一種高頻地波雷達(dá)形成浪場(chǎng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高頻地波雷達(dá)形成浪場(chǎng)的方法，是一種采用高頻地波雷達(dá)海洋回 波譜一二階峰比值提取有效浪高，并形成浪場(chǎng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高頻地波雷達(dá)應(yīng)用于海洋表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)已有超過(guò)30年的歷史了，海流 的提取已經(jīng)發(fā)展的很成熟，有效浪高的提取技術(shù)也得到很大的發(fā)展，多種浪高提取算法被 提出，并取得很大成就。然而，浪場(chǎng)的形成，同時(shí)獲取大范圍海域的有效浪高，依舊處于發(fā)展 和研究階段。浪場(chǎng)的獲取對(duì)于海洋研究活動(dòng)、漁業(yè)以及海上救援等有極大的幫助。獲取浪 場(chǎng)的主要難點(diǎn)在于浪高方位信息的提取，當(dāng)前主要方式是通過(guò)大口徑的相控陣天線(xiàn)進(jìn)行波 束形成來(lái)解決方位問(wèn)題，這在具有緊湊陣的寬波束雷達(dá)系統(tǒng)中是不適用的?？紤]到窄波束 雷達(dá)系統(tǒng)存在一些不可避免的劣勢(shì)，比如：1)雷達(dá)站選址，需要一個(gè)相對(duì)平坦且狹長(zhǎng)的海 岸線(xiàn)；2)安裝與架設(shè)更加困難；3)更加高昂的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，如何解決寬波束雷達(dá)獲取 方位信息進(jìn)而形成浪場(chǎng)，就顯得非常有意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種高頻雷達(dá)浪場(chǎng)形成的方法，該方法不僅適用于窄波束雷 達(dá)系統(tǒng)，更是解決了寬波束雷達(dá)難以獲取浪場(chǎng)的困難。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種高頻地波雷達(dá)形成浪場(chǎng)的方法，包含以下步驟：
[0006] 步驟1，從雷達(dá)海洋回波的距離多普勒中，篩選出由一階峰與二階峰構(gòu)成的匹配 對(duì)，計(jì)算其比值，根據(jù)線(xiàn)性模型反演得到有效浪高；
[0007] 步驟 2,米用多重信號(hào)分類(lèi)（MultipleSignalClassification--MUSIC)算法 估算所得有效浪高的方位角；
[0008] 步驟3 :根據(jù)有效浪高獲得實(shí)際浪場(chǎng)。
[0009] 所述步驟3具體包括以下步驟：
[0010]步驟（3. 1)將雷達(dá)所能探測(cè)到的海域劃分為二維空間格子，距離上跨度設(shè)置為雷 達(dá)距離分辨率，方位角上跨度設(shè)置為10度；
[0011] 步驟（3. 2)將反演所得的有效浪高根據(jù)距離與方位信息，置于相對(duì)應(yīng)的二維空間 格子；分別對(duì)各個(gè)格子內(nèi)的有效浪高取中值，作為其實(shí)際有效浪高，完成初始浪場(chǎng)的形成；
[0012] 步驟（3. 3)再對(duì)初始浪場(chǎng)進(jìn)行替換、插值以及平滑處理，得到最終實(shí)際浪場(chǎng)。
[0013] 步驟1中所述的篩選出由一階峰與二階峰構(gòu)成的匹配對(duì)，帥選是根據(jù)匹配對(duì)的兩 個(gè)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)特征分別是：（1)來(lái)自相同方位角；(2)在多普勒譜中，其多普勒差值 恒定為〇? 41fB，4為Bragg頻率。
[0014] 步驟1中所述的線(xiàn)性模型，根據(jù)一二階峰比值與浮標(biāo)有效浪高的實(shí)際關(guān)系擬合得 至IJ。（其中："浮標(biāo)有效浪高"指的是海面分布的浮標(biāo)提供的有效浪高信息，在本專(zhuān)利中，是 作為參考，來(lái)確定線(xiàn)性模型參數(shù)。）
[0015] 步驟（3. 2)中所述有效浪高的距離信息，是通過(guò)雷達(dá)所接收的海洋回波信號(hào)進(jìn)行 傅立葉變換而得到。
[0016] 步驟（3.3)中對(duì)初始浪場(chǎng)之所以要先進(jìn)行替換處理，是因?yàn)閷?shí)際中，各個(gè)二維空 間格子內(nèi)累積到的有效浪高值有多又少，累積數(shù)越高，其得到的浪高越準(zhǔn)確；當(dāng)累積數(shù)低于 3時(shí)，誤差較大，因此需要將其替換為周邊所有格子浪高值的均值（其中，"周邊"就是以某 個(gè)格子為中心，其周?chē)目臻g格子，一般情況下，周邊格子數(shù)為8,然而位于邊界的格子，其 周邊格子數(shù)為5)。
[0017] 步驟（3.3)中對(duì)浪場(chǎng)進(jìn)行插值和平滑處理，是由于實(shí)際中有少部分空間格子內(nèi) 累積數(shù)為〇,數(shù)據(jù)為空，需要以周邊浪高值的均值來(lái)填補(bǔ)；平滑處理是采用高斯窗函數(shù)來(lái)實(shí) 現(xiàn)，防止相鄰海域浪高值差異過(guò)大。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：傳統(tǒng)的浪場(chǎng)形成方式是通過(guò)波束形成來(lái)獲 取不同方位角的有效浪高，為了使得方位角分辨率越高，天線(xiàn)口徑就越大，帶來(lái)很大不方 便；本發(fā)明提供的浪場(chǎng)形成不再依賴(lài)波束形成，而是通過(guò)MUSIC定向算法獲取有效浪高的 方位信息，進(jìn)而形成浪場(chǎng)，因此對(duì)天線(xiàn)口徑?jīng)]有特殊要求，既能用于擁有大型相控陣天線(xiàn)的 雷達(dá)系統(tǒng)，也適用于擁有緊湊陣的雷達(dá)系統(tǒng)。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為雷達(dá)站地理位置圖，其中PTAN是工作在13. 5MHz的高頻地波雷達(dá)站，Buoy A和B是位于雷達(dá)站附近的兩個(gè)浮標(biāo)，距離雷達(dá)站7. 3km和15. 3km;
[0020] 圖2中，（a)為雷達(dá)回波多普勒譜圖，（b)為一二階峰MUSIC估角結(jié)果圖；
[0021] 圖3為一二階峰比值與浮標(biāo)有效浪高的線(xiàn)性模型圖，（a)、方位角70度，（b)、方位 角120度；
[0022] 圖4為初始浪場(chǎng)，（a)圖所用數(shù)據(jù)來(lái)自2014年9月27日21 :00至23 :00,（b)圖 所用數(shù)據(jù)來(lái)自2014年10月9日17 :30至19 :30;
[0023] 圖5為經(jīng)過(guò)替換處理后的浪場(chǎng)，所用數(shù)據(jù)同圖4;
[0024] 圖6為經(jīng)過(guò)插值和平滑處理后的浪場(chǎng)，所用數(shù)據(jù)同圖4。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作更加詳細(xì)的說(shuō)明。
[0026] 于2014年9月至10月，在福建省平潭縣做了一次實(shí)驗(yàn)，地理位置如圖1所示，采 用的是具有緊湊陣接收天線(xiàn)的0SMAR-SD高頻地波雷達(dá)，發(fā)射波形為L(zhǎng)FMICW(線(xiàn)性調(diào)頻中斷 連續(xù)波），掃頻帶寬60KHz，距離分辨率為2. 5km。
[0027] 本發(fā)明所涉及的浪場(chǎng)形成算法將分為三部分依次詳細(xì)介紹：1) 一二階峰比值與 有效浪高關(guān)系的理論推導(dǎo)；2) -二階峰比值與有效浪高線(xiàn)性模型的構(gòu)建；3)實(shí)際浪場(chǎng)作圖 的過(guò)程。
[0028] (1)-二階峰比值與有效浪高關(guān)系的理論推導(dǎo)
[0029] 1972年Barrick推導(dǎo)出了窄波束條件下無(wú)海洋表面流的深水中一階雷達(dá)散射截 面方程的表達(dá)式：
[0030]
[0031] 式中，《為多普勒頻移，辦是雷達(dá)波束的方位角，m取值±1表征的是朝向或背離 雷達(dá)的兩列Bragg海浪，_f0表示雷達(dá)波矢量，《V(/t)為有向浪高譜，^^是Bragg頻率。
[0032] 對(duì)于得到充分發(fā)展的海洋表面，有向浪高譜.?(&可以表示為無(wú)向浪高譜f(k)與 方向因子奪_ + #的乘積：
[0033]