Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析

朱麗萍，張　川，程紹華

（國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津　300112）

Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析

朱麗萍，張川，程紹華

（國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津300112）

為了評(píng)價(jià)Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和實(shí)際觀測(cè)效果，在遮浪島附近以MKIII型波浪騎士浮標(biāo)作為比對(duì)儀器進(jìn)行試驗(yàn)。比對(duì)結(jié)果顯示，所有參數(shù)的測(cè)量結(jié)果均略高于比對(duì)儀器的測(cè)量結(jié)果，且兩者的相關(guān)性較好，平均波高和對(duì)應(yīng)波周期測(cè)量結(jié)果最好。波高數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.936，誤差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的概率分別為58.59%和99.38%；波周期誤差介于（-1.5～1.5）s的概率為64.18%，誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.50 s。

Morse-3型S波段雷達(dá)；MKIII型波浪騎士浮標(biāo)；有效波波高；有效波波周期；平均波高；平均波周期

Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)是武漢大學(xué)和武漢七星電氣有限公司聯(lián)合研制的具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的第三代高精度S波段測(cè)波雷達(dá)，主要用于海洋防災(zāi)減災(zāi)、海上運(yùn)輸、海洋石油、海洋漁業(yè)、海洋工程和軍事活動(dòng)等海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋生態(tài)系統(tǒng)管理、海洋觀測(cè)。該雷達(dá)波性參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，系統(tǒng)具有較高的處理增益，可用較小的發(fā)射功率獲得較強(qiáng)的回波信號(hào)，兼顧探測(cè)距離和探測(cè)精度，以保證海浪、海流的高精度測(cè)量［1］。

海浪是由多個(gè)單一正弦波合成的復(fù)雜波形，其要素主要包括波高、波周期和波向。為了更好地表征海浪，在海浪連續(xù)記錄中波高總個(gè)數(shù)的1/3個(gè)大波的波高平均值為1/3波高（有效波波高），對(duì)應(yīng)周期為1/3波周期（有效波周期）。所有波高的平均值為平均波高，對(duì)應(yīng)的周期平均值為平均波周期。波高的最大值為最大波高，對(duì)應(yīng)的周期為最大波周期。波高總個(gè)數(shù)的1/10個(gè)大波的波高平均值為1/10大波波高，對(duì)應(yīng)周期的平均值為1/10大波周期。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)高頻雷達(dá)在海洋環(huán)境探索中做了大量的比對(duì)試驗(yàn)并進(jìn)行了評(píng)估，如Frisch［2］、Chapman［3-4］等人對(duì)HF雷達(dá)進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，趙晨等人對(duì)最新研制的多頻率高頻地波雷達(dá)海流、海浪探測(cè)情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析［5-6］。陳澤宗等人研究了S波段雷達(dá)海浪探測(cè)的基本原理［7］。目前對(duì)Morse-3型S波段雷達(dá)的比對(duì)研究還較少，本文旨在對(duì)運(yùn)用了新方法、新技術(shù)的Morse系列S波段第3代測(cè)波雷達(dá)對(duì)海浪的探測(cè)結(jié)果作進(jìn)一步的比對(duì)分析與評(píng)估。

1　儀器簡(jiǎn)介

Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)雷達(dá)）是一種用于探測(cè)近距離海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)的高精度S波段多普勒測(cè)波雷達(dá)，全景觀測(cè)僅3 min，可探測(cè)空間非平穩(wěn)場(chǎng)和流場(chǎng)，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

測(cè)波原理：該雷達(dá)基于多普勒原理，通過(guò)連續(xù)測(cè)量各方向水質(zhì)點(diǎn)的軌道速度和回波強(qiáng)度，結(jié)合線性海浪理論，計(jì)算出海浪譜和速度譜。利用6個(gè)方位的數(shù)據(jù)融合得到有效浪高譜、海浪統(tǒng)計(jì)如有效波波高、波周期和波向［8］。

比對(duì)儀器選用的是波浪騎士MKIII型測(cè)波浮標(biāo)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)浮標(biāo)），是測(cè)量波高和波向的世界標(biāo)準(zhǔn)，精度可達(dá)0.5%。該浮標(biāo)為重力加速度式浮標(biāo)，傳感器內(nèi)安裝加速度計(jì)，加速度計(jì)隨波面升降測(cè)量垂直加速度電壓信號(hào)，經(jīng)二次積分后得到波面起伏的電壓信號(hào)，將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算處理后就可以得到波浪的各種特征值。兩種儀器的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　兩種儀器的技術(shù)指標(biāo)

2　試驗(yàn)說(shuō)明

試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣州省汕尾市紅海灣區(qū)內(nèi)的遮浪島，該島南端突向海中，便于雷達(dá)開(kāi)展探測(cè)試驗(yàn)。2015年3月19日-3月30日，在距試驗(yàn)海平面高度約為10 m位置布放測(cè)波雷達(dá)，其視場(chǎng)半徑為1 500 m，天線海拔高度約20 m；比對(duì)設(shè)備MKIII波浪騎士布防距離測(cè)試設(shè)備天線700 m處，經(jīng)度115° 34′22″，緯度22°39′16″，圖1和圖2分別為雷達(dá)天線和波浪騎士MKIII型測(cè)波浮標(biāo)。

圖1　雷達(dá)天線

圖2　波浪騎士MKIII型測(cè)波浮標(biāo)

為了保證比對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性，調(diào)整校準(zhǔn)后的儀器及其應(yīng)用算法，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，不再進(jìn)行修改。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1數(shù)據(jù)說(shuō)明

測(cè)量數(shù)據(jù)包括測(cè)量時(shí)間、最大波高、最大波周期、1/10大波波高、1/10波周期、有效波波高、有效波波周期、平均波波高、平均波波周期、波向等參數(shù)。

3.2數(shù)據(jù)處理

為了客觀顯示Morse-3型S波段雷達(dá)的測(cè)量性能，比對(duì)儀器與參試儀器所獲取的波浪數(shù)據(jù)先進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，得到空間和時(shí)間上具有比對(duì)意義的兩組數(shù)據(jù)。

首先，應(yīng)用3σ準(zhǔn)則處理數(shù)據(jù)，剔除異常點(diǎn)。

其次，為滿足時(shí)間上比對(duì)的統(tǒng)一性，對(duì)剔除異常值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間控制，將雷達(dá)數(shù)據(jù)換算成每0.5 h一組數(shù)據(jù)，換算過(guò)程如下：

因波浪騎士浮標(biāo)的實(shí)際測(cè)量時(shí)間是t時(shí)刻后30 min，故將（t，t+30）時(shí)間段內(nèi)的雷達(dá)數(shù)據(jù)取出，假設(shè)為Hmax_Morse（1，2，3…n）、H1/10_Morse（1，2，3…n）、H1/3_Morse（1，2，3… n）、Havg_Morse（1，2，3… n），Tmax_Morse（1，2，3…n）、T1/10_Morse（1，2，3…n）、T1/3_Morse（1，2，3…n）、Tavg_Morse（1，2，3…n）。

由武漢大學(xué)無(wú)線電海洋遙感實(shí)驗(yàn)室提供的反演雷達(dá)數(shù)據(jù)算法可知，雷達(dá)在T時(shí)間段內(nèi)的波高、波周期統(tǒng)計(jì)特征值，為其原始數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)樣本數(shù)據(jù)的平均值，即（t，t+30）時(shí)間段內(nèi)Morse-3雷達(dá)測(cè)量的波高各特征值為：

i為（t，t+30）時(shí)間段內(nèi)的雷達(dá)數(shù)據(jù)序號(hào)，i=1，2，3…n。

3.3誤差計(jì)算

約定浮標(biāo)測(cè)量值為真值，對(duì)雷達(dá)測(cè)量值進(jìn)行誤差計(jì)算，計(jì)算誤差公式如下：

4　比對(duì)結(jié)果及影響因素

4.1試驗(yàn)比對(duì)結(jié)果

4.1.1波高比對(duì)結(jié)果圖3分別給出有效波波高、平均波波高、最大波高和1/10大波波高4個(gè)參數(shù)的比對(duì)結(jié)果。結(jié)果顯示，雷達(dá)測(cè)得值略高于浮標(biāo)測(cè)得值。隨著時(shí)間變化，雷達(dá)與浮標(biāo)測(cè)得波高曲線整體走勢(shì)一致，均在3月23日、25日、28日出現(xiàn)突變，相關(guān)性較好。

圖4為雷達(dá)與浮標(biāo)波高測(cè)量值差值示意圖，顯示除個(gè)別點(diǎn)（3月21日、28日少數(shù)測(cè)得值）外，雷達(dá)測(cè)得值略高于浮標(biāo)測(cè)得值，且波高差值曲線與波高曲線變化走勢(shì)基本一致，推測(cè)波高大小對(duì)雷達(dá)測(cè)波高精度有一定的影響。

比對(duì)結(jié)果匯總見(jiàn)表2，可以看出，4個(gè)參數(shù)中平均波波高測(cè)量結(jié)果最好。平均波高誤差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的樣本分別占總樣本的58.59%和99.38%，相關(guān)系數(shù)為0.936，兩者相關(guān)度高，總體測(cè)量結(jié)果較好，所有誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.15 m；有效波波高誤差介于（-0.2～0.2）m和（-0.5～0.5）m的樣本分別占總樣本的35.40%和80.54%，波高誤差小于±0.5 m的概率大，相關(guān)系數(shù)為0.939，所有誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.24 m，略低于平均波測(cè)量結(jié)果。

4.1.2波周期比對(duì)結(jié)果圖5給出4種參數(shù)的波周期比對(duì)結(jié)果趨勢(shì)圖。結(jié)果顯示，雷達(dá)測(cè)得波周期較浮標(biāo)測(cè)得波周期結(jié)果略高但兩者走勢(shì)一致。結(jié)合圖3可知，波周期走勢(shì)與波高走勢(shì)不一致。

圖6為波周期差值示意圖，除個(gè)別結(jié)果（3月21日、28日少數(shù)測(cè)得值）外，雷達(dá)測(cè)波周期值較浮標(biāo)測(cè)得波周期值略大。結(jié)合圖5，波周期差值曲線與波周期曲線相關(guān)性小，推測(cè)可能因?yàn)椴ɡ酥芷谧兓^小，其相關(guān)系數(shù)難以反映變化趨勢(shì)。

波周期具體比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2，4個(gè)比對(duì)參數(shù)中平均波波周期測(cè)量結(jié)果相對(duì)較好，誤差介于（-1.5～1.5）s的概率為64.18%，所有誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.50 s。

綜上所述，在12 d的比對(duì)試驗(yàn)中，Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)和MKIII型波浪騎士浮標(biāo)所測(cè)波高和波周期均表現(xiàn)為前者測(cè)得值略高于后者，但兩者曲線相關(guān)性好，其中平均波高和對(duì)應(yīng)的波周期的測(cè)量結(jié)果相對(duì)較好。另經(jīng)推測(cè)，波高大小對(duì)雷達(dá)測(cè)波高精度有一定的影響；但波周期值對(duì)雷達(dá)測(cè)波周期精度影響不明顯。

圖3　Morse-3型S波段雷達(dá)與MKIII型波浪騎士浮標(biāo)波高測(cè)量值比較圖

圖4　Morse-3型S波段雷達(dá)與MKIII型波浪騎士浮標(biāo)波高測(cè)量值差值示意圖

圖5　Morse-3型S波段雷達(dá)與MKIII型浮標(biāo)波周期測(cè)量值趨勢(shì)圖比較

圖6　Morse-3型S波段雷達(dá)與MKIII型浮標(biāo)波周期測(cè)量值差值示意圖

以波浪騎士浮標(biāo)測(cè)量值為約定真值，雷達(dá)測(cè)波數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

4.2影響因素分析

綜上所知，在對(duì)比試驗(yàn)中，雷達(dá)和浮標(biāo)所測(cè)波高和波周期數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，但也存在一定的誤差，引起這些誤差的原因可能有以下幾點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)海況。由波高差值圖看出，3月23日-27日波高誤差較大，最大波高差值可達(dá)1 m以上，參考浮標(biāo)所測(cè)波高，該時(shí)間段內(nèi)最大波高可達(dá)（3～5）m，屬于5～6級(jí)海況，推測(cè)風(fēng)力可能較大，可能是影響測(cè)波誤差偏大的一個(gè)重要影響因子，其對(duì)誤差的評(píng)估較復(fù)雜，今后還需作進(jìn)一步研究。

表2　雷達(dá)與波浪騎士浮標(biāo)比對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表

另外，試驗(yàn)海區(qū)為近岸海域，由近岸礁石引起的涌浪、浪高、浪向、浪周期比較混亂，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的影響；受地理位置影響，島嶼和過(guò)往船只對(duì)雷達(dá)測(cè)量信號(hào)的提取也會(huì)產(chǎn)生較大干擾。

（2）儀器設(shè)備測(cè)量原理不同。Morse-3型S波段雷達(dá)利用高精度S波段的Doppler原理對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，而MKIII型波浪騎士浮標(biāo)通過(guò)測(cè)量浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)重力加速度的大小得到波浪運(yùn)動(dòng)特征量，二者在測(cè)量原理上的不同，使得測(cè)量值存在一定得差異。

（3）數(shù)據(jù)處理過(guò)程。雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為每3 min獲得一組測(cè)量值，浮標(biāo)每0.5 h獲得一組測(cè)量值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)數(shù)據(jù)的提取過(guò)程不相同。

總之，Morse-3型S波段雷達(dá)在海洋探測(cè)中的誤差來(lái)源是多方面的，影響因素也很多，這些因素對(duì)測(cè)量精度的影響還需長(zhǎng)期大量的比對(duì)試驗(yàn)來(lái)研究和分析，便于進(jìn)一步對(duì)雷達(dá)算法進(jìn)行完善。

5　小結(jié)

在Morse-3型S波段測(cè)波雷達(dá)的比對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有效波波高、最大波高、平均波高、1/10大波波高以及對(duì)應(yīng)波周期較MKIII型波浪騎士浮標(biāo)測(cè)量結(jié)果略偏高，但相關(guān)性很好，其中平均波高和對(duì)應(yīng)波周期的測(cè)量結(jié)果最好；波高差值曲線與波高曲線變化走勢(shì)基本一致，推測(cè)波高大小對(duì)雷達(dá)測(cè)波高精度有一定的影響。波周期差值曲線與波周期曲線相關(guān)性小，推測(cè)波周期大小對(duì)雷達(dá)測(cè)波周期精度的影響不明顯。

另外，雖然雷達(dá)與波浪浮標(biāo)均能獲取波向數(shù)據(jù)，但浮標(biāo)的波向參數(shù)目前國(guó)內(nèi)無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)量校準(zhǔn)，其準(zhǔn)確可靠性無(wú)法確認(rèn)，故此處不對(duì)波向作分析。

致謝：感謝武漢大學(xué)無(wú)線電海洋遙感實(shí)驗(yàn)室提供的雷達(dá)反演結(jié)果，感謝陳澤宗教授、張龍剛博士的指導(dǎo)與幫助，感謝武漢七星電氣有限公司在對(duì)比試驗(yàn)中給予的大力支持。

［1］范林剛，陳澤宗，金燕，等，微波多普勒雷達(dá)海浪參數(shù)提取算法［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（10）：21-24.

［2］Frisch A S，Holbrook J，Ages A B.Observations of a Summertime Reversal in Circulation in the Strait of Juan de Fuca［J］.J Gerophys Res，1981，86（C3）:2044-2048.

［3］Chapman R D，Shay L K，Graber H C，et al.On the Accuracy of HF Radar Surface Current Measurements:Intercomparisons with Ship-Based Sensors［J］.J GeophysRes，1997，102:18737-18748.

［4］Chapman R D，Graber H C.Validation ofHF Radar Measurements［J］.Oceangraphy，1997，10（2）:76-79.

［5］Chen Zhao，Zezong Chen，Yanni Jiang，et al.Exploration and Validation of Wave-Height Measurement Using Multifrequency HF Radar［J］.Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology，2013，30（9）:2189-2202.

［6］Chen Zhao，Zezong Chen，Gengfei Zeng，et al.Evaluating Radial Current Measurement of Multi-frequency HF radar with Multi-Depth ADCP Data Duringa Small Storm［J］.Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology，2015，32（5）:1071-1087.

［7］Ze-zong Chen，Lin-gang Fan，Chen Zhao，et al.Ocean Wave Directional Spectrum Measurement Using Microwave Coherent Radar with SixAntennas［J］.IEICE Electronics Express，2012，9（19）:1542-1549.

［8］LingangFan，ZezongChen，Xi Chen，et al.S-band Radar Measurement ofCorrelation Between Coastal Wave and Tide［J］.International Journal ofDigital Content Technologyand Its Applications（JDCTA），2012，6（19）:503-510.

Analysis on the Comparative Test Results of the Morse-3 S-Band Wave Radar

ZHU Li-ping，ZHANG Chuan，CHENG Shao-hua
National Center of Ocean Standard and Metrology，Tianjin 300112，China

To evaluate the effectiveness and observed results of the Morse-3 S-band wave radar，comparative tests were carried out using the MKIII wave rider buoy in the area adjacent to the Zhelang Island.The comparative tests show that the measuring results of all parameters using the Morse-3 S-band wave radar are slightly higher than those using the MKIII-wave rider buoy and they have high correlation.The average wave height and corresponding wave period have the best measuring results.The correlation coefficient of wave height is 0.936，and its error varying from（-0.1-0.1）m to（-0.2-0.2）m，with the probability of 58.59%and 99.38%，respectively.The error of wave period ranges（-1.5-1.5）s，with its probability of 64.18%.The standard deviation of the error is 0.50 s.

Morse-3 S-band wave radar；MKIII wave rider buoy；significant wave height；significant wave period；average wave height；average wave period

P715

A

1003-2029（2016）01-0030-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.004

2015-07-11

朱麗萍（1986-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笏臍庀髢x器校準(zhǔn)。E-mail：zhulipingouc2010@163.com