[发明专利]从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法

说明书

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，尤其是涉及一种利用高频海洋回波一阶Bragg谐振峰提取海面浪高的方法。

背景技术

高频电波经海浪后向散射形成回波谱的主要机制是Bragg散射效应，其主要成分是一阶和二阶Bragg散射谐振峰。一阶峰是线谱，由波长为雷达电波波长一半的Bragg海浪散射同相加强而产生；二阶谱位于一阶谱两侧，主要是连续谱。目前，国际上各型高频海态雷达产品采用的风浪反演方法均主要基于由Barrick在1970年代建立的一阶和二阶散射截面方程。现海态反演已形成稳定的处理框架，即由一阶Bragg谐振峰反演流速和风向，由二阶谱与一阶谱之比反演浪高和风速。而获得一定精度浪高的前提条件，则是需要存在满足一定信噪比条件的二阶谱。因此，高频地波雷达提取的浪高只能局限在具有较强二阶谱的较近距离单元上，与流速探测距离有相当大的差距。特别地，采用单极子/交叉环等紧凑式接收天线的便携式高频地波雷达，由于无法通过形成窄波束而获得高空间增益，更是只能在较近的若干个距离元上反演浪高。例如，目前占世界高频海态雷达市场85％以上份额的美国SeaSonde产品列入正式浪高指标的仅为3km距离元上的平均浪高。此外，由于二阶谱能量相对较弱，且频谱范围较宽，极易受到噪声和其他干扰的影响，即使是较弱的电磁干扰或海面船只回波，也可能产生较大的浪高估计误差。提高浪高反演精度的一种思路是扩大阵列口径，但这对雷达建站和推广都是不利的；另一种思路是增大发射功率以提高二阶谱的信噪比，但由于电波沿海面传播诺顿(Norton)衰减因子的存在使得这种做法的效率非常低，而且受无线电管理约束发射功率也不能太大。因此，在现有浪高反演方法框架下，高频地波雷达尤其是便携式雷达存在距离局限性，只能测量近海区域内的浪高，无法实现远距离探测。而对于便携式雷达而言，即使是测量近海区域浪高，由于用作空间扫描的波束非常宽，因此也几乎不具有空间分辨能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种从高频地波雷达回波一阶Bragg谐振峰提取海面浪高的方法，以突破现有的基于二阶谱的浪高反演方法所固有的距离限制瓶颈，大幅度提升高频地波雷达探测距离，同时使其具有空间分辨能力。

本发明所采用的技术方案是：一种从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获得在高频地波雷达工作频率下的Bragg海浪回波谱功率随浪高变化的曲线p(h)，并得到曲线p(h)的反函数H(p)；

步骤2：计算出雷达各距离元R上信号功率的传播距离衰减因子A_p(R)、诺顿(Norton)传播损耗因子A_N(R)及由雷达接收机门控脉冲产生的工作比调制因子A_g(R)，得到各距离元R上信号功率总的与距离有关的衰减因子A(R)＝A_p(R)A_N(R)A_g(R)；

步骤3：在含有超过浪高提取所需信噪比条件二阶谱的近距离元R₀上，采用常规基于二阶谱的方法计算出浪高h(R₀)，并依据步骤1得到的浪高与Bragg海浪回波谱功率关系式p(h)求出相应的Bragg海浪谱p₀，这里假设近距离元R₀各方位上具有相同的浪高，其中所述的近距离元R₀是能够由常规二阶谱进行浪高反演的距离元；

步骤4：对各距离元R，计算多普勒功率谱，自动划分出正一阶谱区和负一阶谱区，获得正、负一阶峰功率的方位向分布和

步骤5：选择一种风向扩展因子模型g(θ)，由正负一阶峰功率方位向分布估计出风向并计算出各方位上的风向扩展因子

步骤6：在各方位上，由正、负一阶峰功率和风向扩展因子估计出含有一个待定系数α的Bragg海浪无向浪高谱值其中待定系数α是包括收发天线和接收机在内的雷达系统增益；

步骤7：用近距离元R₀对远距离元R₁进行标校，得到Bragg海浪无向浪高谱值与的比值进而由p₀求出Bragg海浪回波谱功率p₁＝βp₀，最终计算出浪高其中所述的远距离元R₁是指超出了二阶谱反演浪高距离的距离元。