一种高频地波雷达形成浪场的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高频地波雷达形成浪场的方法，是一种采用高频地波雷达海洋回 波谱一二阶峰比值提取有效浪高，并形成浪场的方法。
【背景技术】
[0002] 高频地波雷达应用于海洋表面动力学参数的监测已有超过30年的历史了，海流 的提取已经发展的很成熟，有效浪高的提取技术也得到很大的发展，多种浪高提取算法被 提出，并取得很大成就。然而，浪场的形成，同时获取大范围海域的有效浪高，依旧处于发展 和研究阶段。浪场的获取对于海洋研究活动、渔业以及海上救援等有极大的帮助。获取浪 场的主要难点在于浪高方位信息的提取，当前主要方式是通过大口径的相控阵天线进行波 束形成来解决方位问题，这在具有紧凑阵的宽波束雷达系统中是不适用的。考虑到窄波束 雷达系统存在一些不可避免的劣势，比如：1)雷达站选址，需要一个相对平坦且狭长的海 岸线；2)安装与架设更加困难；3)更加高昂的运营和维护成本，如何解决宽波束雷达获取 方位信息进而形成浪场，就显得非常有意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种高频雷达浪场形成的方法，该方法不仅适用于窄波束雷 达系统，更是解决了宽波束雷达难以获取浪场的困难。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种高频地波雷达形成浪场的方法，包含以下步骤：
[0006] 步骤1，从雷达海洋回波的距离多普勒中，筛选出由一阶峰与二阶峰构成的匹配 对，计算其比值，根据线性模型反演得到有效浪高；
[0007] 步骤 2,米用多重信号分类（MultipleSignalClassification--MUSIC)算法 估算所得有效浪高的方位角；
[0008] 步骤3 :根据有效浪高获得实际浪场。
[0009] 所述步骤3具体包括以下步骤：
[0010]步骤（3. 1)将雷达所能探测到的海域划分为二维空间格子，距离上跨度设置为雷 达距离分辨率，方位角上跨度设置为10度；
[0011] 步骤（3. 2)将反演所得的有效浪高根据距离与方位信息，置于相对应的二维空间 格子；分别对各个格子内的有效浪高取中值，作为其实际有效浪高，完成初始浪场的形成；
[0012] 步骤（3. 3)再对初始浪场进行替换、插值以及平滑处理，得到最终实际浪场。
[0013] 步骤1中所述的筛选出由一阶峰与二阶峰构成的匹配对，帅选是根据匹配对的两 个特征来实现的，两个特征分别是：（1)来自相同方位角；(2)在多普勒谱中，其多普勒差值 恒定为〇? 41fB，4为Bragg频率。
[0014] 步骤1中所述的线性模型，根据一二阶峰比值与浮标有效浪高的实际关系拟合得 至IJ。（其中："浮标有效浪高"指的是海面分布的浮标提供的有效浪高信息，在本专利中，是 作为参考，来确定线性模型参数。）
[0015] 步骤（3. 2)中所述有效浪高的距离信息，是通过雷达所接收的海洋回波信号进行 傅立叶变换而得到。
[0016] 步骤（3.3)中对初始浪场之所以要先进行替换处理，是因为实际中，各个二维空 间格子内累积到的有效浪高值有多又少，累积数越高，其得到的浪高越准确；当累积数低于 3时，误差较大，因此需要将其替换为周边所有格子浪高值的均值（其中，"周边"就是以某 个格子为中心，其周围的空间格子，一般情况下，周边格子数为8,然而位于边界的格子，其 周边格子数为5)。
[0017] 步骤（3.3)中对浪场进行插值和平滑处理，是由于实际中有少部分空间格子内 累积数为〇,数据为空，需要以周边浪高值的均值来填补；平滑处理是采用高斯窗函数来实 现，防止相邻海域浪高值差异过大。
[0018]与现有技术相比，本发明的优势在于：传统的浪场形成方式是通过波束形成来获 取不同方位角的有效浪高，为了使得方位角分辨率越高，天线口径就越大，带来很大不方 便；本发明提供的浪场形成不再依赖波束形成，而是通过MUSIC定向算法获取有效浪高的 方位信息，进而形成浪场，因此对天线口径没有特殊要求，既能用于拥有大型相控阵天线的 雷达系统，也适用于拥有紧凑阵的雷达系统。
【附图说明】
[0019] 图1为雷达站地理位置图，其中PTAN是工作在13. 5MHz的高频地波雷达站，Buoy A和B是位于雷达站附近的两个浮标，距离雷达站7. 3km和15. 3km;
[0020] 图2中，（a)为雷达回波多普勒谱图，（b)为一二阶峰MUSIC估角结果图；
[0021] 图3为一二阶峰比值与浮标有效浪高的线性模型图，（a)、方位角70度，（b)、方位 角120度；
[0022] 图4为初始浪场，（a)图所用数据来自2014年9月27日21 :00至23 :00,（b)图 所用数据来自2014年10月9日17 :30至19 :30;
[0023] 图5为经过替换处理后的浪场，所用数据同图4;
[0024] 图6为经过插值和平滑处理后的浪场，所用数据同图4。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图与实施例，对本发明作更加详细的说明。
[0026] 于2014年9月至10月，在福建省平潭县做了一次实验，地理位置如图1所示，采 用的是具有紧凑阵接收天线的0SMAR-SD高频地波雷达，发射波形为LFMICW(线性调频中断 连续波），扫频带宽60KHz，距离分辨率为2. 5km。
[0027] 本发明所涉及的浪场形成算法将分为三部分依次详细介绍：1) 一二阶峰比值与 有效浪高关系的理论推导；2) -二阶峰比值与有效浪高线性模型的构建；3)实际浪场作图 的过程。
[0028] (1)-二阶峰比值与有效浪高关系的理论推导
[0029] 1972年Barrick推导出了窄波束条件下无海洋表面流的深水中一阶雷达散射截 面方程的表达式：
[0030]
[0031] 式中，《为多普勒频移，辦是雷达波束的方位角，m取值±1表征的是朝向或背离 雷达的两列Bragg海浪，_f0表示雷达波矢量，《V(/t)为有向浪高谱，^^是Bragg频率。
[0032] 对于得到充分发展的海洋表面，有向浪高谱.?(&可以表示为无向浪高谱f(k)与 方向因子奪_ + #的乘积：
[0033]