[发明专利]一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法

权利要求书

1.一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，利用S波段多普勒雷达获取海面回波多普勒谱，对得到的N帧多普勒谱提取中心频率，获得中心频率序列，根据多普勒效应公式，得到雷达测量的径向速度序列v(t)；

在该步骤中，中心频率f的获取采用基于矩运算的能量均衡法：

式中：P(f)为多普勒功率谱密度函数；

步骤2，对雷达测得的径向速度序列v(t)去除平均值，接着作离散傅里叶变换和取模平方得到速度谱v²(f)；

步骤3，根据线性波动理论，得到速度谱与海浪谱的转换关系，获得海浪谱S(f)；

在该步骤中，速度谱与海浪方向谱的转换关系如下：

式中：v²(f)表示速度谱，k和ω分别是水质点毛细波对应的波数和频率，Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔，d是水深，α为雷达掠射角；

海浪谱通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线；

步骤4，根据有效波高与海浪谱之间的数学关系，利用谱矩法获得有效波高H_s；

在该步骤中，有效波高的计算公式如下：

式中，H_s为海浪的有效波高，m₀为海浪谱的零阶矩，通过下式得到：

m₀＝∫S(f)df (5)

步骤5，在海浪谱零阶矩序列中应用零阶矩去奇异值法，使异常的有效波高恢复正常。

2.如权利要求1所述的一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：在所述步骤2和步骤3中，由径向速度序列推导海浪谱的过程如下：

雷达测得的径向速度为：

式中：v(t)为雷达测得的径向速度，α为雷达掠射角，θ为雷达天线指向；对径向速度序列做平均，去除散射体相速度和海流径向流速；

接着，对去除平均值后的径向速度序列进行离散傅里叶变换和取模平方后得到速度谱：

式中：v²(f)表示速度谱；

在式(7)中，毛细波幅度A(f,θ)与海浪方向谱S(f,θ)存在以下的关系式：

式中：Δf表示频率间隔，Δθ表示角度间隔；

将式(8)代入式(7)就得到海浪方向谱与速度谱之间的转换关系，两者的转换公式如下所示：

海浪谱通过下式获得：

式中：i表示第i根天线的海浪方向谱，雷达共有6根天线。

3.如权利要求1所述的一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：在所述步骤5中，零阶矩去奇异值法的计算步骤如下：

a.利用转换公式得到海浪谱对应的零阶矩序列；

b.计算该序列平均值，记为A，设置k A为阈值，其中k为常数，取4～6；

c.检测高于阈值的位置并剔除，得到新的零阶矩序列；

d.计算新序列平均值，记为A₁，设置k₁A₁为新阈值，其中k₁为常数，取8～10；

e.检测原始零阶矩序列中高于新阈值的部分，标记此部分为异常位置；

f.重置异常位置的零阶矩为A₁，其他位置不变，即得到剔除异常值后的零阶矩序列。

4.如权利要求1或2所述的一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，其特征在于：在所述步骤1和步骤3中，N的取值为2ⁿ，n是不小于7的正整数。