數(shù)字化高頻地波雷達(dá)海態(tài)信息提取試驗(yàn)研究

王曙曜,施春榮,陸小虎,周　濤,陳天富

(1.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京211100;2.南京鵬力系統(tǒng)工程研究所,南京211100)

數(shù)字化高頻地波雷達(dá)海態(tài)信息提取試驗(yàn)研究

王曙曜1,施春榮2,陸小虎1,周濤1,陳天富1

(1.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京211100;2.南京鵬力系統(tǒng)工程研究所,南京211100)

摘要：利用數(shù)字化高頻地波雷達(dá)系統(tǒng),通過對鹽城濱海海域的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并將得到的海態(tài)結(jié)果與浮標(biāo)實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對,結(jié)果表明數(shù)字化高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)可以高精度地提取海流信息,同時也可以有效地提取高海況下的風(fēng)速風(fēng)向和浪高信息。

關(guān)鍵詞:數(shù)字化高頻地波雷達(dá);徑向流速;有效浪高;風(fēng)速;風(fēng)向

0引言

高頻地波雷達(dá)對海洋狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史。利用高頻電磁波與海面波浪的相互作用產(chǎn)生散射的機(jī)理,通過數(shù)字波束形成、空間譜估計等相關(guān)算法處理可以從雷達(dá)回波譜提取海況參數(shù)(如風(fēng)、浪、流等),實(shí)現(xiàn)海況信息的實(shí)時獲取。高頻地波雷達(dá)具有大面積、全天候?qū)r進(jìn)行監(jiān)測能力,且不受天氣和地理?xiàng)l件的限制,經(jīng)濟(jì)可靠,探測精度較高,因而逐漸受到各個國家的重視[1]。

目前,國內(nèi)外高頻地波雷達(dá)普遍采用了數(shù)字和模擬相結(jié)合的體制,其模擬電路會帶來大量的噪聲及附加干擾,同時會存在各個通道幅相不一致的問題,極大地影響了海態(tài)信息提取精度。數(shù)字化高頻地波雷達(dá)最大程度地采用了數(shù)字化和軟件無線電技術(shù),從根本上避免了以上問題的存在,無論是可靠性方面還是探測性能方面都要優(yōu)于數(shù)模體制雷達(dá)。

本文利用全數(shù)字化高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)典型代表產(chǎn)品OS081H高頻地波雷達(dá)在鹽城濱?；剡M(jìn)行了海態(tài)觀察試驗(yàn),并對雷達(dá)反演數(shù)據(jù)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對。結(jié)果表明,數(shù)字化高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)可以高精度地提取海流信息,同時也可以有效地提取高海況下的風(fēng)速風(fēng)向和浪高信息。

1地波雷達(dá)提取海態(tài)基本原理

1.1徑向流速和方位信息的提取

寬波束雷達(dá)天線陣列的每一根天線接收的信號方向都來自寬闊的海面,而不同方向上的徑向流速一般不同,窄波束情形下雷達(dá)回波的一階譜線在這里被展寬成了有一定寬度的一階譜區(qū)。譜區(qū)中的每一個譜點(diǎn)(對應(yīng)于一個徑向海流速度值)都對應(yīng)某一個方向上一階回波的貢獻(xiàn),找到了譜點(diǎn)和方向的對應(yīng)關(guān)系就等同于求出了海流的方位分布。徑向流速值可以從所選譜點(diǎn)與對應(yīng)Bragg圓頻率的偏移直接得到,徑向流的方位則可通過上述的MUSIC算法估計出來,也可以利用MVM波束掃描得到。

1.2浪高參數(shù)反演方法——Barrick法

浪高反演算法采用Barrick提出的浪高反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2],其求解公式為

(1)

其中w(η)是為了消除耦合系數(shù)而引入的一個權(quán)函數(shù),它只依賴于多普勒譜頻率,而與雷達(dá)頻率、雷達(dá)波束和風(fēng)向的夾角、浪高及其他參數(shù)無關(guān),且對于0.5≤η≤1.5時可視為常數(shù),η=ωD/ωB為歸一化多普勒譜頻率。根據(jù)式(1)求解浪高時不必對整個多普勒譜積分,而只需對多普勒譜強(qiáng)度較大的一邊(-∞<ωD<0,or0<ωD<+∞)積分即可。

1.3風(fēng)速和風(fēng)向信息提取

風(fēng)速反演采用了風(fēng)速與二階譜和一階譜能量比值經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[3]:

(2)

其中,a,b為待定擬合系數(shù),R為二階譜能量與一階譜能量的比值。

風(fēng)向反演采用Heron和Rose提出的多波束采樣確定風(fēng)向的方法[4],風(fēng)向與正負(fù)一階峰強(qiáng)度比值定量關(guān)系為

(3)

2試驗(yàn)概述

試驗(yàn)場地為江蘇海洋氣象綜合觀察研究基地。試驗(yàn)設(shè)備為OS081H高頻地波雷達(dá)和大浮標(biāo)。OS081H高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射分機(jī)以及接收分機(jī)組成,主要指標(biāo)見表1。圖1和圖2分別給出了雷達(dá)多普勒回波和雷達(dá)站位置及浮標(biāo)布設(shè)位置。

表1　濱?；豋S081H地波雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)

圖1　OS081H高頻地波雷達(dá)多普勒頻譜圖

圖2　雷達(dá)站位置和浮標(biāo)布設(shè)位置

3試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選取了2015.5.1～2015.5.31時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。雷達(dá)結(jié)果時間分辨率為10 min,浮標(biāo)實(shí)測結(jié)果時間分辨率為1 h,故將雷達(dá)1 h所測6場結(jié)果進(jìn)行平均處理,以便與浮標(biāo)結(jié)果時間相對應(yīng)。同時,雷達(dá)反演流速為徑向流速,需要通過公式將浮標(biāo)矢量流轉(zhuǎn)化為該點(diǎn)所在雷達(dá)波束上的徑向流,vr代表了雷達(dá)徑向流速,vc代表浮標(biāo)矢量流速,αc代表浮標(biāo)所測海流流向,βr代表該點(diǎn)所在波束方向。

(4)

圖3和圖4給出了雷達(dá)流速和浮標(biāo)流速的時間比對圖和散點(diǎn)圖,二者的平均誤差約5 cm/s,相關(guān)系數(shù)約0.91。該結(jié)果表明雷達(dá)海流結(jié)果與浮標(biāo)實(shí)測結(jié)果具有良好的一致性。誤差來源主要有3個方面:

(1) OS081H系統(tǒng)是假定浮標(biāo)海域位置滿足深水條件,即

h>2*lamda

其中,h為水深,lamda為雷達(dá)電波波長。雷達(dá)電波波長為27.9 m,即要求水深大于55.8 m。此處位置的水深無法獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。若該位置水深不滿足深水條件,無法對該位置點(diǎn)的海流進(jìn)行修正,這會帶來一定的誤差。

(2) 地波雷達(dá)海流結(jié)果代表地波雷達(dá)面元海域的海流平均值,而浮標(biāo)實(shí)測海流僅代表該位置點(diǎn)的海流值。若將二者的海流結(jié)果減去各自的平均值,則平均誤差降低到3.5 cm/s。

(3) 海流算法本身的精度會帶有相應(yīng)的誤差,包括一階譜有效頻點(diǎn)的選取過程中會誤將目標(biāo)點(diǎn)當(dāng)作海流頻點(diǎn)。求海流頻點(diǎn)方位時信號源數(shù)判斷錯誤,在海流插值過程中也會不可避免地帶來一定誤差。

另外,雷達(dá)系統(tǒng)誤差和多普勒頻率分辨率精度等也會帶來相應(yīng)的誤差。對于這些誤差來源對海流精度的影響,后續(xù)會作更詳細(xì)的研究。

圖3　雷達(dá)流速和浮標(biāo)流速時間序列比對

圖4　雷達(dá)流速和浮標(biāo)流速散點(diǎn)圖

圖5代表了地波雷達(dá)風(fēng)向與浮標(biāo)實(shí)測風(fēng)向的比對。

圖5　雷達(dá)風(fēng)向與浮標(biāo)風(fēng)向時間序列比對

二者的變化趨勢比較吻合,平均誤差約21°,相關(guān)系數(shù)0.81。誤差來源主要有以下兩個方面:

圖6　雷達(dá)風(fēng)向與浮標(biāo)風(fēng)向時間序列比對

(2) OS081H系統(tǒng)風(fēng)向反演算法為消除風(fēng)向模糊,假定一定海域的風(fēng)向是一致的或變化趨勢相對緩慢,在某些時間點(diǎn),風(fēng)向并沒有一定的空間相關(guān)性。這會導(dǎo)致一定的誤差。

圖7、圖8分別代表了雷達(dá)風(fēng)速、浪高與浮標(biāo)實(shí)測結(jié)果的比對,浪高平均誤差為0.52,相關(guān)系數(shù)為0.80,風(fēng)速的平均誤差為1.5 m/s,相關(guān)系數(shù)為0.78 m。由于浪高風(fēng)速反演依賴于二階回波譜,同時雷達(dá)發(fā)射頻率較低,故二階譜對低海況并不敏感,從而導(dǎo)致在低海況時浪高與風(fēng)速的反演誤差會相對較高。圖9代表排除掉風(fēng)速小于5 m/s的數(shù)據(jù)點(diǎn)后雷達(dá)風(fēng)速與浮標(biāo)風(fēng)速的比對,風(fēng)速的平均誤差減小到1.0 m/s,相關(guān)系數(shù)提高到0.82。圖10代表排除掉小于波高0.5 m的數(shù)據(jù)點(diǎn)后雷達(dá)波高與浮標(biāo)波高的時間比對,浪高的平均誤差減小到0.31 m,相關(guān)系數(shù)提高到0.88。

圖7　雷達(dá)風(fēng)速與浮標(biāo)風(fēng)速時間序列的比對

圖8　雷達(dá)浪高與浮標(biāo)浪高時間序列比對

圖9　雷達(dá)風(fēng)速與浮標(biāo)風(fēng)速時間序列比對(風(fēng)速>5 m/s的數(shù)據(jù)點(diǎn))

圖10　雷達(dá)浪高與浮標(biāo)浪高時間序列比對(浪高>0.5的數(shù)據(jù)點(diǎn))

4結(jié)束語

本文利用OS081H高頻地波雷達(dá)在濱海海域獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過相關(guān)算法處理獲得了徑向流速、風(fēng)速、風(fēng)向和浪高,并和浮標(biāo)數(shù)據(jù)作了比對分析。通過分析,得到了海流的平均誤差為5 cm/s,排除掉較低海況的數(shù)據(jù)點(diǎn),風(fēng)向的平均誤差為15°,風(fēng)速的平均誤差為1 m/s,浪高的平均誤差為0.31 m。該結(jié)果表明了數(shù)字化地波雷達(dá)系統(tǒng)可以高精度地提取海流信息,同時也可以有效提高高海況下的風(fēng)向、風(fēng)速和浪高信息。另外,通過進(jìn)一步的大量海態(tài)試驗(yàn),進(jìn)而通過數(shù)據(jù)比測修正和校正算法,該系統(tǒng)的測量精度會得到進(jìn)一步的提高。

參考文獻(xiàn):

[1]Wyatt L R,High frequency radar application in coastal monitoring planning and engineering[J].Australian Journal of Civil Engineering,2014,12(1):1-15.

[2]Barrick D E.Extraction of wave parameters from measured HF radar sea-echo Doppler spectra[J].Radio Science,1977,12(3): 415-424.

[3]楚曉亮,張杰,高頻地波雷達(dá)風(fēng)速直接反演的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚J].電子與信息學(xué)報,2015,37(4):1013-1016.

[4]Heron M L,Rose R J.On the application of HF ocean radar to the observation of temporal and spatial changes in wind direction[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1986,11(2):210-218.

Sea-state information extraction and test of digital HF ground-wave radar

WANG Shu-yao1, SHI Chun-rong2, LU Xiao-hu1, ZHOU Tao1, CHEN Tian-fu1

(1. PRIDE (Nanjing) Atmospheric and Oceanic Information System Co., Ltd. of CSIC,Nanjing 211100;2.Research Institute of Nanjing PRIDE Systems Engineering, Nanjing 211100)

Abstract:Based on the digital HF ground-wave radar system, with the analysis of radar echo data of Binhai waters in Yancheng, the sea-state results and the actual buoy data are compared. The results indicate that the digital HF ground-wave radar system can effectively extract the high-precision ocean current, the wind speed, the wind direction, and the wave height.

Keywords:digital HF ground-wave radar; radial current velocity; effective wave height; wind speed; wind direction

收稿日期:2016-03-20

作者簡介:王曙曜(1988-),男,碩士,工程師,研究方向:高頻地波雷達(dá)海態(tài)反演研究;施春榮(1978-),男,高級工程師,研究方向:雷達(dá)總體設(shè)計;陸小虎(1985-),男,碩士,研究方向:雷達(dá)信號處理;周濤(1968-),男,研究員,研究方向:雷達(dá)總體設(shè)計;陳天富(1988-),男,碩士,工程師,研究方向:雷達(dá)信號處理。

中圖分類號:TN958

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0005-04

項(xiàng)目支持:國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目-小型化地波超視距雷達(dá)綜合監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)合研發(fā)(項(xiàng)目號:2012DFR10050);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)-浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)研制(項(xiàng)目號:2012AA091702);)