[发明专利]一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法

摘要

本发明公开一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，包括以下步骤：选取用于反演的高频地波雷达回波多普勒谱，对每一个雷达回波多普勒谱进行单独计算确定其当时当地的噪声水平；以能量较大的Bragg单峰作为参照，对雷达回波多普勒谱进行去海流化；筛选出可以进行后续谱形分析的谱；识别谱中涌浪谱峰；确定谱峰的实测位置；对所获谱峰的实测位置进行质量检验；计算获得涌浪角度；计算涌浪波高。本发明利用高频地波雷达观测涌浪不仅是以一个全新的手段提供涌浪观测数据，而且可以有效地辅助该手段提高海面波浪的观测精度，具有重要的实用和科学价值。

主权项

1.一种通过高频地波雷达反演涌浪波高的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，选取用于反演的高频地波雷达回波谱，对每一个雷达回波谱进行单独计算确定其当时当地的噪声水平；计算基于白噪声假设，根据白噪声平均功率谱密度与标准差相等的特性有：式中x为噪声的谱值，横杠代表取均值，N_sum为样本数量；计算过程中将每一个回波谱的数据点由小到大进行排列，逐步列入噪声数据进行计算，当达到上述白噪声条件时即得到回波谱中的噪声水平；根据噪声水平检验回波谱，必须具有两个Bragg谱峰；步骤2，以能量较大的Bragg单峰作为参照，对雷达回波谱进行去海流化；回波谱逆多普勒频移移动相同的频率差，使一阶Bragg谱峰频率f_B回归理论无海流位置式中k₀为雷达电磁波波数，g为重力加速度；步骤3，筛选出可以进行后续谱形分析的回波谱；使用至少10个互相独立的回波谱进行平滑处理，该平均要求所跨时间长度须大于20分钟风浪稳定期，采取对当前回波谱数据于时间上向前向后各一小时取数据做谱平均，以抑制风浪信号，突出涌浪信号；经过叠加后有可能出现奇异值，应检验平滑后Bragg双峰间距的对称性，通常给予两个分辨率(δf)的宽容度；步骤4，识别谱中涌浪谱峰；涌浪谱峰频率(f_j)的最大值是在布拉格峰两侧的四个特定的区间寻找；这些区间的选定对应着涌浪频率的设定和回波谱本身特性的限制；首先，涌浪谱峰的寻找必须避开一阶谱的位置；阈值是根据统计的Bragg峰半功率谱宽和涌浪峰半功率谱宽的和来确定的，取6个分辨率长度；||f_j|‑f_B|＞6δf；其次，限定查找范围步骤5，确定谱峰的实测位置；对每一个谱峰的认定都采用五个数据点的方法，然后对这些数据点进行高斯拟合，从而确定谱峰的实测位置；步骤6，对所获谱峰的实测位置进行质量检验；谱峰宽度的阈值取统计数量中的前80％作为有效值，其他作为特异性展宽剔除；步骤7，计算获得涌浪角度；根据涌浪谱峰位置计算得到涌浪角度其中，Δf^‑和Δf⁺分别是负、正回波谱部分两个涌浪谱峰的多普勒频率差值，即：Δf^‑＝f₂‑f₁；Δf⁺＝f₄‑f₃；步骤8，计算涌浪波高；采用以下公式计算涌浪有效波高其中，r是实测标准化涌浪谱峰能量为其自身回波谱对频率的能量积分与相邻一阶谱峰能量积分之比；系数C经简化后可以表达为C≈(1+(K_s/k₀)²/4+m₁K_scosθ_s/k₀)^‑2；耦合系数Γ可以表达为Γ＝Γ_EM‑iΓ_H，其中i是复数流体力学耦合系数电磁耦合系数其中，k₀为雷达电磁波波数；K₁和K₂为共同产生电磁波后向散射共振的两组海浪的波数；箭头代表矢量；m₁和m₂分别取值±1；ω和ω_B为分别对应f和f_B的圆频率；海面阻抗Δ在未经特别测定的情况下，可以取平均值在浅水情形下，电磁耦合系数保持不变，但流体力学耦合系数需要进行水深修正：式中d为水深，K′₁和K′₂是波数修正项：K′₁＝K₁tanh(K₁d)K′₂＝K₂tanh(K₂d)水深修正仅在水深20米‑50米的区域进行；将两个波数中的任意一个设想为目标涌浪，并通过数值迭代的方式求得其解，得到涌浪波高。