道調(diào)制、傾斜調(diào)制、陰影調(diào)制和流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制等，因此bragg毛細(xì)波的變化中攜帶了重力波的特征信息。從雷達(dá)回波中提取出重力波的速度信息，利用線性波動(dòng)理論，速度與海浪譜存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而獲取海浪譜。因此，s波段多普勒雷達(dá)發(fā)射的電磁波與海面發(fā)生相互作用，其幅度和相位受到海浪、海流等參數(shù)調(diào)制，對(duì)調(diào)制后的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析，可從中提取出海面浪高信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種利用s波段多普勒雷達(dá)探測(cè)海面浪高的方法。該方法的核心在于通過(guò)雷達(dá)回波多普勒快速、高精度地實(shí)時(shí)獲取海面浪高信息。該方法不僅適用于s波段多普勒雷達(dá)，還可應(yīng)用于其他波段的微波多普勒雷達(dá)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種利用s波段多普勒雷達(dá)探測(cè)海面浪高的方法，包括以下步驟：

步驟1，利用s波段多普勒雷達(dá)獲取海面回波多普勒譜，對(duì)得到的n幀多普勒譜提取中心頻率，獲得中心頻率序列，根據(jù)多普勒效應(yīng)公式，得到雷達(dá)測(cè)量的徑向速度序列v(t)。

在該步驟中，中心頻率的獲取采用基于矩運(yùn)算的能量均衡法：

式中：p(f)為多普勒功率譜密度函數(shù)。

步驟2，對(duì)雷達(dá)測(cè)得的徑向速度序列v(t)去除平均值，接著作離散傅里葉變換和取模平方得到速度譜v²(f)。

步驟3，根據(jù)線性波動(dòng)理論，得到速度譜與海浪譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得海浪譜s(f)；

在該步驟中，速度譜與海浪方向譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

式中：v²(f)表示速度譜，k和ω分別是水質(zhì)點(diǎn)毛細(xì)波對(duì)應(yīng)的波數(shù)和頻率，δf表示頻率間隔，δθ表示角度間隔，d是水深，α為雷達(dá)掠射角；

海浪譜通過(guò)下式獲得：

式中：i表示第i根天線的海浪方向譜，雷達(dá)共有6根天線；

步驟4，根據(jù)有效波高與海浪譜之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用譜矩法獲得有效波高h(yuǎn)s。

在該步驟中，有效波高的計(jì)算公式如下：

式中，hs為海浪的有效波高，m0為海浪譜的零階矩，可通過(guò)下式得到：

m0＝∫s(f)df(4)

步驟5，有效波高受地形、破碎波以及山體遮擋等因素影響，偶爾出現(xiàn)異常。在海浪譜零階矩序列中應(yīng)用零階矩去奇異值法，使得異常的有效波高恢復(fù)正常。

在所述步驟2和步驟3中，由徑向速度序列推導(dǎo)海浪譜的過(guò)程如下：

雷達(dá)測(cè)得的徑向速度為：

式中：v(t)為雷達(dá)測(cè)得的徑向速度，α為雷達(dá)掠射角，θ為雷達(dá)天線指向；對(duì)徑向速度序列做平均，去除散射體相速度和海流徑向流速；

接著，對(duì)去除平均值后的徑向速度序列進(jìn)行離散傅里葉變換和取模平方后得到速度譜：

式中：v²(f)表示速度譜；

在式(7)中，毛細(xì)波幅度a(f,θ)與海浪方向譜s(f,θ)存在以下的關(guān)系式：

式中：δf表示頻率間隔，δθ表示角度間隔；

將式(8)代入式(7)就得到海浪方向譜與速度譜之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，兩者的轉(zhuǎn)換公式如下所示：

海浪譜通過(guò)下式獲得：

式中：i表示第i根天線的海浪方向譜，雷達(dá)共有6根天線。

在所述步驟5中，零階矩去奇異值法的計(jì)算步驟如下：

a.利用轉(zhuǎn)換公式得到海浪譜對(duì)應(yīng)的零階矩序列；

b.計(jì)算該序列平均值，記為a，設(shè)置ka為閾值，其中k為常數(shù)，取4～6；

c.檢測(cè)高于閾值的位置并剔除，得到新的零階矩序列；

d.計(jì)算新序列平均值，記為a1，設(shè)置k1a1為新閾值，其中k1為常數(shù)，取8～10；

e.檢測(cè)原始零階矩序列中高于新閾值的部分，標(biāo)記此部分為異常位置；

f.重置異常位置的零階矩為a1，其他位置不變，即得到剔除異常值后的零階矩序列。

在所述步驟1和步驟3中，n的取值為2ⁿ，n是不小于7的正整數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明利用s波段多普勒雷達(dá)，為海面有效波高的獲取提供了一種新的方法。

2、本發(fā)明利用s波段多普勒雷達(dá)作為探測(cè)工具，該款雷達(dá)體積小，受外部環(huán)境干擾少，且可全天候工作，不受雨霧影響。

3、本發(fā)明計(jì)算方法快速簡(jiǎn)單，滿足雷達(dá)實(shí)時(shí)工作要求。

4、本發(fā)明能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)地觀測(cè)有效波高，每間隔數(shù)分鐘就能獲取海洋表面有效波高分布，高效快速。

5、本發(fā)明針對(duì)異常的有效波高提出了一種簡(jiǎn)單快速的處理方法，使得有效波高恢復(fù)正常。

本發(fā)明不僅可適用于s波段多普勒雷達(dá)，還可應(yīng)用于其他波段的微波多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中。

附圖說(shuō)明

圖1，本發(fā)明的算法流程圖；

圖2，提取的有效波高隨距離元變化的示意圖；其中，圖2(a)為原始的有效波高結(jié)果；圖2(b)為應(yīng)用零階矩去奇異值法后的有效波高結(jié)果；

圖3，應(yīng)用本發(fā)明方法后提取出的有效波高與浮標(biāo)對(duì)比結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面以具體實(shí)例結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

海浪是海面起伏形狀的傳播，是水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置，作周期性振動(dòng)，并向一定方向傳播而形成的一種波動(dòng)。海面上水質(zhì)點(diǎn)的速度可通過(guò)下式計(jì)算得到：

u(t)＝u0cos(ωt)+vc+vs(5)

式中：u(t)和w(t)分別為水質(zhì)點(diǎn)速度的水平分量和垂直分量，vc是海流的徑向流速，vs是有效散射體的相速度，k和ω分別是水質(zhì)點(diǎn)毛細(xì)波對(duì)應(yīng)的波數(shù)和頻率，d是水深，c是長(zhǎng)重力波的相速度，一般遠(yuǎn)大于vs和vc。u0是軌道速度，由下式獲得：

u0＝ωa(f,θ)coth(kd)(7)

其中，a(f,θ)是毛細(xì)波對(duì)應(yīng)的幅度。

s波段多普勒雷達(dá)直接對(duì)來(lái)自海面的回波信號(hào)進(jìn)行兩次傅里葉變換，得到回波多普勒譜，由于多普勒效應(yīng)，海面水質(zhì)點(diǎn)速度將會(huì)對(duì)雷達(dá)回波產(chǎn)生作用。因此雷達(dá)測(cè)得的徑向速度為：

式中：v(t)為雷達(dá)測(cè)得的徑向速度，α為雷達(dá)掠射角。上式第一項(xiàng)是均值為零的正弦信號(hào)，周期一般在十秒左右，因此對(duì)徑向速度序列做幾分鐘的平均，可去除散射體相速度和海流徑向流速。

具體實(shí)施步驟參見(jiàn)圖1：

步驟1，利用s波段多普勒雷達(dá)獲取海面回波多普勒譜，對(duì)得到的n幀多普勒譜提取中心頻率，獲得中心頻率序列，根據(jù)多普勒效應(yīng)公式，得到雷達(dá)測(cè)量的徑向速度序列v(t)。

在該步驟中，中心頻率的獲取采用基于矩運(yùn)算的能量均衡法：

式中：p(f)為雷達(dá)回波多普勒的功率譜密度函數(shù)。

步驟2，對(duì)雷達(dá)測(cè)得的徑向速度序列v(t)去除平均值，接著作離散傅里葉變換和取模平方得到速度譜v²(f)。

雷達(dá)測(cè)量的徑向速度序列v（t)如式(8)所示，對(duì)其去除平均值后，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)的散射體相速度和海流徑向流速被去除。經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換和取模平方后：

式中：v²(f)表示速度譜。

步驟3，根據(jù)線性波動(dòng)理論，得到速度譜與海浪譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得海浪譜s(f)；

在該步驟中，速度譜與海浪方向譜的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

式中：v²(f)表示速度譜，k和ω分別是水質(zhì)點(diǎn)毛細(xì)波對(duì)應(yīng)的波數(shù)和頻率，δf表示頻率間隔，δθ表示角度間隔，d是水深，α為雷達(dá)掠射角；

海浪譜可通過(guò)下式獲得：

式中：i表示第i根天線的海浪方向譜，雷達(dá)共有6根天線。

步驟4，根據(jù)有效波高與海浪譜之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用譜矩法獲得有效波高h(yuǎn)s。

在該步驟中，有效波高的計(jì)算公式如下：

式中，hs為海浪的有效波高，m0為海浪譜的零階矩，可通過(guò)下式得到：

m0＝∫s(f)df(14)

步驟5，有效波高受地形、破碎波以及山體遮擋等因素影響，偶爾出現(xiàn)異常。在海浪譜零階矩序列中應(yīng)用零階矩去奇異值法，使得異常的有效波高恢復(fù)正常。

由公示(13)可知，有效波高由海浪譜的零階矩決定，零階矩的異常導(dǎo)致了有效波高出現(xiàn)異常值，因此在海浪譜中對(duì)異常零階矩進(jìn)行檢測(cè)并處理?；诤＠说亩虝r(shí)平穩(wěn)特征，提出了零階矩去奇異值法。它是一種實(shí)際的工程處理方法，具體計(jì)算步驟如下：

a.利用轉(zhuǎn)換公式得到海浪譜對(duì)應(yīng)的零階矩序列；

b.計(jì)算該序列平均值，記為a，設(shè)置ka為閾值，其中k為常數(shù)，由于正常序列波動(dòng)很小，因此k取4～6就能檢測(cè)出異常值；

c.檢測(cè)高于閾值的位置并剔除，得到新的零階矩序列；

d.計(jì)算新序列平均值，記為a1，設(shè)置k1a1為新閾值，其中k1為常數(shù)，考慮到實(shí)際海況中有效波高通常低于3倍平均值，k1一般取8～10；

e.檢測(cè)原始零階矩序列中高于新閾值的部分，標(biāo)記此部分為異常位置；

f.重置異常位置的零階矩為a1，其他位置不變，這樣就得到了剔除異常值后的零階矩序列。

圖2為經(jīng)過(guò)步驟5處理前后的有效波高結(jié)果，經(jīng)過(guò)零階矩去奇異值法處理后，異常的有效波高恢復(fù)正常。

圖3為利用本發(fā)明方法提取的有效波高和浮標(biāo)結(jié)果對(duì)比，兩者之間均方根誤差為0.13m，相關(guān)系數(shù)為0.92，在觀測(cè)期間，海面波高變化幅度較大，雷達(dá)測(cè)量的結(jié)果始終與浮標(biāo)高度一致，說(shuō)明本發(fā)明方法獲得的有效波高具有很高的準(zhǔn)確性。