[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

说明书

本发明涉及一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，包括步骤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，得到雷达测量的径向速度序列；步骤2，对雷达测得的径向速度序列去除平均值，接着作离散傅里叶变换和取模平方得到速度谱；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；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；步骤5，用零阶矩去奇异值法，使异常的有效波高恢复正常。本发明为利用微波多普勒雷达获取海面浪高提供了一种新的探测手段，具有较高的探测精度和浪场空间分辨率，结果简单清晰。

技术领域

本发明属于雷达探测领域，尤其涉及一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法。

背景技术

近岸处海浪对于海运和港口安全有着非常重要的作用，传统的测量手段如浮标、潜标、海洋调查船等只能提供局部有效的海洋数据，难以满足实际需求。随着计算机等新技术的快速发展，无线电磁波逐步应用于海洋监测领域。S波段多普勒雷达能够探测近岸处海面浪高信息，且由于其体积小、受环境干扰少、测量精度高等特点，目前已逐步发展成为一种用于监测海洋环境的新手段。对于S波段多普勒雷达，当入射角较大时，海面与电磁波信号发生Bragg散射，谐振的海浪波长与电磁波长处于同一量级，被称为Bragg毛细波。根据复合表面散射理论，毛细波跨骑在重力波上，并受到重力波的调制作用，这些调制包括轨道调制、倾斜调制、阴影调制和流体动力学调制等，因此Bragg毛细波的变化中携带了重力波的特征信息。从雷达回波中提取出重力波的速度信息，利用线性波动理论，速度与海浪谱存在着转换关系，进而获取海浪谱。因此，S波段多普勒雷达发射的电磁波与海面发生相互作用，其幅度和相位受到海浪、海流等参数调制，对调制后的回波信号经过一系列复杂的信号处理和数据分析，可从中提取出海面浪高信息。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法。该方法的核心在于通过雷达回波多普勒快速、高精度地实时获取海面浪高信息。该方法不仅适用于S波段多普勒雷达，还可应用于其他波段的微波多普勒雷达。

本发明的技术方案是一种利用S波段多普勒雷达探测海面浪高的方法，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：